程形燕 ，刘冠平 ，刘 翠 ，宋 蕊

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.开封市祥符区水利局，河南 开封 475003）

0 引言

自20世纪90年代以来，我国风电并网容量以年均22%的速度增长，在各种发电方式中，其增长速度居于首位［1］。 2002～2012 年，我国风电装机累计增长了118倍，年均增长超过60%。截至2012年12月，我国并网风电容量达到62．4 GW，居世界第一位。然而，随着风电的大规模增长，风机基础方面的问题也不断凸现出来。

风力发电机组是一种高耸建筑物。由于发电机塔筒较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩比较大。又由于风向及风力大小不稳定，风机基础所承受弯矩的方向和大小也不断变化。风机基础不断承受反复的拉压作用，使其荷载和动力特性异常复杂，如果设计不当，这种复杂的荷载和动力特性有可能造成风机地基基础的承载力减损和位移累积，甚至影响风力发电机组的安全稳定运行［2］。因此，风力发电机基础的设计是保证发电机安全、稳定运行的一个重要方面。

风力发电机基础的荷载和动力特性非常复杂，属于特种钢筋混凝土结构［3］。目前，已有部分研究者对风力发电机基础的设计及应力特性进行了相应的分析研究。但是，就风力发电机基础配筋设计、裂缝分布及裂缝宽度分析方面的研究尚不多见［4］。本文以辉腾锡勒风电场工程为例，采用三维有限元方法，分析风力发电机基础的结构受力特性。然后，按照整体式体积配筋率的方式给风机基础进行配筋，并对风机基础的裂缝分布、裂缝的宽度进行分析研究，以期能为我国在建和待建风机基础的设计提供一定的理论参考。

1 工程概况

辉腾锡勒风电场位于内蒙古自治区乌兰察布市察右中旗境内，有20台GE1．5sle 50 Hz、叶片为GE 37c、轮毂高度为80 m的风力发电机机组，装机容量为30 MW。该工程场区地震基本烈度为Ⅵ度，抗震设防烈度为6度。风力发电机采用圆形基础（如图1所示），基础安全等级为2级，设计等级为2级。计算时， 考虑的荷载包括：（1） 水平合力 Fx＝558．225 kN；（2）竖向力 F2＝2．564 × 103kN；（3）弯矩合力 My＝4．42 ×104kN·m；（4）扭矩 Mz＝841．185 kN·m；（5）风力发电机基础自重；（6）风力发电机基础上部回填土的自重。本文不考虑风力发电机基础侧部回填土，其计算结果偏于安全。

2 风机基础的配筋设计及计算工况

2．1 配筋设计方案及计算工况

风力发电机基础设计配筋主要包括：台阶、基础环附近的竖向钢筋和基础底部的双向正交钢筋网。在有限元计算中，主要考虑的受力钢筋有：底部钢筋网、底边缘环形钢筋、底部加密钢筋网、顶部贯穿基础环钢筋的竖向部分、基础环内竖立钢筋及环梁钢筋的竖向部分 （如图2～图4所示），没有考虑架立筋，腹筋等构造筋。

2．2 计算工况确定

计算工况取极端荷载工况修正后的荷载，并考虑基础混凝土与基础环、混凝土基础与混凝土垫层的接触，混凝土材料的非线性和钢筋配筋。

计算方案主要包括不考虑配筋和考虑配筋两种。通过整体式的配筋率，实现钢筋的模拟，具体方案如表1所示。

图1 风力发电机基础剖面图（单位：mm）Fig.1 Wind turbine base profile(Unit:mm)

图2 模型中所模拟竖向配筋图Fig.2 Model simulation vertical reinforced bar

图3 基础底部钢筋网和环向筋布置图Fig.3 Bar-mat reinforcement and hooped reinforcement at the bottom of the base

图4 基础底部加密钢筋布置图Fig.4 Strip equipment base template installation

3 风力发电机基础的有限元分析［5~6］

3．1 有限元模型

配筋单元在整个风力发电机基础中的分布如图5所示。为方便研究混凝土基础的开裂特性，选取竖向特征剖面1-1，竖向剖面2-2，如图6所示。

3．2 计算结果

根据各个部分的最大钢筋应力可以计算出各个部分的最大裂缝宽度，计算结果如表2所示。

由表2可以看出，基础环内、外侧的裂缝宽度相对较大，内侧最大裂缝宽度为0.227 mm，外侧最大裂缝宽度为0.252 mm。但是，基础环内、外侧的最大裂缝均小于规定的限值0.3 mm。

3．3 基础开裂范围分析

各种工况下，风力发电机基础底部开裂情况如图7～图14所示。

由图7～图14可以看出，风机基础底部未配筋时，开裂区域几乎接近底部区域的一半；配筋后，基础底部开裂范围和程度显著减小，仅存在于X轴正方向一侧小范围区域内。基础环附近及基础台阶的外侧未配筋之前，开裂区域遍及整个部分；增加竖向钢筋后，开裂区域主要分布于X轴负方向一侧偏上的部分。

总体分析，在进行配筋计算后，风力发电机基础

结构的裂缝分布范围和开裂程度较为合理，整体结构未出现大面积裂缝分布、未出现贯穿性裂缝，且裂缝宽度均在规范限值内。计算中，未考虑外围部分构造筋的作用。在工程实际中，应在混凝土的外表面布置构造钢筋，进一步保证裂缝不会贯穿。从分析可得，该配筋方案可满足结构的强度要求。

表1 有限元模型中模拟基础配筋表Table 1 Simulation reinforcement of finite element model

图5 加钢筋单元在风力发电机基础中的分布Fig.5 Reinforced unit distribution of wind turbine base

图6 风力发电机基础垂向特征剖面示意图Fig.6 Wind turbine base vertical characteristics profile

图7 不加筋风机基础底部开裂情况Fig.7 Non-reinforced wind turbine base cracking situation

图9 不加筋基础环内侧部分开裂情况Fig.9 Non-reinforced base ring inner side cracking situation

图10 加筋基础环内侧部分开裂情况Fig.10 Reinforced base ring inside part cracking situation

图11 不加筋基础环外侧部分开裂情况Fig.11 Non-reinforced base ring outside part cracking situation

图12 加筋基础环外侧部分开裂情况Fig.12 Reinforced base ring outside part cracking situation

图13 不加筋风机基础台阶外侧开裂情况Fig.13 Non-reinforced wind turbine base steps outside part cracking situation

图14 加筋风机基础台阶外侧部开裂情况Fig.14 Reinforced wind turbine base steps outside part cracking situation

根据上述计算结果可知，在风力发电机基础的基础环内、外侧，台阶与底板交界部位存在一定的易开裂区域。因此，为控制裂缝的开展，在强度和施工条件允许的情况下，宜采取直径较小、分布较密的钢筋布置方案。对于本文研究的工程，建议如下：基础环内竖向筋配筋方案为120Ф25＠环向均布；环梁配筋方案为120Ф18＠环向均布；顶部贯穿基础环筋配筋方案为120Ф22＠环向均布；底部钢筋配筋方案为163Ф22＠100。

4 结语

本次研究结果显示，对风力发电机基础进行整体配筋时，基础钢环外侧的竖向钢筋应力值是最大的，设计时要着重考虑。进行有限元分析后，发现，风力发电机基础结构的裂缝分布范围及裂缝宽度都满足基础的强度和稳定性的要求。本研究是针对具体实例开展的，但是研究问题具有普遍性。根据风力发电机基础的强度和稳定性需求，对其基础结构进行合理的配筋设计，并应用有限元方法进行分析研究，然后对设计进行修改完善，是提高风力发电机基础设计的合理性，从而保证风力发电机机组安全、稳定运行的一种有效方法。

［1］周双喜，鲁宗相．风力发电与电力系统［D］．北京:中国电力出版社，2011．

［2］ Garcia-Gonzalez J， De la-Muela R， Santos LM， et al．Stochasticjointoptimization ofwind generation and pumped-storage unitsin an electricity market ［J］．IEEE Transactions on Power Systems， 2008， 23 （2）:460-468．

［3］王民浩，陈观福．我国风力发电机组地基基础设计［J］．水力发电，2008（11）:88-91．

［4］包国梁，韩英，赵钱．风电场风力发电机基础的土建施工［J］．包钢科技，2012（5）:73-74．

［5］张迪，罗全胜，刘宪亮．风力发电机钢筋混凝土基础有限元分析［J］．山西建筑，2010（31）:78-80．

［6］田静，许新勇，刘宪亮．风力发电机基础接触问题研究［J］．水电能源科学，2010（12）:154-156．