一种垂直轴风机的重力式扩展基础的基础结构设计方法

摘要

本发明公开了一种垂直轴风机的重力式扩展基础的基础结构设计方法，属于风电场风机基础建设领域，包括步骤：A：将风机荷载值修正到风机荷载的标准值；B：在正常工况下，确定基础底部半径；C：在极端工况下，确定基础底部半径；D：选出能够同时满足正常工况和极端工况的基础底部半径；E：根据公式h

说明书

技术领域

本发明涉及风电场风机基础建设领域，尤其是一种垂直轴风机的重力式扩展基础的基础结构设计方法。

背景技术

国家风电研究检测中心研发生产的国内乃至世界首台大功率垂直轴风机，主要特点如下：风机工作风速范围大，其工作风速范围为：2.8m/s～35m/s；除在人为或事故条件下停机外，在工作风速范围内始终正常发电；发电机绕竖轴转动，对地基变形要求较高。

目前进行的风电机组基础结构设计计算的规范，都是针对三叶片形式的风机基础进行规定的，一般根据风机厂家提供的风电机组的荷载资料，结合附近相似工程地质条件，选择基础形式，然后进行基础结构的设计计算；而对垂直轴风机基础结构的设计目前没有确定的标准，一般将三叶片形式的风机基础的计算方法应用到垂直轴风机基础上，但是，由于垂直轴风机在高风速下正常发电，正常发电时工况荷载大，垂直轴风机的运行方式对风机基础设计的影响：导致基础底部面积需增大，增加基础砼量，从而增加了基础建设的工程量，影响工程进度。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种垂直轴风机的重力式扩展基础的基础结构设计方法，使重力式扩展基础能够满足实际工况需要的同时减少基础砼量，节省基础建设费用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种垂直轴风机的重力式扩展基础的基础结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：将风机荷载值以荷载修正安全系数K₀＝1.35进行修正，得到在正常工况和极端工况下风机荷载的标准值。

步骤B：在正常工况下，以步骤A得到的标准值计算基底应力，从而确定基础底部半径；

步骤C：在极端工况下，以步骤A得到的标准值计算基底应力，从而确定基础底部半径；

步骤D：将步骤B、C得到的基础底部半径数值进行比较，选出能够同时满足正常工况和极端工况的基础底部半径；

步骤E：根据公式h₂≥0.38×(r₂-r₁)，确定基础根部厚度，其中h₂为基础根部厚度，r₂为基础底部半径，r₁为基础顶部半径。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B和步骤C中计算基底应力的公式为：

${\sigma }_{min}^{max}=\frac{N+G}{A}\pm \frac{M_X+M_Y+M{1}_X+M{1}_Y}{W};$

其中，A为基底的面积，A＝πr₂²；

W为面积抵抗矩，

N为Z方向的荷载力标准值；

G为基础及覆土的重力；

M_X为X方向的荷载力标准值产生的弯矩；

M_Y为Y方向的荷载力标准值产生的弯矩；

M1_X为X方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为X方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积；

M1_Y为Y方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为Y方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B中根据基底应力最大值小于地基承载力,并且基底应力最小值大于零的要求，进行基础底部直径的确定。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中根据基底应力最大值小于地基承载力，并且基底脱开地基的面积小于基底总面积25％的要求，进行基础底部直径的确定。

本发明技术方案的进一步改进在于：基底脱开地基的面积的计算公式为：

$A_1={r_2}^2\times {\cos }^{-1}(\tau -1)-\frac{1}{2}{r_2}^{2}sin\left[2{\cos }^{-1}(\tau -1)\right];$

其中τ的值是根据合力偏心矩得到的值确定。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明设计出的重力式扩展基础应用于垂直轴风机在满足安全的前提下，能够实现对重力式扩展基础更经济的进行建设，在设计参数、控制指标均合理的条件下，本发明主要通过优化原始荷载数据、并参考对基础结构进行优化设计，以达到减小风机基础混凝土及钢筋工程量，节约工程投资。

本发明针对重力式扩展基础的基础根部厚度采用经验公式计算，得出的基础根部厚度能够有效的控制裂缝宽度，同时最大限度的减少基础砼量，节省工程成本；针对重力式扩展基础的基础底部半径采用基底应力的公式计算，满足基底在正常工况下不脱开地基、在极端工况下脱开地基面积小于基底总面积25％的要求，进而得到基础底部半径的最小值，满足基底应力要求的同时最大限度的减少基础砼量，节省工程成本。

附图说明

图1是本发明中重力式扩展基础的主视示意图；

图2是本发明中重力式扩展基础的俯视示意图；

图3是本发明中重力式扩展基础的立体示意图；

其中，r₁为基础顶部半径，r₂为基础底部半径，H为基础高度，d为基础埋深，h₂为基础根部厚度，h₁为基础端部厚度。

具体实施方式

一种如图1、图2、图3所示的垂直轴风机的重力式扩展基础，所述重力式扩展基础的基础结构设计方法，包括以下步骤：

步骤A：根据厂家提供的资料得到垂直轴风机分别在正常工况和极端工况下的荷载表，并根据荷载修正安全系数K₀＝1.35修正荷载标准值，确定垂直轴风机分别在正常工况和极端工况下的X、Y、Z方向产生的荷载力标准值F_X、F_Y和F_Z，以及以上荷载力产生的弯矩的标准值M_X、M_Y和M_Z。

然后根据地质资料确定地基土的承载力。

步骤B：在正常工况下，假设一个基础底部半径值，并运用以下公式计算基底应力。

${\sigma }_{min}^{max}=\frac{N+G}{A}\pm \frac{M_X+M_Y+M{1}_X+M{1}_Y}{W};$

其中，A为基底的面积，A＝πr₂²；

W为面积抵抗矩，

N为Z方向的荷载力标准值；

G为基础及覆土的重力；

M_X为X方向的荷载力标准值产生的弯矩；

M_Y为Y方向的荷载力标准值产生的弯矩；

M1_X为X方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为X方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积；

M1_Y为Y方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为Y方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积。

根据上述公式计算基底应力，使基底应力满足最大值小于地基土承载力，并且最小值大于零的要求，从而得到基础底部半径的最小值。

步骤C：在极端工况下，假设一个基础底部半径值，并运用以下公式计算基底应力：

${\sigma }_{min}^{max}=\frac{N+G}{A}\pm \frac{M_X+M_Y+M{1}_X+M{1}_Y}{W};$

根据上述公式计算基底应力，使基底应力满足最大值小于地基土承载力，此时基底应力的最小值负值，基底脱开地基表面，应计算基底脱开地基的面积使脱开面积小于基底总面积的25％，从而得到基础底部半径的最小值。

基底脱开地基的面积的计算公式为：

$A_1={r_2}^2\times {\cos }^{-1}(\tau -1)-\frac{1}{2}{r_2}^{2}sin\left[2{\cos }^{-1}(\tau -1)\right];$

其中τ的值是根据合力偏心矩得到的值确定，具体根据作用于基底的合力偏心距与基础半径的比，即的值，通过查表3得出τ的值。

步骤D：将步骤B、C得到的基础底部半径数值进行比较，并相互替代进行计算，选出能够同时满足正常工况和极端工况的基础底部半径。

步骤F：根据公式h₂≥0.38×(r₂-r₁)，确定基础根部厚度的最小值，r₂为基础底部半径，r₁为基础顶部半径，r₁的具体数值根据风机要求确定，基础根部厚度h₂的确定方式能够满足基础结构的线性要求，且利用上述公式得到的基础根部厚度h₂能够有效的控制裂缝宽度，满足裂缝宽度＜0.2mm的要求。

基础埋深d的确定应满足地基承载力、变形和稳定性的要求，同时大于土体的标准冻深。

基础高度H的确定应满足基础伸出地面300mm的要求，即H＝d+300mm。

基础端部厚度h₁按照《FD003-2007风电机组地基基础设计规定》的标准，取最小值1m；本发明中基础端部厚度h₁和基础根部厚度h₂均取最小值，在满足基础强度和裂缝宽度要求的前提下，最大限度的较少基础砼量，节约工程投资。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

根据厂家提供的资料确定垂直轴风机分别在正常工况和极端工况下的荷载，如表1。

表1：

将厂家提供的垂直轴风机荷载值以荷载修正安全系数K₀＝1.35进行修正，得到表2。

表2：

根据地质资料确定地基土的承载力：

地基承载力f_a＝800kPa。

按照步骤B：在正常工况下，以表2的标准值计算基底应力，从而确定基础底部半径。

计算中假设基础底部半径r₂＝9m；运用以下公式进行基底应力的计算。

${\sigma }_{min}^{max}=\frac{N+G}{A}\pm \frac{M_X+M_Y+M{1}_X+M{1}_Y}{W};$

其中，基底的面积A＝πr₂²＝254.34㎡。

W为面积抵抗矩，

N为Z方向的荷载力标准值为4240.755kN。

G为基础及覆土的重力为17803.8kN。

M_X为X方向的荷载力标准值产生的弯矩为0kN。

M_Y为Y方向的荷载力标准值产生的弯矩为40358.25kN。

M1_X为X方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为X方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积；

基础高度H根据地基冻深及基础埋深确定为3.8m，得出M1_X为2094.6kN*m。

M1_Y为Y方向的荷载力标准值产生的附加弯矩为0kN*m。

最终得出，基底应力最大值为160.8kN/㎡，基底应力最小值为12.6kN/㎡，满足要求。

按照步骤C：在极端工况下，以表2的标准值计算基底应力，从而确定基础底部半径。

假设基础底部半径r₂＝10m；运用以下公式进行基底应力的计算。

${\sigma }_{min}^{max}=\frac{N+G}{A}\pm \frac{M_X+M_Y+M{1}_X+M{1}_Y}{W};$

其中，基底的面积A＝πr₂²＝314.0㎡。

W为面积抵抗矩，

N为Z方向的荷载力标准值为4169.475kN。

G为基础及覆土的重力为21980KN。

M_X为X方向的荷载力标准值产生的弯矩为0kN。

M_Y为Y方向的荷载力标准值产生的弯矩为104352.3kN。

M1_X为X方向的荷载力标准值产生的附加弯矩，具体的为X方向的荷载力标准值与基础高度H的乘积；

基础高度H根据地基冻深及基础埋深确定为3.8m，得出M1_X为7432.614kN*m。

M1_Y为Y方向的荷载力标准值产生的附加弯矩为0kN*m。

最终得出，基底应力最大值为225.571kN/㎡，基底应力最小值为-59kN/㎡，基底应力最大值满足要求。

进一步的，计算基底最大脱开面积。

首先作用于基底的合力偏心距得到

然后根据的值，查如下表3，得到τ的值为1.432。

表3

e/r₂τe/r₂τe/r₂τe/r₂τ0.252.0000.3521.65400.3731.59100.411.4820.261.9600.3531.65100.3771.57900.4131.47400.271.9320.3561.64200.3781.57600.4151.46850.281.8900.3571.63900.381.5700.4161.46580.291.8580.3581.63600.3821.56440.4181.46040.301.8200.361.6300.3841.55880.421.4550.311.7870.3611.62700.391.5420.4211.4470.321.7550.3631.62100.3931.53300.4221.43880.331.7230.3641.61800.401.5120.4271.4330.341.6920.3671.60900.4041.50000.4281.4310.351.6600.371.6000.4071.49100.431.428

计算基础受压宽度a＝τ*r₂＝14.32。

计算脱开面积

基础脱开面积占总面积的比

最终得出，基底最大脱开面积满足小于基底总面积25％的要求。

但此时根据正常工况一和极端工况二得到两个基底半径，分别为9m和10m。

按照步骤D：将两个基底半径9m和10m进行比较，得到能够同时满足步骤C、D要求的基础直径为10m；同时得出极端工况二对基底半径起决定作用。

按照步骤E：确定基础根部厚度。

具体根据公式h₂≥0.38×(r₂-r₁)，计算基础根部需要的最小值。

其中r₁为基础顶部半径，根据垂直轴风机的参数确定，在本实施例中r₁取3.2m。

从而得出h₂最小为2.58m，取近似值2.6m。

基础埋深d确定为3.5m。

基础高度H满足基础伸出地面300mm的要求，确定为3.8m。

基础端部厚度h₁按照《FD003-2007风电机组地基基础设计规定》的标准，取最小值1m。