新疆新能源研究院有限责任公司 新疆 830026
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，可改善基础受力、节约工程量。
结语
综上所述，预应力锚栓基础连接整体性好，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，锚栓与混凝土用套管隔离并施加预拉力（后张法无粘结预应力），锚栓预拉力作用下，混凝土只受压，因此不存在疲劳问题，也避免了冻胀作用，较基础环基础，整体优势很明显。随着风电机组单机容量的不断大型化，基础环基础已渐渐不能适应需求，而预应力锚栓基础将会在工程中得到广泛的应用。
参考文献：
[1]风电机组地基基础设计规定（试行）（FD 003-2007）[S].北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]风力发电厂设计规范（GB 51096-2015）[S].北京：中国计划出版社，2015.
[3]钢结构设计标准（GB 50017-2017）[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
[4]沈永强.浅谈预应力锚栓风机基础的结构设计[J].工程设计施工与管理，2016，（20）.
论文作者:杨天盛
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第27期
论文发表时间:2019/8/2
标签：基础论文; 预应力论文; 混凝土论文; 机组论文; 风电论文; 风机论文; 应力论文; 《建筑细部》2018年第27期论文;