淺談?lì)A(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈永強(qiáng)

【摘 要】近年來，預(yù)應(yīng)力錨栓系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用在陸上風(fēng)電的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中；相較于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)，預(yù)應(yīng)力錨栓的受力機(jī)理方面完全不同。本文通過對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)及預(yù)應(yīng)力錨栓系統(tǒng)的受力分析，并結(jié)合兩者分別與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之間的力學(xué)分析，進(jìn)而對(duì)兩者從技術(shù)角度形成對(duì)比，從而為風(fēng)電同行對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的連接方式的選擇提供參考。

【關(guān)鍵詞】傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán) 預(yù)應(yīng)力錨栓 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

1 概述

風(fēng)機(jī)塔筒與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的連接方式很長一段時(shí)間在我國都是采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)連接，近幾年出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨栓連接。針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)剛度、強(qiáng)度突變以及耐久性問題，用預(yù)應(yīng)力錨栓來連接塔筒和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，其受力方式與基礎(chǔ)環(huán)連接的受力方式完全不同，避免了基礎(chǔ)環(huán)連接在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可能出現(xiàn)的不利情況。

2 預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的力學(xué)分析

對(duì)于采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)連接方式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)環(huán)埋入混凝土中的部分是一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，而露出部分以及整個(gè)塔筒又是一個(gè)柔性體，在基礎(chǔ)環(huán)和混凝土基礎(chǔ)最上面的交線，就形成了一個(gè)應(yīng)力集中部位，如果基礎(chǔ)環(huán)在這個(gè)部位材料有缺陷或承受的應(yīng)力過大，就很容易在這個(gè)部位造成疲勞破壞。在實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場中，有部分風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)已經(jīng)出現(xiàn)了基礎(chǔ)環(huán)兩側(cè)混凝土出現(xiàn)疲勞破環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)與兩側(cè)混凝土直接出現(xiàn)肉眼可見的脫開縫隙，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)環(huán)有明顯的晃動(dòng)，直接影響風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全。如下圖1。

預(yù)應(yīng)力錨栓的出現(xiàn)，則完全避免了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)出現(xiàn)以上問題的可能。為什么預(yù)應(yīng)力錨栓可以避免這一問題呢？下面就從預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的受力分析來解答這個(gè)問題。

由上圖2可以看出，預(yù)應(yīng)力錨栓替代了基礎(chǔ)環(huán)，而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的形式仍為普通的基礎(chǔ)形式。預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)形式并不是將錨栓和混凝土澆筑在一起，它是由上錨板、下錨板、錨栓、PVC 護(hù)管等組成，在上錨板和下錨板之間用PVC護(hù)管將錨栓與混凝土隔離，而且要密封，澆筑過程中水不能進(jìn)入到護(hù)管內(nèi)，以免對(duì)錨栓造成腐蝕。當(dāng)錨栓受到拉力時(shí)，錨栓的下錨板以上部分會(huì)均勻受力，整個(gè)錨栓是一個(gè)彈性體，沒有彈性部分和剛性部分的界面，從而避免了應(yīng)力集中。由于對(duì)錨栓施加預(yù)應(yīng)力，混凝土基礎(chǔ)始終處于受壓狀態(tài)，因此采用預(yù)應(yīng)力錨栓的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就不會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)兩側(cè)混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞的情況。

采用預(yù)應(yīng)力錨栓連接塔筒和基礎(chǔ)有以下優(yōu)點(diǎn)如圖3。

（1）錨栓貫穿基礎(chǔ)整個(gè)高度并通過下錨板將錨栓錨固在基礎(chǔ)底板，結(jié)構(gòu)連續(xù)、無剛度和強(qiáng)度突變；

（2）鋼筋和錨栓交叉架設(shè)，互不影響，施工便利，基礎(chǔ)整體性好；

（3）采用液壓雙缸高強(qiáng)螺栓張拉器對(duì)錨栓施加準(zhǔn)確的預(yù)拉力，使上、下錨板對(duì)鋼筋混凝土施加壓力，基礎(chǔ)受彎作用時(shí)，迎風(fēng)側(cè)混凝土壓應(yīng)力有所釋放但始終處于受壓狀態(tài)，混凝土不產(chǎn)生裂縫，其耐久性得到提高；

（4）基礎(chǔ)柱墩中豎向鋼筋幾乎不受力，僅需按構(gòu)造配置預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，基礎(chǔ)更為經(jīng)濟(jì)；

（5）錨栓組合件生產(chǎn)供應(yīng)周期短，可大大降低業(yè)主的建設(shè)周期，加快投資回報(bào)。

3 預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計(jì)算

以某風(fēng)電場單機(jī)容量2.0MW的預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)為例，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 風(fēng)機(jī)荷載（表1）

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

混凝土材料的計(jì)算參數(shù)：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土抗凍等級(jí)為F150，裂縫控制等級(jí)為三級(jí)；鋼筋為HRB400三級(jí)鋼。

基礎(chǔ)混凝土保護(hù)層厚度為：基礎(chǔ)底面鋼筋保護(hù)層80mm，頂面及側(cè)面保護(hù)層厚度均為50mm。

預(yù)應(yīng)力錨栓采用8.8級(jí)M42高強(qiáng)螺栓，分兩圈沿圓周均勻布置，每圈布置80根，一共160根。單根錨栓預(yù)張力為502KN。

基礎(chǔ)采用天然地基，基礎(chǔ)持力層強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化砂巖，承載力特征值≥220Kpa。

工程所在地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

3.3 預(yù)應(yīng)力錨栓作用力計(jì)算

由于風(fēng)機(jī)荷載中彎矩值較大，對(duì)于錨栓及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)來說所受荷載為偏心荷載，由故上部風(fēng)機(jī)傳遞至每個(gè)錨栓上的作用力是不同的，我們需要計(jì)算出所有錨栓中作用力最大的一個(gè)，用來驗(yàn)算錨栓的預(yù)張力是否滿足要求。

預(yù)應(yīng)力錨栓作用力計(jì)算可采用上面的公式，但由于是校核錨栓強(qiáng)度，公式里的荷載標(biāo)準(zhǔn)值均采用設(shè)計(jì)值（極端工況），F(xiàn)k取風(fēng)機(jī)荷載豎向力設(shè)計(jì)值即1.2Fz=3665.8KN，Gk取0KN，Mxk取風(fēng)機(jī)荷載彎矩值1.5Mxy=91177.5KN.m，錨栓數(shù)量為160即n=160，yi根據(jù)錨栓布置半徑計(jì)算確定。

3.4 預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 基礎(chǔ)形式的選擇

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，采用基礎(chǔ)環(huán)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上部圓柱受到基礎(chǔ)環(huán)的壓力、剪力、彎矩及局部抗壓，受力很復(fù)雜，需考慮幾種荷載的共同作用，所以圓柱外部及內(nèi)部的鋼筋配置較多且較復(fù)雜；而預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的上部圓柱只受壓，鋼筋只需進(jìn)行構(gòu)造配置即可。

整板式基礎(chǔ)與梁板式相比鋼筋用量較小，錨栓間距較大，基礎(chǔ)鋼筋穿插、綁扎方便?；A(chǔ)模板為上、下兩個(gè)環(huán)形模板，支模、拆模工作量小，且較方便。基礎(chǔ)底板坡度較小，混凝土澆注較方便，但混凝土量較大，澆注時(shí)間較長。

雖然梁板式基礎(chǔ)較整板式基礎(chǔ)混凝土方量小，但鋼筋綁扎及混凝土模版相對(duì)復(fù)雜，且對(duì)施工質(zhì)量要求較高。故在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，筆者推薦采用整板式基礎(chǔ)。

3.4.2 上錨板下部灌漿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于預(yù)應(yīng)力錨栓在施加預(yù)應(yīng)力后，錨栓的預(yù)拉力是通過上錨板及下錨板傳遞至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上，而錨栓的后張拉工作是在錨栓的上端進(jìn)行的，且基礎(chǔ)上部直接暴露在外部，所以上錨板下部基礎(chǔ)混凝土的抗壓強(qiáng)度尤其重要。一般會(huì)在上錨板下部開槽灌漿或直接在基礎(chǔ)頂面進(jìn)行灌漿，厚度約80mm，見圖5。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力錨栓的施工較傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)稍復(fù)雜，但預(yù)應(yīng)力錨栓解決了傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)的天然缺陷，混凝土基礎(chǔ)始終處于受壓狀態(tài)，因此采用預(yù)應(yīng)力錨栓的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就不會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)兩側(cè)混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞的情況。在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，采用基礎(chǔ)環(huán)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上部圓柱外部及內(nèi)部的鋼筋配置較多且較復(fù)雜；而預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的上部圓柱鋼筋只需進(jìn)行構(gòu)造配置即可。綜上，預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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