刘嫔 赵悦
（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西西安 710065）
摘要：风电机组基础在极端荷载作用下，基础环受拔侧对法兰附近混凝土形成过大的局部压力，本文对基础环下法兰的冲切进行了验算分析，对风机基础尺寸设计和基础环下法兰附近的配筋具有一定的参考价值。
关键词：基础环；局部压力；风机基础尺寸；配筋
1 引言
基础环，作为连接风机塔筒和风机基础的关键零部件，它的承载能力和安全性分析的研究，对提高风机运行的安全性具有重要意义[1]。根据工程经验，随着风机单机容量的加大，风机荷载的增加，基础仍采用基础环作为塔筒和基础的连接方式，存在一定的结构缺陷。在极端荷载工况下，当混凝土外包混凝土尺寸不足，容易出现下法兰至台柱的45度角贯穿性裂缝。基础环风机基础的这种破坏方式，在运行期较长的风电场中已有出现，且不是偶然现象，尤其是降雨量较大的东南部地区。大容量机组的基础环风机基础在运行期进行基础环附近灌浆维护较为普遍。因此，研究风电机组基础环下法兰冲切的受力情况对风机在服役期内的安全与使用有着非常重要的意义。
2计算方法
针对基础环风机基础存在的这种破坏方式，根据现行规范《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015版）[2]中受冲切承载力计算方法对基础环的向上冲切进行验算，为风电机组基础的设计提供了一定的计算方式。
2.1 基本资料
由塔筒厂家提供的上部结构荷载作用于塔筒底部的T型法兰上，竖向荷载Fzk，水平向荷载Frk，弯矩Mrk，扭矩Mzk；基础环下法兰外半径R1，内半径R2，基础环预留孔个数n，冲切高度h，基础环总高度H1，埋入混凝土高度H2，如图1所示。
图1 基础环下法兰冲切计算示意图
2.2 计算内容
2.2.1 基础环下法兰拔力和值
将基础环下法兰按照基础环椭圆孔的个数分成n份，根据FD003-2007[3]第9.3.2条计算每个单元所受的作用力：
式中：Mr—荷载效应基本组合作用下的水平弯矩设计值，考虑到基础结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，；Ni—基础环下法兰每个单元所受到的竖向力设计值，正值为压力，负值为拔力；ri—第i个单元至计算轴的距离；Fz—荷载效应基本组合作用下的竖向力设计值，；n—基础环下法兰单元个数；根据计算的Ni，取负值，最终得出。
2.2.2 基础环下法兰抗冲切承载力验算
计算原理：将拔力按照1/2分别分摊到下法兰的外侧和内侧，计算过程仅考虑下法兰拔力范围内的冲切面。
（1）不考虑箍筋或弯起钢筋
根据GB50010-2010（2015版）第6.5.1规定：不配置箍筋或弯起钢筋的受冲切承载力应符合下列规定：
公式中的系数η，应按下列两个公式计算，并取其中较小值：
式中：Fl—局部荷载设计值或集中反力设计值；本工程为基础环下法兰所受拔力的和值；βh—截面高度影响系数；ft—混凝土轴心抗拉强度设计值；um—计算截面的周长；h0—截面有效高度；η1—局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数；η2—计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数；βs—局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值；as—柱位置影响系数。
（2）配置箍筋或弯起钢筋
根据GB50010-2010（2015版）第6.5.3条规定：当受冲切力承载力不满足本规范第6.5.1条的要求且板厚受到限制时，可配置箍筋或弯起钢筋，并应符合本规范第9.1.11条的构造规定。此时，受冲切截面及受冲切承载力应符合公式①和②：
1）受冲切截面
①
2）配置箍筋、弯起钢筋时的受冲切承载力
②
式中：fyv—箍筋的抗拉强度设计值；Asvu—与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交的全部箍筋截面面积；Asbu—与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交的全部弯起钢筋截面面积；a—弯起钢筋与板底面的夹角。
2.3 工程实例
某风电场选用单机容量为2.2MW的某厂家风机，上部结构传至塔筒底部的正常运行荷载和极端荷载见表1。
表1 风机塔筒底部的荷载（不含安全系数）
工况荷载项目2.2MW
正常运行荷载工况水平合力Frk（kN）390.4
竖向力Fzk（kN）3204.5
水平合弯矩Mrk（kNm）34224
竖轴扭矩Mzk（kNm）750
极端荷载工况水平合力Frk（kN）661.6
竖向力Fzk（kN）3135.8
水平合弯矩Mrk（kNm）62080
竖轴扭矩Mzk（kNm）193.6
结合本风场的相关资料，根据厂家提供的2.2MW直驱风电机组荷载资料、基础环资料，以及工程地质资料，对风机基础进行设计。在满足结构和构造要求条件下，确定风机基础体型为常规的扩展基础。基础采用C40混凝土，具体基础尺寸见图3。
基础环下法兰内外半径分别为1910mm和2350mm，冲切高度为850mm，埋入混凝土高度为1580mm，预留孔个数52。本工程配12025和10820的钢筋与基础环下法兰冲切破坏锥体的斜截面相交。
根据本风场提供的荷载计算可得基础环下法兰拔力和值为28587.85kN，拔力范围占下法兰的46.6%。基础环下法兰抗冲切承载力计算结果见表2。
表2 风电机组基础环下法兰冲切计算结果表
项目冲切力（kN）抗冲切力（kN）结论
不考虑箍筋或弯起钢筋142947752不满足
配置箍筋或
弯起钢筋受冲切截面1429413290满足
配置箍筋、弯起钢筋时的受冲切承载力1429416652.4满足
由表2可知：（1）风电机组基础环抗冲切验算在不考虑配置箍筋或弯起钢筋的情况下，不满足规范[2]的要求，需在基础环下法兰附近配置与破坏锥体斜截面相交的箍筋和弯起钢筋。（2）在考虑配置箍筋或弯起钢筋的情况下，需分别对受冲切截面和配置钢筋时的受冲切承载力进行验算，本工程验算结果满足规范[2]的要求。（3）本工程的基础尺寸和基础配置的钢筋均能够满足规范[4]的要求。
3 结论
（1）风电机组基础环下法兰冲切验算过程中在不考虑配置箍筋或弯起钢筋的情况下，若能满足规范[2]的要求，基础环下法兰附近仅需按照构造配筋即可。若不满足规范的要求，则需按照考虑配置箍筋或弯起钢筋的情况下进行验算，并分别验算受冲切截面和配置钢筋时的受冲切承载力是否满足规范[2]要求。
（2）本文提供了一种风电机组基础环下法兰冲切验算方法，并结合实例加以说明，对风机基础尺寸的设计和基础环下法兰附近的配筋有一定的参考价值。
参考文献：
[1]汪宏伟，风机基础环松动原因分析和注浆加固. 中国安全生产科学技术，2016.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，混凝土结构设计规范（GB50010-2010）（2015年版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.
[3]水电水利规划设计总院，风电机组地基基础设计规定（试行）（FD003-2007）[S]. 北京：中国水利水电出版社，2007.
作者简介：
刘嫔（1986—），女，陕西渭南人，硕士，工程师，主要从事风电土建设计工作。
论文作者:刘嫔,赵悦
论文发表刊物:《河南电力》2018年20期
论文发表时间:2019/4/30
标签：基础论文; 法兰论文; 荷载论文; 截面论文; 钢筋论文; 风机论文; 承载力论文; 《河南电力》2018年20期论文;