第三章(5)风电机组基础设计

第三章（5）风电机组基础设计主要内容要内容力发电机组基础的求 风力发电机组对基础的要求基础的分类基础的设计海上风力发电机组的基础力发电机组基础的作风力发电机组基础的作用力机承载部件是风力发电机组的主要承载部件用于安装、支撑风力发电机组平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷 保证机组安全、稳定地运行力发电机组基础需满足风力发电机组基础设计需满足载荷允承载力 作用于地基上的载荷不超过地基允许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备控制基础的沉降使其不超过地基允许的变形值 控制基础的沉降，使其不超过地基允许的变形值，以保证风力发电机组不因地基的变形而损坏或影响机组的正常运行满足塔架在安装时的连接尺寸和结构要求2006年，在桑美台风中，两台机组被连基础拔出2008年，某风电场一台风机在正常运行时突然倒塌，基础被连根拔起主要内容要内容力发电机组基础的求 风力发电机组对基础的要求基础的分类基础的设计海上风力发电机组的基础几何形状圆形方形多边形（八边形） 埋置深度浅基础深基础（桩基） 形式扩展基础桩基础岩石锚杆扩展基础（spread foundation）由台柱和底板组成使压力扩散的基础一般指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础具有抗弯、抗剪性能，俗称柔性基础可用于荷载大、地基承载力不足的情形板块状基础平板块状基础实力式实体重力式基础应用广泛对基础进行动力分析时可忽略基础的变形将基 对基础进行动力分析时，可忽略基础的变形，将基础作为刚性体来处理，仅考虑地基的变形根据其结构剖面，可分为单纯平板基础、阶形平板基础、锥形平板基础和岩石固定式平板基础板块状基础平板块状基础几米几米在地面以下几米至几十米平板块状基础比塔筒底面积大很多平板块上有个比塔架底面积稍大些的柱状承台 平板块上有一个比塔架底面积稍大一些的柱状承台，用于和塔架连接平板块的形状常用正方形、六角形、八角形或圆形板块状基础平板块状基础-两种平板块状基础的形式桩基础（pile foundation）由设置于岩中的桩和联结于桩顶端的承台组成的基 由设置于岩土中的桩和联结于桩顶端的承台组成的基础适用于地质条件比较差的地方（浅层土质不良）群桩桩基础、单桩基础桩基础分为摩擦桩基础和端承桩基础（按承载性质分类） 摩擦桩基础：桩很长，桩端未达到坚硬土层或基层；桩顶载荷由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受，但其中主要桩顶载荷由桩侧摩擦阻力承担端承桩基础：桩较短，桩穿过软弱土层，达到深层坚实土中；桩顶载荷主要由桩端阻力承受桩基桩基础按桩身材料分类混凝土桩：预制桩和灌注桩钢桩承载能力高轻施方便价高易腐蚀 钢桩：承载能力高、重量轻、施工方便，造价高、易腐蚀木桩：承载力低且需打入水位以下材桩管内填组合材料桩：如钢管内填充混凝土框架式桩基础混凝土实心单桩基础空心复合桩基础桁架式塔架基础腿之间的跨距相对很大在现场使用螺旋钻孔机钻孔后浇注混凝土桩岩石锚杆基础（rock foundation with anchor bars）在岩石地基上，靠岩石锚杆、混凝土承台和岩石地基共同作用的基础主要内容要内容力发电机组基础的求 风力发电机组对基础的要求基础的分类基础的设计海上风力发电机组的基础意事项注意事项在设计风力发电机组基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘察，充分了解、研究地基地层的成因、构造及物理力学性质等由于风力发电机组的安装将使地基中原有的应力状态 由于风力发电机组的安装，将使地基中原有的应力状态发生变化，故需用力学的方法研究载荷作用下地基土的变形和强度问题FD003-2007风电机组地基基础设计规定由中国水电工程顾问集团公司风电标准化技术委员会提出、归口和负责解释本标准编制单位：水电水利规划设计总院本标准试设计单位中国水电顾问集团西北勘 本标准试设计单位：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院、华东勘测设计研究院根据风电场机组的单机容量轮毂高度和地基 根据风电场机组的单机容量、轮毂高度和地基复杂程度，地基基础分为三个设计级别机组地基基础设计应符合下列规定所有机组地基基础，均应满足承载力、变形和稳定性的要求1级2级机组地基基础均应进行地基变形计算 1 级、2 级机组地基基础，均应进行地基变形计算3 级机组地基基础，一般可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算130kPa地基承载力特征值小于130kPa 或压缩模量小于8MPa软土等特殊性的岩土地基基础设计需进行下列计算和验算1 地基承载力计算2 地基受力层范围内有软弱下卧层时应验算其承载力3 3基础的抗滑稳定、抗倾覆稳定等计算4 基础沉降和倾斜变形计算55 基础的裂缝宽度验算6 基础（桩）内力、配筋和材料强度验算77 有关基础安全的其它计算（如基础动态刚度和抗浮稳定等）风力发电机组基础的受力状况自重机组和基础自重：机组和基础倾覆力矩：机组自重的偏心、风轮产生的正压力以心风轮产生的正压力以及风载荷扭矩：机组调向剪力：风轮产生的正压力与风载荷力发电机组基础的受力状 风力发电机组基础的受力状况风力发电机组基础的力学模型力发电机组基础的与算 风力发电机组基础的设计与计算几尺寸算 基础混凝土重量及几何尺寸的计算基础底部压力所产生的偏心距计算 土壤压力的计算设计配筋抗冲切强度校核基础混凝土重量及几何尺寸的计算原则：保证机组和基础重量所产生的稳定力矩应大于机组运行时所产生的倾覆力矩)(B Q G +max 2KM ≥B基础的底边尺寸K 安全系数（一般取2）风力发电机组基础的设计与计算基础底部压力所产生的偏心距计算偏心受压的基础，所有载荷对基础底部压力所产生的偏心距不能过大Me≤+=QG)6//(B风力发电机组基础的设计与计算土壤压力的计算在按弹性地基计算基础对地基土壤的作用力时，一般应考虑基础自重、机组自重以及倾覆力矩对地基的影响，分别求出它们对地基所产生的压力，然后叠加，求得基础底面土壤的最大压力风力发电机组基础的设计与计算 土壤压力的计算壤压力的计算 基础底面土壤的最大压力不得超过土壤的容许承载力][//)(max 2max P W M B Q G P ≤++=26/B W =基础底面土壤的抗弯截面模量风力发电机组基础的设计与计算设计配筋弯曲应力 最危险的截面一般取塔架与基础交界处的截面))(2(12/1max 2Ι++=P P b B L M f KM =K-构建强度设计安全系数（一般取1.4）M hR A g s 9.0M-计算配筋截面处的设计弯矩-钢筋的抗拉强度设计值 h-基础冲切破坏锥体的有效高度g R力发电机组基础的与算风力发电机组基础的设计与计算抗核抗冲切强度校核风力发电机组基础是钢筋混凝土刚性基础，其抗剪强度般均能满足要求，只需进行抗冲切强度校核一般均能满足要求，只需进行抗冲切强度校核 基础的抗冲切强度由基础的高度确定，如高度不够，在受到机组传来的载荷时，会发生冲切破坏，即沿塔架四周大致成45°方向的斜面拉裂，形成角锥体为确保基础不发生冲切破坏，必须使地基反力产生的冲切力小于等于冲切面处混凝土的抗冲切强度风力发电机组基础的设计与计算抗冲切强度校核hb F F m t L 6.0≤AP F L max =L F -冲切载荷设计值t F 2/)(b m B b b +=-混凝土的抗冲切强度A -梯形面积主要内容要内容力发电机组基础的求 风力发电机组对基础的要求基础的分类基础的设计海上风力发电机组的基础根据地理位置及地质条件的不同，海上风力发电机组基础设计模式主要有（与场址条件密切相关，占投资的20%-30%左右）单桩基础重力基础三脚架基础导管架基础漂浮式基础单桩基础最简单，应用较广泛由焊接钢管组成桩的直径般在35m左右壁厚约为桩直径的 由焊接钢管组成，桩的直径一般在3-5m左右，壁厚约为桩直径的1%打入海床10m-20m以下深度进行固定适用于较浅且海床较为坚硬的水域，海床有岩石则不适用优点制造简单，不需要做任何海床准备缺点受海底地质条件和水深的约束较大；施工安装费用较高；需要做好防冲刷防护2012年欧洲新增海上风电机组基础形式占比•单桩式基础：占74%•重力式基础：占16%重力式基础占16%•塔架式基础：占5%•三支撑基础：占3%•三轴架基础：占2%•漂浮式基础：占0%/式基础占•N/A式基础：占0%重力基础利用基础的重力使整个系统固定，不适合流沙型的海底情况 基础的重力可以通过往基础内部填充钢筋、沙子、水泥和岩石等来获得一般为钢筋混凝土结构优点结构简单，造价低；稳定性和可靠性高缺点需要预先进行海床准备；体积和重量都比较大，安装不方便；适用水深范围太小脚架基础多桩基础三脚架基础（多桩基础）采撑,采用标准的三腿支撑结构由中心柱、三根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构构成（抵抗波浪、水流力）中心柱提供风机塔架的基本支撑增强了周围结构的刚度和强度脚架基础三脚架基础优点制造简单不需要做任何海床准备可用于深海域不需要冲刷防护缺点受地质条件约束较大不适于浅海域建造与安装成本较高导管架基础看象个框从外形看象一个锥台形空间框架适用的水深范围比较大优点建造和施工方便；受到波浪和水流的作用载荷比较小；对地质条件要求不高缺点造价随着水深的增加增长很快漂浮式基础优点：安装与维护成本低,在其寿命终止时,拆除费用也低;对水深不敏感,安装深度可达50 m 以上;波浪荷载较50m小缺点稳定性差平台与锚固系统的设计有定难度 缺点：稳定性差;平台与锚固系统的设计有一定难度。