预应力锚栓风机基础优化设计研究

李建伟1，

乌鲁木齐（1.农业大学水利与土木工程学院，

乌鲁木齐2.新能源研究院，

830052）

830052；

摘要：风能资源属于绿色能源，随着风电技术发展日益发展，风机设备日新月异，风机基础

对CFD软件计也由原来的单一的重力基础，发展到预应力锚栓基础，文章主要通过有限元分析，为以后基础设计提供参考。算出的结果进行复核，

裂缝关键词：有限元；预应力锚栓；应力；

1工程概况风能资源丰富，其中达坂城地区是目前新

地基承载力满足要求。

基础稳定性验算主要包括抗滑移和抗倾覆稳《风电机组地基基础设计规定（FD定性计算，根据采用极端荷载修正标准值，修正系数k0=1.35。1.2

基础稳定性验算

003-2007）》规定，抗滑移和抗倾覆稳定性计算时应

这疆九大风区中开发建设条件最好的地区。目前，里的总装机容量为1800兆瓦。虽然达坂城区在1988年就建成了全国首个风力发电场，但此后风电行业处于停滞状态，在2010年末，风电并网装机容期间，尤其2012-2014量仅为440兆瓦，“十二五”连续三年，该区风电装机容量每年增长都在240兆瓦以上。因此新型的预应力锚栓基础耐久性和安全性有很大的考究。尤其梁板式预应力锚栓基础在全本文通过对达坂城地区盐湖风电国地区使用较少，

场使用的预应力锚栓基础进行内力分析。为梁板式预应力锚栓风机基础的设计提供建议。1.1地基承载力验算

2007）》规定，地基承载力验算采用极端荷载修正标准值计算。使用《高耸结构设计规范（GB50135-2006）》计算本工程环形基础偏心荷载下的地基承（GB50135-载能力验算。查《高耸结构设计规范附录C通过内插法得：2006）》子=1.451，孜=0.855

基低受压面宽度琢c=子r1=10.88m

（FD003-根据《风电机组地基基础设计规定

能够提供远大正标准值FS=748.71kN，基底为卵石，于FS的抗滑力FR，基础满足抗滑稳定性要求。

抗滑稳定性计算：极端荷载作用下的滑移力修

抗倾覆稳定性计算：基础脱开面积为29m2，脱开面积约为基底总面积的16%，小于基底面积的25%，抗倾力矩MR=108690.08kN·m，倾覆力矩修正覆满足要求，不会发生倾覆。1.3

配筋及抗冲剪验算

值MS=697.36kN·m，MR/MS=1.99>1.6，基础抗倾

应采确定配筋计算基础内力（抗剪切、抗冲切）用极端荷载工况设计值进行计算。计算基底反力作用的结果如下：=60774.kN·m

偏心距e=

等效到基础底面的力矩M=酌1Mxy，（）k+酌1Fxy，kd+hfM=4.3m

酌2Fz，+Gkk基础脱开面积为29m2，脱开面积约为基底总

面积的16%，约为基底与混凝土基层接触面积的21%，小于基底面积的25%，满足《风电机组地基基（FD003-2007）础设计规定》要求。

C通过内插法得：子=1.451，孜=0.855

查《高耸结构设计规范（GB50135-2006）》附录

k+Gk基础边缘最大反力为P'max=k0Fz，=301<1.2fa孜r1k+Gk基底边缘最大反力P'max=酌2Fz，=298.94kPa

孜r121.4

基底边缘最大净反力P1=Pmax-Gk/A=197.84kPa地基变形及裂缝验算

作者简介：李建伟（1985-），男，江苏徐州人，主要研究方向：

结构抗震。

根据FD003-2007《风电机组地基基础设计规定》第7.2.5条规定，验算地基变形、基础裂缝宽度

962019年第4期第46卷第4期Vol.46No.4TIMESAGRICULTURALMACHINERY时代农机2019年4月Apr.2019时采用荷载标准值进行计算。极端荷载、正常运行工况下荷载标准值计算基底反力作用的结果如下：

极端荷载标准值：Mk=fMxy，k+Fxy，（kd+h）f=39656.9kN·me=

FMkz，k+Gk=2.70mC可得：查《高耸结构设计规范子=1.870，孜=1.124。

（GB50135-2006）》附录

基底边缘最大反力Pk，max=

Fz，孜rk+Gk12=214.95kPa最大净反力P1=Pmax-GAk=129.01kPa，净反力作

用宽度琢ck正常运行荷载标准值：=8.75m

Mk'=fMxy，k+Fxy，（kd+h）f=143.5kN·mPk，max'=

Fz，k'A+Gk'+MWk'Pk，min'=F=141.02kPaz，k'A+Gk'-MWk'=.16kPa最大净反力P1，k'=Pk，min'-GAk=55.06kPa，净反力作用宽度琢'ck自重荷载作用：

=9.9m

=102.44自重设计值产生压力：P2=1.2［酌（d-hb）+G

砼/A］

自重标准值产生压力：kPa

P砼/

A］=85.37kPa

2，k=1.2［酌（d-hb）+G2预应力锚栓基础有限元分析2.1有限单元法及软件

弹性条件下，有限单元法求解步骤如下：（1）有限元分析首先对结构进行离散；（2）采用以下两式形成单元刚度矩阵和单元等效节点载荷列阵；

Ke=

DBdv

（3）集成结构的刚度矩阵和等效节点载荷列阵；乙VeBTK=移eKe=

P=Pf+PSP乙VeBTDBdv

O0+P着0+PF=（4）引入边界条件；

移（Pef+PeS+Pe滓0+Pe着0）+PF（5）求解有限元方程，得到节点位移；Ka=P

（6）计算单元应变和应力；

（7）进行必要的后处理。

世界范围内，

ANSYS作为一个大型通用有限元分析软件，

已经成为土木建筑行业主流仿真分析在软件。本次计算采用ANSYS软件对风机基础结构进行有限单元法分析计算。

2.2模型概化及边界条件

本项目的主要目的是对梁板式预应力锚栓基

础结构进行计算，

分析基础结构内力，判断结构安全性。根据风电场地质、

水文等自然条件及梁板基础的特点，确定了计算模型及其边界条件。

按设计图纸尺寸建立预应力锚栓基础结构模型。

1/2由于计算模型的对称性，实际计算分析时采用

面施加径向及法向约束，模型。最下层土体底面施加固定约束，

对称面上施加对称约束。土柱体侧为了提高计算精度，模型主要采用六面体单元进行网格剖分，部分不规则区域采用了四面体单元网格。模型共计2.3

设计采用的极端工况

529个单元，59592个节点。（1）地基土体沉降及受力分析。淤在设计采用

极端荷载工况荷载作用下，地基产生较大的不均匀

沉降。在计算分析地质条件及参数下，

基础附近地基最大沉降约为9mm，发生于背风侧基础与地基接触区域；1的地质条件及参数下，mm；不均匀沉降值约为迎风侧与地基接触下部的土体沉降量约为只有表层地基土体发生了塑8mm。于在计算分析采用

性变形，且塑性应变值不大，最大值约为0.6%。盂基础底部设置聚苯乙烯板区域表面土体竖向应力接近于零；最大竖向压应力发生在背风侧混凝土垫层

外围附近下部土体中，2应力较为集中，

最大值约为kPa）kPa，小于于层土体的承载力修正特征值

（478.5（，满足要求。2）基础变形及受力分析。淤基础底部最大竖向位移发生在背风侧底板处，其值约为9mm；基础

底部迎风侧外缘处产生了向上的位移，其值约为mm梁连接处压应力较大，；不均匀沉降约为11最大值约为mm。于背风侧2

19.1JL1MPa梁与，于C40

JL2

混凝土抗压强度设计值，

该部分混凝土处于临界破坏状态；背风侧混凝土中心筒顶部与塔筒连接位置

压应力最大，最大值约为19.7MPa，大于C40混凝土抗压强度设计值19.1MPa，该部分混凝土可能出现破坏。盂基础拉应力大于混凝土抗拉强度设计值

的区域较大，且较为密集，尤其是底板，

实际工程中2019年第4期97第46卷第4期Vol.46No.4TIMESAGRICULTURALMACHINERY时代农机2019年4月Apr.2019应考虑对这些区域进行加强。经分析，这些单元主要位于：混凝土中心筒与底板的连接部位及附近外

背风侧底板与JL1梁连接部位、背风侧JL1围区域、

梁之间底板、背风侧JL2梁、迎风侧JL1梁底部、迎风侧风机塔筒与基础顶部连接部位。榆在设计采用

迎风侧部分基底与地的极限状态工况荷载作用下，

2基存在脱开现象，脱开面积约为31.2m（约占基底

与混凝土垫层接触面积的20%，约占基底总面积16.3%）。

（3）塔筒底部水平度偏差分析。塔筒底部沉降

最大值约为8mm，最小值约为2mm，不均匀沉降

风机塔筒水平度偏差限值约为6mm。通常情况下，值约为0.2耀0.3%，满足要求。

各工况有限元分析结果见表1：

钢筋最大拉应力/MPa

185206213混凝土最大压应力/MPa

12.415.319.7基底脱开面积/m2

04231塔筒底部不均匀沉降值/mm

236表1各工况有限元分析结果表

基底不均匀基底土体压应力沉降值/mm最大值/kPa

正常运行荷载工况4190极端荷载工况5200设计采用极端工况82工况

基础不均

沉降值/mm

4711有以下结论：根据有限元分析结果，

（1）正常运行荷载工况下：地基沉降值及不均匀沉降值较小，地基土体压应力小于基底土体承载

地基安全性较高，不会发生破坏；基力修正特征值，

可础拉应力大于混凝土抗拉强度的区域面积不大，能拉裂区域较小；基础最大压应力小于C40混凝土

混凝土不会被压坏；基底不存在抗压强度设计值，

风脱开现象，基础稳定性较好，不会发生倾覆破坏；机塔筒水平度偏差小于限值，满足风机结构倾斜度

要求。

（2）极端荷载工况下：地基沉降值及不均匀沉降值不大，地基土体竖向压应力小于基底土体承载力修正特征值，地基较安全，不会发生破坏；基础拉

较为密应力大于混凝土抗拉强度的区域面积较大、背风集，主要位于混凝土中心筒与底板的连接部位、

侧底板下部与JL1梁连接部位、背风侧JL2梁、迎风

迎风侧风机塔筒与基础顶部连侧JL梁底部和顶部、

迎风侧部接部位，基础可能拉裂破坏的区域较大；

分基底与地基脱开，脱开面积约为42m2；风机塔筒

满足风机结构倾斜度要求。水平度偏差小于限值，

地基沉降值（3）设计采用的极端荷载工况下：

及不均匀沉降值较大，地基土体竖向压应力小于基

地基较为安全，不会发底土体承载力修正特征值，

生破坏；基础拉应力大于混凝土抗拉强度的区域面积较大、较为密集，主要区域与极端荷载工况下的分布基本一致，基础结构可能拉裂破坏的区域较

大；背风侧JL1梁与JL2梁连接处、背风侧混凝土中

等于或稍大于心筒顶部与塔筒连接处压应力较大，

满足风为31.2m2；风机塔筒水平度偏差小于限值，

机结构倾斜度要求。

3结语（1）梁板式预应力锚栓基础是一种新型的风机

并在基础结构型式，采用梁板式结构、预应力锚栓，基础底板中心设置圆形聚苯乙烯板，较传统板式独

优化了基础立扩展基础混凝土受拉区域有所减少、

底板与基础接触面受力情况、节省了混凝土和钢筋

用量，应用前景广阔，是一种值得推广的风机基础型式。

（2）经复核，本工程梁板式预应力锚栓基础地基承载力、底板抗冲切强度、底板抗剪切强度、基础变形及基础稳定性等均满足规范要求。正常运行工

基础底板、满足要况下，JL1、JL2梁裂缝宽度较小，求；极端荷载工况下，基础底板、JL2梁的裂缝均满

接近或稍足要求，JL1梁顶和梁底的裂缝宽度较大，大于规定值。

（3）根据有限元分析结果，正常运行荷载工况

地基承载力、稳定性和变形下，风机基础结构强度、等均满足规范要求。极端荷载工况下，基础底板、

JL1、JL2梁存在较多的超过混凝土设计抗拉强度

开裂区域钢筋承受主要区，混凝土开裂范围较大，的拉应力；基底与地基存在一定的脱开面积。

参考文献

［1］中华人民共和国电力行业标准.风电机组地基基础设计

规定（FD003-2007）［S］.北京：中国水利水电出版社，2007.［2］中华人民共和国国家标准GB5007-2011《建筑地基基础

［S］设计规范》.北京：中国建筑工业出版社，2011.（GB［3］赵基达，徐有邻，黄小坤，等.混凝土结构设计规范

50010-2010）［J］.建设科技，2015，（10）：28-30.

C40混凝土抗压强度设计值，该部分混凝土可能发

脱开面积约生破坏；迎风侧部分基底与地基脱开，

982019年第4期