基础环与预应力锚栓基础对比分析

基础环与预应力锚栓基础对比分析

摘要：随着能源及环境问题的日益突出，风能作为一种清洁的可再生能源，风

力发电越来越受到人们的重视。目前，我国风电已进入规模化快速发展阶段，风

电机组的种类不断增多，风电机组单机容量不断增大，风机基础正在朝着大型化

方向发展，我们面临的一个比较重要的选择就是塔筒和基础的连接方式，是采用

基础环还是预应力锚栓。本文通过对传统基础环及预应力锚栓系统的技术分析，

并结合工程经验，对两者从技术角度形成对比，从而为风电同行对风机塔筒与风

机基础的连接方式的选择提供参考。

关键词：基础环；预应力锚栓；风机基础

引言

我国陆上风电机组单机容量逐步趋于大型化发展，据不完全统计，从2001年至2006年，风电机组单机容量在0.75MW～1.25MW之间；在2006年至2013年

期间，主流风电机组单机容量为1.5MW；在2013年至2017年期间，主流风电机组单机容量为2.0MW；而到了2017年以后，风电机组单机容量以2.5MW、

3.0MW为主流，并有向更大容量发展的趋势。风电机组单机容量不断增大的情况下，其载荷会逐步增加，荷载增大以后，对塔筒和基础的连接造成很大的影响。

基础环基础是比较传统的风机基础形式，在风电机组单机容量在1.5MW及以下时，采用该种形式的基础比较多。随着风电机组单机容量的不断增大，基础环

基础的弊端逐步暴露出来。在这样的背景下，预应力锚栓基础应运而生，登上了

风电行业的舞台，解决了基础环连接在风机运行中风机基础可能出现的不利情况。

1、基础环基础

基础环基础就是把基础环埋到风机基础里面，形成基础和塔筒的连接，这种

连接方式历史比较悠久，工程设计经验丰富，施工技术也比较成熟。但基础环直

径比较大，埋入基础中的深度较浅，存在比较大的安全隐患，基础环与混凝土顶

面以及下法兰附近容易出现应力集中现象，使得结构本身存在薄弱环节。

对于采用基础环连接方式的风机基础，基础环实质是一个厚壁钢筒，可以视

作一个刚体，其弹性模量与混凝土差别非常大。基础环埋入混凝土中的部分是一

个刚性结构，而露出部分以及整个塔筒又是一个柔性体，在基础环和混凝土基础

最上面的交线处，以及下法兰附近，容易出现应力集中现象，如果基础环在这个

部位材料有缺陷或承受的应力过大，在长期交变荷载的作用下，就很容易在这个

部位造成疲劳破坏。

图1 基础环风机基础

基础环基础受力特征如下：

1）混凝土收缩和基础环受力使基础环与混凝土产生缝隙，下法兰上下混凝土密实度难保证。

2）基础在基础环以下、底板以上区段内竖向钢筋要承受全部外力，基础环已不起作用，此处为强度薄弱环节；在基础环范围内，基础刚度很大，不产生裂缝，所有因转角产生的裂缝集中在基础环和底板之间，裂缝宽度增大，此处为基础刚

度薄弱环节。

3）由于基础环侧壁的连续性，基础环侧壁内外基础混凝土被分割成为完全独立的两部分，从而无法形成整体的工作机制，基础整体性差。

4）基础环基础为非预应力结构，却要承受上部结构传来的疲劳荷载作用。混凝土抗拉承载力小、抗疲劳荷载作用性能差。

5）对常年潮湿、冰冻严重的风电场，冻胀在基础环与混凝土的缝隙里反复作用，使混凝土产生裂缝，恶化基础环在混凝土里的锚固。

目前基础环基础设计模式为，主机厂家设计基础环，设计院设计基础的钢筋

混凝土部分，并将基础环埋入整个基础中。由于现行的《风电机组地基基础设计

规定》（FD 003-2007）中未对基础环的埋深做相关要求，机组厂家为了控制成本，1.5～3.0MW的风电机组，其基础环的埋入深度约为1.25～1.79m，该埋入深度远

不能满足《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）第12.7.10条规定，即插入式柱

脚插入最小深度为1.5d（d为钢管柱直径，风电机组塔筒直径为4.3m），从而存

在着比较大的安全隐患。

2、预应力锚栓基础

预应力锚栓基础就是用锚栓组合件替代传统的基础环，形成基础和塔筒的连接。预应力锚栓基础整体性好，无薄弱环节，在保证塔架与基础的刚性连接的同时，减少钢塔架埋入基础部分的用钢量，同时也简化了这部分的施工，比传统基

础环基础增强了安全性。另外，该基础灵活性大，可根据风电场不同地质及风区

类别，选用合适的基础结构形式，达到减少混凝土用量、节约社会资源的目的。

图2 预应力锚栓风机基础

预应力是为了改善结构服役表现，在施工期间给结构预先施加压应力，结构

服役期间预加压应力可全部或部分抵消载荷导致的拉应力，避免结构破坏。常用

于混凝土结构，是在混凝土结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷

载作用时的受拉区混凝土内力产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。

预应力锚栓基础就是利用该结构特性，预先对基础施加压力，来抵抗风电机

组在运行过程中产生的疲劳荷载，从而解决了常规基础环基础出现的问题。

预应力锚栓基础形式并不是将锚栓和混凝土浇筑在一起，它是由上锚板、下

锚板、锚栓、PVC护管等组成，在上锚板和下锚板之间用PVC护管将锚栓与混凝

土隔离，而且要密封，浇筑过程中水不能进入到护管内，以免对锚栓造成腐蚀。

当锚栓受到拉力时，锚栓的下锚板以上部分会均匀受力，整个锚栓是一个弹性体，没有弹性部分和刚性部分的界面，从而避免了应力集中。由于对锚栓施加预应力，混凝土基础始终处于受压状态，因此采用预应力锚栓的风机基础不会出现基础环

两侧混凝土出现应力集中而产生破坏的情况。

从结构安全角度考虑，预应力锚栓基础避免了基础环基础的强度和刚度突变

情形。

从施工和进度考虑，预应力锚栓组合件可比基础环提前到场一个月，大大提

前基础开工时间，为项目尽早投产发电收回投资争取了时间。预应力锚栓基础可

避免基础环基础常见的水平度超差难以处理的问题。采用液压拉伸器对锚栓进行

精确的张拉连接，避免了拧紧时产生的附加扭矩，提高了锚栓的连接强度和可靠性，避免了普通拧紧方式对锚栓损伤。

3、工程量对比

某项目130-2500-90m风电机组工程量对比如下：

根据上表可知，由于预应力锚栓基础优化了塔架与基础连接部位的受力，从

而节约钢筋和混凝土用量，针对不同地质条件设计不同形式的基础，可改善基础