一种风机基础锚栓优化设计

一种风机基础锚栓优化设计

鲁伟 1 ，邢立娜 2，陈若晨 3

1. 上海睿景能源科技有限公司，上海 200050

2. 2. 安徽创谱仪器科技有限公司，合肥 230088

3.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，合肥 230601

摘要： 针对风机基础锚栓的造价较高问题，本研究提出一种缩短锚栓长度的优化设计新方案，主要通过abaqus有限元模拟计算分析本方案的可靠性以及经济性。模拟结果表明，基础脱开比，钢筋和锚栓应力均满足规范要求，同时锚栓造价相比常规方案降低23.4%。该新方案在符合设计要求的基础上，具有较大的经济性，可尝试在实际工程中应用。

关键词：基础，锚栓，优化，风机

An optimization design of anchor bolts for the foundation of wind turbine

Luwei¹, chen Ruochen²

1. Shanghai Ruijing Energy Technology co., ltd, shanghai 200050

2.Anhui Chuangpu Instrument Technology Co., Ltd, hefei 230088

3. China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co., Ltd , hefei 230601

Abstract: Aiming at the solving the problem that high cost of the anchor bolts for the foundation of wind turbine, this study proposes a new optimization design scheme to shorten the length of the anchor bolts. The reliability and economy of this scheme are mainly calculated and analyzed through the finite element analysis by using software abaqus. The analysis results showed that the foundation release ratio, the stress of steel bars and anchor bolts all meet the requirements of the specification, and the cost of anchor bolts is reduced by 23.4% compared with the conventional scheme. On the basis of meeting the design requirements, the new scheme has great economy and can try to apply in actual engineering.

Key words：Anchor bolts , Foundation , Optimization，wind turbine

1引言

风能是从风中获得的能量。它是一种由气流作用产生的动能。我们可以通过发电机将这种能量转化为电能。它具有可持续使用和无污染的特点^[1]。国家为了实现碳中和、碳达峰的目标，大力支持风力发电项目，因此风力发电得到大力发展。但是自2021年平价上网时代后，风力发电厂的成本成为关注的焦点。在整个风电场投资中，风机基础的土建投资占较大比例^[2]，而风机基础中塔筒与基础的连接主要以锚栓笼为主，而锚栓笼的造价约占风机基础的20%，因此对锚栓笼的设计优化对于成本的降低起到至关重要的作用。

预应力锚栓笼由上下两块锚板、内外两圈预应力锚栓、锚栓外PE管等组成，在上锚板和下锚板之间用 PE管将锚栓与基础混凝土分隔开。由于风机安装时，对锚栓施加预应力，锚板下的混凝土始终处于受压状态，不会产生受拉裂缝^[3]。

目前行业内的锚栓长度设计主要是两个步骤：（1）风机厂家根据风机载荷和塔筒直径确定锚栓布置、根数和直径；（2）设计单位根据风机载荷、锚栓布置直径和地勘等输入条件确定基础高度，锚栓的总长度为基础高度加上下锚板的预留长度。针对目前风机机型的发展，单机容量越来越大，载荷也随之增大，基础高度也相应增大，锚栓的长度也相应增大，但是对于锚栓的长度优化目前进行的研究几乎没有。

因此，本研究针对风机基础锚栓的长度优化问题，提出一种锚栓缩短优化新方案，将常规设计中锚栓下锚板在基础底面处移动至风机基础内，减少了锚栓长度，以某陆上风力发电项目为例，从基础脱开比、钢筋、锚栓应力等方面对新方案进行模拟，探究其应用合理性及经济适用性。为以后工程应用提供参考价值。

2 锚栓长度优化方案设计

以某陆上山地地区风力发电机机型为3.3MW为例计算，设计载荷如表1所示：

表1 风机载荷表

风机基础持力层为微风化花岗岩。

采用预应力锚栓扩展基础，基础的构造图如图1所示。基础总高度为4.7m，其中台柱高度为2.1m，半径3.25m他，下底板高0.8m，半径10m。圆台高度为1.8m。预应力锚栓M48，沿四周均匀布置2×96根，布置半径为2.13m。锚栓的设计张拉力为680kN。基础混凝土强度等级为C40，锚栓强度等级为10.9s级，基础内锚栓长度为4700mm。

基础主要受力配筋配筋为：布置96根框筋直径28mm，底板底部径向钢筋为环向192根直径32mm钢筋和96根直径28mm钢筋，底板顶部径向钢筋为环向192根直径28mm钢筋和96根直径22mm钢筋。

图1 基础内锚栓原长4700 mm方案

现提出一种锚栓缩短优化方案，将原有锚栓的基础内长度（4700 mm）缩短至3600 mm，下锚板预埋在基础中。锚栓优化方案基础配筋同原方案一样，为了提高下锚板位置混凝土的抗裂性，增加抗裂钢筋选用96根直径为22mm，沿基础中心均匀布置96根。

为了研究这种定长锚固方案的适用性，计算基础的脱开比，钢筋、锚栓的应力计算等。

图2基础内锚栓3600 mm方案

3 优化方案的计算分析

3.1 材料本构关系

abaqus计算模型中所用材料包括钢筋材料、混凝土材料、锚板材料、锚栓材料、地基土材料和回填土材料。对于普通钢筋，采用双线性随动强化模型模拟，弹性模量为E_s=2×10¹¹Pa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³，强化段的刚度为初始刚度的0.001。锚板和锚栓的弹性模量均为2.1×10¹¹Pa，密度为7800kg/m³，锚板采用Q355钢材，屈服强度取355MPa，锚栓强度等级为10.9级，屈服强度取900MPa。

混凝土弹性模量取E_s=2×10¹¹Pa，泊松比为0.3，塑性行为采用混凝土塑性损伤模型计算。混凝土受压本构模型按文献[4]规定选取。混凝土抗拉强度采用文献[4]中，C40混凝土的标准值2.39MPa，断裂能采用文献[5]公式计算，大小为149.3N/m。混凝土的受压损失因子和受拉损失因子使用以下公式计算：

地基土和回填土均采用摩尔-库伦模型模拟其塑性变形。地基土为中、微风化土，弹性模量取为300MPa（不同于变形模型），泊松比为0.3，黏聚力为150kPa，内摩擦角为28°，不考虑土的剪胀效应。回填土为粉质黏土，弹性模量为40MPa，泊松比为0.3，黏聚力为28.4kPa，内摩擦角为12°。土的具体参数列表如下。

表2.1.1 土的参数取值

3.2 荷载计算

3.2.1正常工况荷载

正常设计状态下，基础顶部承受风力发电机传递的竖向压力、水平剪力和弯矩作用，大小分别为5.53×10⁶N、6×10⁵N、8.54×10⁷N·m。基础顶部的回填土产生的压力大小为1.544×10⁷N。

3.2.2极限工况荷载

极限设计状态下，水平力设计值V_d=9.07×10⁵N，竖向设计值力N_d=5.51×10⁶N，弯矩设计值M_d=1.25×10⁸ N·m。考虑分项系数（竖向力为1.2，水平力和弯矩为1.4）和结构重要性系数（取1.1）后，竖向压力、水平剪力和弯矩作用，大小分别为7.273×10⁶N、1.397×10⁶N、1.925×10⁸ N·m。

整个模型计算分成5步来施加荷载，每步的荷载施加情况如下：

3.2.3地应力平衡

在施加荷载前，进行地应力平衡操作。地应力平衡时，其他单元钝化，仅激活地基单元，施加重力荷载，使地基产生初始应力，但是不会出现位移（模型中控制地基的位移小于10^-16m）。实际的地基由于土的重力作用会产生应力作用，但是长期作用下已经平衡，因此在进行基础结构分析时地基位移应为0。

3.2.4基础激活

将前一步中钝化的基础激活，使基础与回填土、地基之间逐渐接触稳定，此时基础、上下锚板等相关结构的自重荷载也已经引入。

3.2.5张拉锚栓

对基础中的锚栓施加预应力荷载，模拟实际施工中张拉锚栓的操作。单根锚栓的张拉力为680kN，直接按照降温法施加在锚栓中，由于存在弹性收缩损失，且锚栓长度较小，因此锚栓实际的应力会相对较小。

3.2.6施加水平荷载和竖向荷载

当进行正常运行工况的计算时，施加正常工况设计水平荷载和竖向荷载；当进行极限状态计算时，施加设计极限水平荷载和极限竖向荷载。水平荷载和竖向荷载施加在上锚板顶部，通过上锚板传递到基础。采用不建回填土模型时，还需加上回填土的重力产生的竖向压力值，并乘以分项系数1.2和结构重要性系数1.1。

3.3 有限元模型

利用abaqus有限元软件对地基的有限元半径同样取为基础底板半径的7倍，地基的高度取为基础底板半径的8倍，但是没有挖出埋置基础的坑洞，基础置于地基平面上。地基与基础采用面-面接触算法，切向采用库伦摩擦计算剪应力，摩擦系数为0.35。其他相互作用关系及网格划分情况与建回填土模型相同。

基础、钢筋、锚栓有限元模型如图3-5所示：

图3 基础网格划分

图4 钢筋网格划分

图5 锚板和锚栓网格划分

3.4脱空验算

按照弹性结构进行脱空验算，基础材料和土设置为弹性，回填土按照重力等效施加在基础顶部。计算得到，正常荷载作用下基础底板的压应力均大于0，基础未发生脱空。极限荷载下，基础底部已发生脱空，脱空面积约15%，小于25%，满足文献[6]要求，说明锚栓缩短优化方案下的基础仍能满足脱开比控制要求。

3.5承载力验算

1．基础的开裂情况

极限荷载加载工况下，基础混凝土的开裂情况如图6、图7所示。从图中可以看到，基础有4个开裂趋势：①在受拉侧（图6右侧），下锚板从外侧向台柱和底板交接位置开裂，产生斜裂缝；②下锚板内侧混凝土水平方向开裂；③下锚板受压侧（图6左侧），从锚板内侧往下开裂；④基础底板在下锚板位置内产生环形裂缝。

基础混凝土与下锚板内侧接触的地方裂缝宽度最大，约4.3mm。

图6 设计极限荷载加载下基础内部开裂情况

图7 设计极限荷载加载下基础底板开裂情况

2．钢筋应力分布

在极限荷载作用下，抗裂钢筋最大拉应力大小为360MPa，满足设计要求，如图8所示。框筋（96根直径28的门字筋）的应力分布如图9所示，其最大拉应力为223MPa，最大压应力为112MPa。底板的径向受力钢筋和环形受力钢筋应力分布如图10所示，钢筋最大拉应力为144MPa，远未达到设计强度。

图8 设计极限荷载加载下抗裂钢筋应力（单位：Pa）

图9 设计极限荷载加载下箍筋应力（单位：Pa）

图10设计极限荷载加载下底板钢筋应力（单位：Pa）

3．锚板应力分布

当加载到设计极限荷载时，上锚板和下锚板的应力分布如图11所示。可见，上锚板的应力比下锚板大很多，上锚板最大Mises应力大小为101MPa，远未达到设计应力。上锚板的应力分布特点是，受拉侧的应力比受压侧大，受压侧和受拉侧应力均比中间大。

图11 设计极限荷载加载下锚板应力（单位：Pa）

4．锚栓的经济性

单根锚栓的基础内长度从4700mm，缩短至3600mm，锚栓造价减少约23.4%，具有较大的经济效益。该方案单个基础锚栓数为196根，锚栓单价约10000元/吨，单基锚栓减少重量约3t，合计减少造价约30000元。

4 结论

本研究提出的一种锚栓缩短优化方案，将原有锚栓的基础内长度（4700 mm）缩短至3600 mm。利用abaqus建立优化锚栓风机基础的非线性实体有限元模型，计算了基础在风机正常工况、极限工况载荷下的受力情况，得到以下结果和结论：

（1）在正常运行工况下，锚栓缩短基础不会发生脱空；在极端荷载作用下，基础脱空率约为15%，小于设计要求25%。

（2）在极端荷载作用下，基础的钢筋、上锚板、下锚板、锚栓均尚未屈服，所有钢筋中，抗裂钢筋的拉应力最大，大小为360MPa。回填土按照荷载考虑时，基础最大裂缝宽度为4.3mm，按照土压力作用考虑时，最大裂缝宽度为3.8mm。

（3）在该机型下锚栓优化方案，减少造价约23.4%，具有较大的经济效益。

综上所述，基于原设计方案，将锚栓缩短1.1m的定长锚固设计方案在符合设计要求的基础上，具有较大的经济性，可尝试在实际工程中应用。

参考文献

[1]廉旭. 风机格构式扩展基础受力特性研究[D]. 西安理工大学.

[2]王利楠, 郝华庚, 丛欧,等. 半预制半现浇混凝土风机基础的受力分析[J]. 可再生能源, 2017, 35(11):8.

[3]杨中桂、王自强、赵绍谚、孟德明. 可更换锚栓式预应力风机基础关键技术分析[C]// 第七届中国风电后市场交流合作大会. 0.

[4]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[5]CEB-FIP Model Code 2010 - Final draft, vol. 1. Comité Euro-International du Béton, 2012

[6]NB/T 10311-2019,陆上风电场工程风电机组基础设计规范[S].

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