韓彥寶，翟三社，張立英

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

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

FD003—2007《風電機組地基基礎設計規(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設計、投產為我們軟件升級提供了許多寶貴的實踐資料；同時，混凝土結構設計規(guī)范GB50010—2010[2]、《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB5007—2011[3]等許多相關規(guī)范的更新發(fā)布對我們的軟件升級也提出了新的要求。擴展基礎和樁基礎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和圓形巖石錨桿基礎2個計算模塊來闡述軟件的設計理論，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

圓形肋梁基礎（又稱格構式基礎）設計流程圖見圖1。

1.1.1 基礎尺寸及荷載參數(shù)

1）基礎尺寸示意圖如圖2，基本參數(shù)數(shù)據(jù)包括：基礎底板半徑、基礎臺柱半徑、塔筒直徑、基礎底板厚、臺柱高度、基礎法蘭至臺柱頂高度、基礎埋深、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 圓形肋梁基礎設計流程示意圖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。作用在基礎上的荷載主要有風機上部結構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《風電機組地基基礎設計規(guī)定（試行）》[1]中相關要求計算。

1.1.2 設計原理

風電機組地基基礎設計實踐中，由于擴展基礎混凝土體積龐大，混凝土用量較大，從節(jié)省投資節(jié)約成本的角度出發(fā)，設計了肋梁基礎。從圖2可以看出，肋梁基礎相當于在原來的擴展基礎上，“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。滿足設計要求的肋梁基礎既節(jié)省了混凝土用量，又“回收”了基礎開挖的部分覆土，一舉兩得?；诖嗽碓O計的基礎，可以算是一種特殊的擴展基礎。所以其設計步驟和文獻[4]基本相似。不同之處在于此類基礎地基反力通過底板傳力給肋梁，肋梁為主要受力結構，基礎受力明確，但配筋率有一定的增加。

肋梁基礎的底板配筋以構造配筋為主，按文獻[3]最小配筋率0.15%配置。另外，肋梁基礎多了在肋梁和環(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)梁的構造配筋，分水平分布筋、拉筋、箍筋。

肋梁底面配筋，按懸臂梁構件考慮，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，按基礎自重（含覆土）算出的彎矩減去基底反力作用下產生的彎矩結果來配筋，若結果為負，頂面受壓，滿足最小配筋率的構造要求即可；若結果為正，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%要求設計。

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

1.2 圓形巖石錨桿基礎

圓形巖石錨桿基礎計算流程圖如圖3所示。

1.2.1 基礎尺寸及荷載參數(shù)

1）基礎尺寸示意圖如圖4所示，基本參數(shù)數(shù)據(jù)包括：基礎底板半徑、基礎棱臺頂面半徑、基礎臺柱半徑、塔筒直徑、基礎底板外緣高度、基礎底板棱臺高度、臺柱高度、上部荷載作用力標高、基礎埋深、基礎混凝土強度等級、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結構的長度、錨桿的有效錨固長度、砂漿與巖石間的粘結特征值、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 設計原理

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

由于基巖地基承載力高，所以此類基礎一般不做承載力復核和沉降計算。錨桿基礎應與基巖連成整體，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。錨桿基礎的構造要求，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（單位：mm）Fig. 5 Rock bolt foundation drawing（Unit:mm）

2）錨桿插入上部結構的長度，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。

基礎設計時關鍵問題就是確定基礎底板平面尺寸。設計人員根據(jù)設計經(jīng)驗初步擬定基礎平面尺寸；對錨桿抗拔和抗剪強度進行驗算、對基礎抗傾覆穩(wěn)定性復核、進行底板尺寸合理性初判；初判合格后，進行基礎抗彎配筋、基礎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構設計規(guī)范GB50010—2010附錄E0.4條。

1.3 主要升級功能點

1.3.1 擴展基礎多遇地震工況脫開控制問題

FD003—2007《風電機組地基基礎設計規(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，在地震作用下基礎底面不宜出現(xiàn)脫離區(qū)（零應力區(qū)）；其他建筑，基礎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)，其他各類塔基礎底面在考慮抗震設計組合時允許部分脫開地基土。5基礎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)電塔等構筑物的設計的，在上述提到的“其他各類塔”的范圍內，此條規(guī)定更適用于風機基礎設計。

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)成為了風機基礎設計的控制性指標，遠大于由極端工況控制的設計體型，加大基礎工程量。在工程設計時，大機組風機設計甚至出現(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脫開的（脫開面積小于0.25）計算，供用戶設計時參考；同時用戶也可以調整基礎尺寸，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計安全標準》8.0.5條款抗震設防烈度為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（按鋼管混凝土結構考慮）、按鋼結構考慮取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《混凝土結構設計規(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整，軟件中所有基礎形式根據(jù)此條文做了調整，使得計算結果更加精細。

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)，軟件中所有基礎形式的臺柱偏壓計算根據(jù)此條文做了調整。

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。肋梁基礎根據(jù)此條文做了調整。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，如果基礎抗傾覆剛度不滿足風機廠家要求，則基于設計人員的風機基礎上的荷載分析就沒有任何意義。

1.3.5 樁基基礎內力變形計算

V6.0以前的版本，樁基基礎內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力變形計算?？梢姡瑢τ谏鲜鰞身棗l款外的風電機組樁基基礎，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設計規(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)勢也是常用基礎形式之一[13]，軟件在V6.0中增加了擴底灌注樁的相關計算，方便用戶進行各方案比選。

2 結語

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

[1] 水電水利規(guī)劃設計總院.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)建設部. GB50007—2011 中國標準書號[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[4] 陳永安，陳觀福，閻坤，等. 用于風電機組塔架地基基礎設計的WTF軟件[J]. 水力發(fā)電，2009，35（8）: 72-76.CHEN Yong’an，CHEN Guanfu，YAN Kun，et al.Software for wind turbine tower foundation design[J]. Water Power，2009，35（8）: 72-76（in Chinese）.

[5] 康傳芳，湯鎮(zhèn)宗. 山地風電場風機基礎優(yōu)選方案探討[J].安徽建筑，2012（3）: 102-103.KANG Chuanfang，TANG Zhenzong. Study on selecting favorable project in fan foundation for wind farm around hills[J].Anhui Architecture，2012（3）:102-103（in Chinese）.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB 50051—2013中國標準書號[S]. 北京：中國計劃出版社，2013.

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

[8] 上海市建設和交通委員會. GB50135—2006 中國標準書號[S]. 北京：中國計劃出版社，2007.

[9] 劉大海，楊翠如. 高樓剛結構設計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[10] 同濟大學，上海市金屬結構行業(yè)協(xié)會. CECS 236:2008.中國標準書號[S]. 北京：中國計劃出版社，2008.

[11] 機械工業(yè)部設計研究院. GB50040—96 中國標準書號[S].北京：中國標準出版社，1997.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. JGJ 94—2008 中國標準書號[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[13] 張學奇. 某風電場風電機組地基基礎方案比選研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29（9）: 81-86.ZHANG Xueqi. Research on comparison and selection of foundation schemes for wind generators in one wind power plant[J]. Power System and Clean Energy，2013，29（9）:81-86（in Chinese）.