风机基础形式方案比较.docx

风机基础设计计算方法及其方案比较

近年来，人们由于对能源产生了愈演愈烈的危机意识，对新能源的开发利用也就显得愈加迫切，太阳能，风能，潮汐能等众多新能源的研究开发工作都在如火如荼的进行中。风能是一种新型清洁能源，可再生，无污染，而且储量丰富，分布范围广泛。就我国来说，风能主要分布在华北，东北，西北以及沿海及其岛屿地带，而现有的风力发电场分布区域也是与风力资源分布基本吻合的。2009年，从风电装机容量分布来看，内蒙古装机累计容量920万千瓦，河北省278万千瓦，辽宁省242千瓦，吉林省201千瓦，当年全国实现新增装机容量1380.3万千瓦，而2010年新增容量更是达到了1650万千瓦，一跃成为新增风电装机总容量第一的国家，是日本的75倍，美国的两倍，可见我国在风力发电行业投入了相当大的人力，物力和财力，但数据显示，截至2008年底，我国风力发电在能源结构中所占的比例不足2%，所以，风力发电行业还有很大的上升空间。

但行业的迅速发展也带来了诸多问题，比如风机的荷载参数是通用型的数据，并不一定适应特定的风场，风力发电塔的设计也没有专门的规范和标准，暂时参考《高耸结构设计规范》，同时，风机基础的规范也仅有试行规定，即《FD003-2007风电机组地基基础设计规定》（以下简称《规定》）是参照相关建筑和电力系统的规范和标准而建立的，很多内容仅仅只是简单的将原有的建筑或电力规范原封不动的搬过来，而对基础受大偏心受力，疲劳荷载以及震动影响的计算方法并没有做深入的研究，比如基础在风振或地震作用下的动态刚度问题，基础形式的科学选择问题等，在试行规定中均未做详细介绍，而且对于规定中所提供的三种主要基础类型（天然地基基础，复合型地基基础，桩基础）是否合理也没有做解释。这些问题的存在，给风力发电机组及塔架基础的安全埋下了隐患。虽然风机基础的投资费用只占整个风机投资的1.7%左右，但基础安全的重要性是和上部结构同等重要的，不可掉以轻心。2006年，在桑美台风中，某风电场28台机组全部受损，其中有有11台风机叶片被吹断，两台风机连基础被拔出。2008年，某风电场一台风机在正常运行时突然倒塌，基础被连根拔起，这两个风电场采用的基础形式是天然地基上的扩展基础，被连根拔起的基础在设计方面肯定存在一些问题，这与风机基础设计没有一套成熟的规范作为依据有很大的关系，所以，我们在加快行业发展的同时，也要加快相关规范和标准的制定，否则将会带来巨大的经济损失和安全隐患。本文将对天然地基上的扩展基础的底面形状及其计算方法做简单的讨论。

风电机组基础承受360度方向的大偏心震动随机荷载，按照对称的原则，基础底面形式选为圆形最为合理，但实际情况是，虽然按理论风电机组会受任意方向的风荷载，但对于某个地区来说，在一年中仅有几个盛行风向，简单的将基础底面选为圆形并不一定经济合理，没有数据作为其理论支撑。而《规定》中提供的扩展基础底面为矩形，完全是从《建筑地基基础设计规范》中搬过来的，没有考虑风振影响，和一般的民用建筑基础的设计计算是有区别的，所以它的合理性也有待商榷。

某风电工程单机装机容量1.5MW，轮毂高度65m，塔筒底面直径4m，修正

后的地基承载力特征值为230kpa,基础及上覆土加权重度取Y=20kN/m3,基础混凝土采用C30标准，荷载参数如下表所示，讨论该工程的基础设计方案。

各工况下传至基础顶部的荷载标准值

工况名称

Fxk(kN)

Fyk(kN)

Fzk(kN)

Mxk(kNm)

Myk(kNm)

Mzk(kNm)

正常运

行荷载

工况

233.7

0

-2015

14868.2

0

175.7

极端荷

载工况

562.2

0

-1577

33253

0

886

多遇地

震工况

394.86

0

-2107.43

24321.72

0

175.7

罕遇地

震工况

1240.95

0

-2592.688

73952.697

0

175.7

疲劳荷

载工况

（上限）

318.5

125.4

-1901

8943.5

18778

1645

疲劳荷

载工况

（下限）

-64.5

-129.6

-2105

-7631.5

-4172

-1543

修正后的荷载标准值

工况

Fxk(kN)

Fyk(kN)

Fzk(kN)

Mxk(kNm)

Myk(kNm)

Mzk(kNm)

正常运

行荷载

315.5

0

2720

20071

0

237.2

极端荷载

759

0

2129

444891

0

1196.1

1.1方形基础

《FD003-2007风电机组地基基础设计规定》中推荐了底面形状为矩形的扩展基础，根据风机随机荷载的对称性，可取为一阶正方形扩展基础，按地基承载力特征值来确定基础的地面积。在《建筑地