用于風電機組塔架基礎(chǔ)設(shè)計的WTF V6.0軟件

韓彥寶，翟三社，張立英

（1. 北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065；2. 中國建設(shè)銀行股份有限公司 陜西省分行，陜西 西安 710002；3. 中國水電顧問集團 西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710065）

風電機組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件V6.0（簡稱WTF軟件）是FD003—2007《風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》的配套軟件，并擴充了其中的基礎(chǔ)形式，涵蓋了國內(nèi)陸上風電場常用的基礎(chǔ)形式，是一套專門為陸上風電場地基基礎(chǔ)設(shè)計而研發(fā)的軟件。通過7年的實踐檢驗和升級調(diào)整，目前WTF軟件得到國內(nèi)60多家大型水利、水電、電力勘測設(shè)計、咨詢單位的認可。

FD003—2007《風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》[1]試行的7年中，也是中國風電高速發(fā)展的7年，大量的風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計、投產(chǎn)為我們軟件升級提供了許多寶貴的實踐資料；同時，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010—2010[2]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB5007—2011[3]等許多相關(guān)規(guī)范的更新發(fā)布對我們的軟件升級也提出了新的要求。擴展基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的計算方法之前已有詳細論述[4]，本文主要以圓形肋梁基礎(chǔ)和圓形巖石錨桿基礎(chǔ)2個計算模塊來闡述軟件的設(shè)計理論，同時增加一些重要升級功能點及參數(shù)選擇的說明。

1 計算原理

1.1 圓形肋梁基礎(chǔ)

圓形肋梁基礎(chǔ)（又稱格構(gòu)式基礎(chǔ)）設(shè)計流程圖見圖1。

1.1.1 基礎(chǔ)尺寸及荷載參數(shù)

1）基礎(chǔ)尺寸示意圖如圖2，基本參數(shù)數(shù)據(jù)包括：基礎(chǔ)底板半徑、基礎(chǔ)臺柱半徑、塔筒直徑、基礎(chǔ)底板厚、臺柱高度、基礎(chǔ)法蘭至臺柱頂高度、基礎(chǔ)埋深、肋梁寬、肋梁懸挑根部高、肋梁懸挑外緣高、肋梁長度、肋梁個數(shù)、環(huán)梁寬、環(huán)梁高、基礎(chǔ)混凝土強度等級、鋼筋強度等級、覆土容重、混凝土容重、混凝土保護層厚度和地下水埋深。

圖1 圓形肋梁基礎(chǔ)設(shè)計流程示意圖Fig. 1 Process diagram of the circular rib beam-based design

圖2 圓形肋梁基礎(chǔ)尺寸示意圖（單位：mm）Fig. 2 Schematic diagram of the circular beam foundation size（Unit: mm）

2）巖土力學參數(shù)包括：土層名稱、土層厚度、重力密度、壓縮模量、內(nèi)聚力、摩擦角、承載力特征值、寬度承載力修正系數(shù)、深度承載力修正系數(shù)和地基抗震承載力修正系數(shù)。

3）荷載情況。作用在基礎(chǔ)上的荷載主要有風機上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的荷載水平力Fx和Fy（兩者合成Fr），水平彎矩Mx和My（兩者合成Mr），豎向力Fz，扭矩Mz，以及基礎(chǔ)自重G1、回填土重G2、多遇地震作用Fe1和罕遇地震作用Fe2等。荷載效應組合考慮標準組合（含修正標準值）、基本組合和偶然組合。荷載工況有正常運行荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況和疲勞強度驗算工況。荷載效應組合、荷載工況和考慮的主要荷載以及采用基本組合時，主要荷載的分項系數(shù)均嚴格按照FD003—2007規(guī)范《風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》[1]中相關(guān)要求計算。

1.1.2 設(shè)計原理

風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計實踐中，由于擴展基礎(chǔ)混凝土體積龐大，混凝土用量較大，從節(jié)省投資節(jié)約成本的角度出發(fā)，設(shè)計了肋梁基礎(chǔ)。從圖2可以看出，肋梁基礎(chǔ)相當于在原來的擴展基礎(chǔ)上，“挖”去了幾個扇形面積的混凝土塊，這部分空間用覆土壓密回填來“充當”原混凝土的作用。滿足設(shè)計要求的肋梁基礎(chǔ)既節(jié)省了混凝土用量，又“回收”了基礎(chǔ)開挖的部分覆土，一舉兩得?；诖嗽碓O(shè)計的基礎(chǔ)，可以算是一種特殊的擴展基礎(chǔ)。所以其設(shè)計步驟和文獻[4]基本相似。不同之處在于此類基礎(chǔ)地基反力通過底板傳力給肋梁，肋梁為主要受力結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)受力明確，但配筋率有一定的增加。

肋梁基礎(chǔ)的底板配筋以構(gòu)造配筋為主，按文獻[3]最小配筋率0.15%配置。另外，肋梁基礎(chǔ)多了在肋梁和環(huán)梁處的配筋。配筋類型分肋梁和環(huán)梁的底面和頂面配筋，肋梁和環(huán)梁的構(gòu)造配筋，分水平分布筋、拉筋、箍筋。

肋梁底面配筋，按懸臂梁構(gòu)件考慮，算出基底反力作用下懸臂梁承受的彎矩，按此彎矩要求配筋；肋梁頂面，按基礎(chǔ)自重（含覆土）算出的彎矩減去基底反力作用下產(chǎn)生的彎矩結(jié)果來配筋，若結(jié)果為負，頂面受壓，滿足最小配筋率的構(gòu)造要求即可；若結(jié)果為正，頂面受拉，按受拉要求配筋，不受最小配筋率0.2%的要求限制。

環(huán)梁底面、頂面配筋按最小配筋率0.2%要求設(shè)計。

肋梁和環(huán)梁構(gòu)造配筋中，水平筋和拉筋按構(gòu)造要求配，不得小于0.2%；箍筋按最小配筋率公式（0.24ft/fyv）要求設(shè)計[2]。

1.2 圓形巖石錨桿基礎(chǔ)

圓形巖石錨桿基礎(chǔ)計算流程圖如圖3所示。

1.2.1 基礎(chǔ)尺寸及荷載參數(shù)

1）基礎(chǔ)尺寸示意圖如圖4所示，基本參數(shù)數(shù)據(jù)包括：基礎(chǔ)底板半徑、基礎(chǔ)棱臺頂面半徑、基礎(chǔ)臺柱半徑、塔筒直徑、基礎(chǔ)底板外緣高度、基礎(chǔ)底板棱臺高度、臺柱高度、上部荷載作用力標高、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)混凝土強度等級、鋼筋強度等級、覆土容重、混凝土容重、混凝土保護層厚度和地下水埋深。錨固參數(shù)包括：錨桿直徑、錨桿孔直徑、錨桿插入混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的長度、錨桿的有效錨固長度、砂漿與巖石間的粘結(jié)特征值、錨桿數(shù)。

巖土力學參數(shù)和荷載情況同1.1.1節(jié)的2）和3）。

1.2.2 設(shè)計原理

巖石錨桿基礎(chǔ)較傳統(tǒng)的擴展基礎(chǔ)增加了錨桿部分，在場地巖石鉆孔，然后放入錨桿并灌漿，讓錨桿與基礎(chǔ)及巖石之間有可靠的連接。利用錨桿的拉力來抵抗上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偏心拉力，從而有效地縮小了基礎(chǔ)底面積，該基礎(chǔ)的造價在諸多基礎(chǔ)形式中最低，有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢[5]。因此在山地風電場中，特別是基礎(chǔ)巖性較好的區(qū)域，建議采用巖石錨桿基礎(chǔ)。

由于基巖地基承載力高，所以此類基礎(chǔ)一般不做承載力復核和沉降計算。錨桿基礎(chǔ)應與基巖連成整體，并應符合下列要求：

1）錨桿孔直徑，宜取錨桿直徑的3倍，但不應小于1倍錨桿直徑加50 mm。錨桿基礎(chǔ)的構(gòu)造要求，可按圖5采用；圖5中，d1為錨桿孔直徑；l為錨桿的有效錨固長度；d為錨桿直徑。

圖5 巖石錨桿基礎(chǔ)（單位：mm）Fig. 5 Rock bolt foundation drawing（Unit:mm）

2）錨桿插入上部結(jié)構(gòu)的長度，應符合鋼筋的錨固長度要求。

3）錨桿宜采用熱軋帶肋鋼筋，水泥砂漿強度不宜低于30 MPa，細石混凝土強度不宜低于C30。灌漿前，應將錨桿孔清理干凈。

基礎(chǔ)設(shè)計時關(guān)鍵問題就是確定基礎(chǔ)底板平面尺寸。設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗初步擬定基礎(chǔ)平面尺寸；對錨桿抗拔和抗剪強度進行驗算、對基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性復核、進行底板尺寸合理性初判；初判合格后，進行基礎(chǔ)抗彎配筋、基礎(chǔ)底板抗沖切和抗剪計算、裂縫寬度驗算、疲勞驗算，通過以上計算最終確定底板尺寸。

其中，基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性采用荷載修正標準值；錨桿的抗拔和抗剪強度選用荷載設(shè)計值。

底板配筋和裂縫寬度計算。只進行極端荷載工況下的底板配筋計算。分別進行極端荷載工況和正常荷載工況下的裂縫寬度驗算，并滿足不同的要求。配筋計算選用荷載設(shè)計值（標準值乘分項系數(shù)），軟件只提供底板懸挑根部的配筋計算和裂縫寬度復核。配筋方式有正交配筋和徑環(huán)向配筋。配筋計算參考文獻[6]進行，臺柱的偏壓配筋參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010—2010附錄E0.4條。

1.3 主要升級功能點

1.3.1 擴展基礎(chǔ)多遇地震工況脫開控制問題

FD003—2007《風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》8.1.4節(jié)規(guī)定：多遇地震工況下基底脫開面積/基底面積不允許脫開。

文獻[7]4.2.4節(jié)規(guī)定“高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)脫離區(qū)（零應力區(qū)）；其他建筑，基礎(chǔ)底面與地基土之間脫離區(qū)（零應力區(qū)）面積不應超過基礎(chǔ)底面面積的15%”。風機塔筒不屬于高層住宅建筑，用零脫空規(guī)定約束風機基礎(chǔ)過于嚴格，應該屬于“其他建筑”類型。

文獻[8]7.1.2節(jié)規(guī)定：“4輸電高塔、觀光塔、帶有旅游功能的電視塔基礎(chǔ)底面在地震作用下不宜出現(xiàn)零應力區(qū)，其他各類塔基礎(chǔ)底面在考慮抗震設(shè)計組合時允許部分脫開地基土。5基礎(chǔ)底面允許部分脫開地基土的面積應不大于底面全面積的1/4?！蔽墨I[8]的總則里寫到，本規(guī)范是適用于風力發(fā)電塔等構(gòu)筑物的設(shè)計的，在上述提到的“其他各類塔”的范圍內(nèi)，此條規(guī)定更適用于風機基礎(chǔ)設(shè)計。

隨著風機單機容量的不斷增大，塔架高度和機艙、輪轂等主要構(gòu)件重量不斷增大，地震作用效應愈加明顯，在7度、8度地震烈度下，多遇地震荷載已接近極端荷載，仍按基底不能脫空來要求，已經(jīng)成為了風機基礎(chǔ)設(shè)計的控制性指標，遠大于由極端工況控制的設(shè)計體型，加大基礎(chǔ)工程量。在工程設(shè)計時，大機組風機設(shè)計甚至出現(xiàn)了6度地震也成為控制工況的問題，顯然“多遇地震工況不允許出現(xiàn)脫空”的規(guī)定已經(jīng)不合理。

基于上述理由，軟件從V4.4版本開始提供多遇地震工況基礎(chǔ)脫開的（脫開面積小于0.25）計算，供用戶設(shè)計時參考；同時用戶也可以調(diào)整基礎(chǔ)尺寸，在多遇地震不脫開的條件下進行計算。

1.3.2 地震荷載計算問題

V4.0以前的版本，地震烈度最小為6.5度。根據(jù)《風電場工程等級劃分及設(shè)計安全標準》8.0.5條款抗震設(shè)防烈度為6度時，對乙、丙、丁類建筑物可不進行地震作用計算，同時應符合GB50223—2004和GB50011—2010的要求。根據(jù)文獻[7]的1.0.2條款可知，6度建筑必須進行抗震驗算；另外，實踐中也有6度為控制工況的實例。所以，V4.0以后的版本增加了6度情況下的抗震驗算。

軟件客服工作中，用戶經(jīng)常問的一個問題就是多遇地震與罕遇地震阻尼比的選取。依據(jù)文獻[7]的8.2.8條款，多遇地震取0.03，罕遇地震取0.05；文獻[9]建議取0.03（按鋼管混凝土結(jié)構(gòu)考慮）、按鋼結(jié)構(gòu)考慮取0.02，罕遇地震取0.05；文獻[10]4.3.3條款建議取0.02，罕遇地震取0.05；同濟大學土木工程學院建筑工程系馬人樂教授在文章《風電機組塔筒模態(tài)的環(huán)境脈動實測與數(shù)值模擬研究》中建議取0.017左右合理。綜合考慮，建議阻尼比多遇地震取0.02，罕遇地震取0.05。

1.3.3 GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對軟件升級的要求

文獻[2]4.2.1和4.2.6條文對鋼筋的使用和鋼筋疲勞應力幅值做了一定的調(diào)整，軟件中所有基礎(chǔ)形式根據(jù)此條文做了調(diào)整，使得計算結(jié)果更加精細。

文獻[2]6.2.17條文，要求偏壓計算中偏心距不再乘偏心距增大系數(shù)，軟件中所有基礎(chǔ)形式的臺柱偏壓計算根據(jù)此條文做了調(diào)整。

文獻[2]6.3.4條文，帶箍筋抗剪計算時公式6.3.4-2的第二項不再乘系數(shù)1.25。肋梁基礎(chǔ)根據(jù)此條文做了調(diào)整。對肋梁抗剪要求有所提高。

1.3.4 地基土抗彎剛度復核

根據(jù)風機廠家提供的計算參數(shù)，對地基土的抗傾覆（抗彎）剛度有一定的要求。但是風機規(guī)范中沒有對該項計算做出說明。目前軟件參考文獻[11]的3.3條款對該項計算進行了復核。以往設(shè)計人員一般不考慮此項計算，但風機廠家的荷載數(shù)據(jù)是基于一定的地基抗傾覆剛度來獲得的，如果基礎(chǔ)抗傾覆剛度不滿足風機廠家要求，則基于設(shè)計人員的風機基礎(chǔ)上的荷載分析就沒有任何意義。

1.3.5 樁基基礎(chǔ)內(nèi)力變形計算

V6.0以前的版本，樁基基礎(chǔ)內(nèi)力變形計算只采用文獻[12]附表C.0.3-3高承臺算法。樁基規(guī)范C.0.4條款說明：承臺底面土層為液化層時，不考慮承臺側(cè)面土體的彈性抗力和承臺底土的豎向彈性抗力與摩阻力；承臺底面與承臺底面下土體可能發(fā)生脫離時，2種情況宜用高承臺算法計算樁基的內(nèi)力變形計算。可見，對于上述兩項條款外的風電機組樁基基礎(chǔ)，宜用附表C.0.3-2低承臺算法。軟件在6.0版本中增加了低承臺算法以及風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定9.3.2條款計算方法，方便用戶依據(jù)工程實際情況選擇合理的計算方法。

工程實踐中，擴底灌注樁由于其特有的優(yōu)勢也是常用基礎(chǔ)形式之一[13]，軟件在V6.0中增加了擴底灌注樁的相關(guān)計算，方便用戶進行各方案比選。

2 結(jié)語

WTF軟件是FD003—2007的配套和擴充。軟件建模方便，計算結(jié)果符合規(guī)范要求，能夠有效節(jié)約風電地基基礎(chǔ)設(shè)計人員的時間成本，固化計算過程，使其擺脫繁瑣的公式計算，提高設(shè)計效率，促進風電地基基礎(chǔ)設(shè)計工作的標準化、規(guī)范化。目前國內(nèi)有60多家大型水利、水電、電力勘測設(shè)計、咨詢單位在使用WTF軟件。

[1] 水電水利規(guī)劃設(shè)計總院.FD 003—2007 中國標準書號[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB50010—2010 中國標準書號[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB50007—2011 中國標準書號[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

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[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010中國標準書號[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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