用于风电机组塔架地基基础设计的WTF软件

摘要：本文介绍了风电机组塔架地基基础设计软件（简称WTF软件）。该软件由圆形扩展基础设计、圆形承台桩基础设计、八边形扩展基础设计、八边形承台桩基础设计、方形扩展基础设计和方形承台桩基础设计六部分构成，是《风电机组地基基础设计规定（试行）》（FD003-2007）的配套软件。通过输入地质资料和风机荷载等参数，软件可生成基础设计报告和配筋图，是一套专门为风电场风电机组地基基础设计而研制开发的软件。 关键词：风电机组；基础设计；荷载；设计报告 Software for Wind Turbine Tower Foundation Design Chen Yongan1 Chen Guanfu2 Wang Jun1

(1.Beijing Millennium Engineering Software Co. Ltd. , Beijing 100085;1. HYDROCHINA INTERNATIONAL ENGINEERING CO.,LTD., Beijing 100101)

Abstract: Abstract: Wind Turbine Tower Foundation Design Software for Wind Farmn(WTF) is introduced in this paper. This software consists of circular spread foundation design、circular pile foundation design、octagonal spread foundation design、octagonal pile foudation design、square spread foundation design and pile foundation design, which is matching with 《design regulations on subgrads and foundation for wind turbine generator system》（FD003-2007）.WTF can make reports and chart by providing subgrade data and wind turbine loads,and it is special software for wind turbine tower foundation design.

Key words: wind turbine generator system; foundation design; Load, WTF reports 1引言

风能作为清洁的可再生能源，其开发在国内外受到广泛青睐。我国风资源十分丰富，理论蕴藏量超过10亿千万瓦，风能开发潜力巨大，市场前景十分广阔。根据国家发展和改革委员会关于开展全国大型风电场建设前期工作的要求，中国水电工程顾问集团公司负责全国大型风电场建设技术管理、监督检查和成果验收。

风电机组基础具有承受360度方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基基础的稳定性要求极高。近年来我国的风电事业蓬勃发展，一大批大中型风电场都要相继建成或开始建设，风力发电机组基础设计问题十分突出，必须引起足够的重视。

近年来，中国水电工程顾问集团公司制定了一系列风电场工程管理办法和有关技术规定，2007年由水电水利规划设计总院编制的《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》FD002-2007和《风电机组地基基础设计规定（试行）》FD003-2007正式公布，为了对《设计规定》进行配套、扩充，提高设计效率、降低设计成本，促进风电机组地基基础设计标准化，

北京木联能软件技术有限公司和中国水电工程顾问集团公司还同步推出了联合开发的配套设计软件，即CFD风电工程软件-机组塔架地基基础设计软件（WTF），规范和软件的推出不仅填补了我们国家在风电机组地基基础设计中的空白，而且将国内风机基础结构设计的进程尤其是在设计标准化方面向前推进了一大步。

本文主要对圆形扩展基础和圆形承台桩基础两个计算模块进行说明。 2系统总体结构及流程 2.1系统总体结构

WTF软件是可运行于windows环境和vista环境下的单机版软件，开发工具是目前较流行的Delphi编写，采用access作为数据库平台。总体结构为C/S结构（图1），软件由圆形扩展基础、圆形承台桩基础、八边形扩展基础、八边形承台桩基础、方形扩展基础和方形承台桩基础6个设计模块组成，通过输入地质力学参数和风机荷载参数，用户可自行选择基础地板地面和顶面的配筋形式以及台柱配筋，最后生成计算报告和配筋图。

2.2圆形扩展基础设计总体流程

扩展基础主要有基础底板、台柱、法兰筒（或连接螺栓）等三部分组成。塔筒通过法兰筒（或连接螺栓）与台柱连接，底板将台柱承受的上部结构荷载传至地基，三者共同工作，使基础形成整体。因此，完整的设计应包括底板、台柱和连接设计。 WTF软件系统总体流程图如下：

2.3圆形承台桩基础设计总体流程

圆形承台桩基础主要有圆形承台、台柱、基桩和法兰筒（或连接螺栓）等部分组成。塔筒通过法兰筒（或连接螺栓）与台柱连接，承台将台柱承受的上部结构荷载传至基桩和土层，共同工作，使基础形成整体。因此，完整的设计应包括承台、台柱、基桩和连接设计。 WTF软件系统总体流程图如下

3圆形扩展基础设计模块主要功能 3.1尺寸参数及荷载

尺寸拟定原则：

作用在基础上的荷载主要有风机上部结构传至塔筒底部的荷载水平力Fx和Fy（合成为Fr），水平弯矩Mx和My（合成为Mr）,竖向力Fz、竖向弯矩Mz，以及基础自重G1、回填土重G2、多遇地震作用Fe1和罕遇地震作用Fe2等。

荷载效应组合考虑了标准组合（含修正标准值）、基本组合和偶然组合。荷载工况有极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况。设计内容、荷载效应组合、荷载工况和考虑的主要荷载见表3.1-3。采用基本组合时，主要荷载的分项系数见3.1-4。

3.2扩展基础的设计步骤

1）基础方案的比较与选择

从不同角度考虑基础方案的适应性： （1）满足地基承载力要求； （2）满足风机基础变形要求； （3）满足风机基础使用要求。 2）基础埋置深度的确定 综合考虑以下条件：

（1）风机基础的功能和使用要求； （2）基础的类型和构造； （3）工程地质和水文地质条件； （4）防止地基土冻胀和融陷的不利影响； （5）避免受到不利环境的侵蚀。 3）确定基础底板平面尺寸

根据设计经验初步拟定基础平面尺寸；对承载力复核（含下卧层）、脱开面积复核、抗滑稳定和抗倾覆稳定复核、沉降和倾斜验算，进行底板尺寸合理性初判；初判合格后，进行基础抗弯配筋、抗冲切和抗剪计算，确定基础底板尺寸，最终确定基础底板尺寸。 4）地基承载力复核

上部结构传至塔筒底部的荷载采用修正标准值，其余荷载采用标准值。地基承载力采用特征值，可根据基础底面的实际受压宽度和埋深进行深度修正。

根据《高耸结构设计规范》GB50135-2006，在极端工况下，圆形底面积脱开面积小于1/4，可表示为e/R≤0.43。

地震工况下的地基承载力需乘以抗震调整系数，有关要求见《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第4.2节。在多遇地震作用下基础底面不宜出现拉应力，即不允许脱开。 5）软弱下卧层承载力复核

上部结构传至塔筒底部的荷载采用修正标准值，其余荷载采用标准值。软弱下卧层地基承载力采用其埋深进行深度修正。

需注意的是，计算下卧层顶面自重应力的埋深与计算该处附加应力的埋深是不同的，前者至地面，后者至基础底面。

地震工况下的地基承载力需乘以抗震调整系数。 6）变形计算

所有荷载采用标准值。

规范中沉降计算公式为轴心荷载作用下的中心点沉降计算，对于大偏心，本规定采用实际受压面积代替基底全面积，但仍不能较好地反映大偏心受力下的沉降规律。 对于倾斜计算方法，规范无明确规定，采用受弯方向的角点沉降差除以边长。

另外，沉降计算时，应考虑地基变形的非线性，压缩模量应取土自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算。

对于梯形分布的基底反力，将其分解为均布＋三角形分布。基底脱开的三角形基底反力分布，将其分解为三角形分布－均布。

对于风电基础，倾斜控制应比平均沉降量控制要严。。 7） 抗倾覆稳定复核

上部结构传至塔筒底部的荷载采用修正标准值。 8）抗滑稳定性复核

上部结构传至塔筒底部的荷载采用修正标准值。 3.3基础底板设计

1）底板配筋计算和裂缝宽度计算

只进行极端荷载工况下的底板配筋计算。分别进行极端荷载工况和正常运行荷载工况下的裂缝宽度验算，并需符合不同的要求，但有人建议只进行正常运行荷载工况下的裂缝宽度验算，因为正常运行荷载工况为正常使用极限状态，极端荷载工况为承载能力极限状态。 配筋计算时所有荷载采用设计值，即标准值×分项系数。裂缝宽度计算所有荷载采用标准值。沿悬挑长度可以选择不同位置的截面进行受弯配筋计算，本程序只给出了悬挑根部截面的底板配筋计算和裂缝宽度计算。

底板受压侧底面的计算弯矩等于基底反力引起的弯矩减去自重引起的弯矩，这时自重为有利荷载，荷载分项系数为1.0。底板受拉侧顶面的计算弯矩等于自重引起的弯矩减去基底反力引起的弯矩。

防止出现少筋情况，大块体混凝土采用工民建混凝土构件的最小配筋率，要求偏严。鉴此，单侧的纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.20%，且每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。 （1）径向配筋

计算底板下部半径 R2 处单位弧长的径向弯矩设计值，据此计算径向配筋。

对于底面径向配筋，≥Φ，悬挑根部径向钢筋弧长方向间距必须≥50mm，悬挑外缘径向钢筋弧长方向间距必须≤300mm；对于顶面径向配筋，≥Φ8，悬挑外缘径向钢筋弧长方向间距必须≤300mm。 （2）环向配筋

计算底板下部单位宽度的环向弯矩设计值，据此计算环向配筋。

对于底板底面环向向配筋：≥Φ10，悬挑根部径向钢筋弧长方向间距必须≥100mm，悬挑外缘径向钢筋弧长方向间距必须≤250mm；对于顶板底面环向向配筋：≥Φ8，悬挑根部径向钢筋弧长方向间距必须≥100mm，悬挑外缘径向钢筋弧长方向间距必须≤250mm。 （3）台柱部位配筋

计算台柱部位两个正交方向单位宽度矩设计值，据此计算配筋。 台柱部位的双向配筋：≥Φ10，@≤200。 （4）裂缝宽度计算

风荷载是风电机组正常运行的基本荷载，风荷载经风机传至塔筒底部的荷载的遇合系数均为1.0。钢筋应变不均匀系数按不作为直接承受重复荷载的构件取值。 2）底板抗冲切计算

只进行极端荷载工况下的抗冲切计算。

所有荷载采用设计值，即标准值×分项系数。考虑了沿塔筒边缘（等效正方形）的冲切和沿台柱边缘的冲切。

有些底板型式采用不变高底板，从塔筒边缘引45度线时，引线可能出现在截面之外。这时，建议调整截面型式。 3）底板抗剪计算

根据原冶金部（82）冶基设字第143号文“颁发《带悬挑钢筋混凝土圆板试验报告》的技术鉴定书”提出的意见，通过试验证明，对圆板基础，剪切破坏并不存在。因此，在确定圆板基础厚度时，只考虑冲切控制已足够安全。 3.4疲劳强度验算

疲劳荷载上限为荷载均值加一半的带宽，疲劳荷载下限为荷载均值减一半的带宽。 4圆形承台桩基础设计模块主要功能 4.1尺寸参数及荷载

4.2桩基础设计步骤

桩基础设计的目的是使作为支撑上部结构的地基和基础结构必须具有足够的承载能力，使其变形不超过上部结构安全和正常使用所允许的范围；作为传递荷载的结构，桩和承台还必须具有足够的刚度、刚度和耐久性。

桩基础设计时，承载力极限状态验算包括基桩竖向抗压或抗拔承载力计算和水平承载力计算，承载力群桩效应计算，桩身强度和承台的承载力验算，桩端平面以下的软卧下卧层承载力验算，整体稳定性验算，抗震承载力验算等。正常使用极限状态的颜色包括沉降、水平变位、裂缝宽度验算等。

1）设计方法

桩基础设计可参照的规范较多，如《建筑桩基技术规范》JGJ94-1991，《建筑地基基础设计规范》GB5007－2002，《上海地基基础设计规范》DGJ08-11-1999等，由于根据可靠度套改的不同和设计方法上的差异，相互之间有些差异。本软件的基桩和承台计算均采用《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008。 2）桩型选择和持力层选择

应考虑上部结构的要求、地质条件、环境要求、施工条件及质量控制以及工程造价等因素，合理地选择桩材料、成桩、沉桩工艺、桩的长度（结合持力层选择）、桩的截面尺寸等。桩的主要类型有预制钢筋混凝土桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和钢管桩等。

3）桩的布置

桩的布置包括桩的中心距、桩的合理排列以及桩端进入持力层的深度等内容。

为了避免基桩施工可能引起土的松弛效应和挤土效应对相邻基桩的不利影响，以及群桩效应对桩基承载力的不利影响，布桩时应根据土类、成桩工艺和桩端排列等确定桩的最小中心距。 布桩时，为了使群桩合力点与长期荷载中心重合，并使桩基受水平力和力矩较大方向有较大的截面系数，同一结构单元宜尽量避免采用不同类型的基桩。

一般应选择较硬土层作为桩端持力层，桩顶全截面进行持力层的深度应按不同土层采用不同的深度规定

4.3基桩布置拟定与复核

在进行基桩内力和变形计算之前，根据上部结构和使用功能的要求可以拟定承台底面的埋深，在选定了桩端持力层以后，桩的有效长度便可以拟定，在根据桩基础受力特点以及地质条件等，拟定桩的中心距和合理排列。根据计算基桩内力和变形计算，以及基桩承载力，复核基桩的初步布置。 1）桩内力和变形计算

根据初拟桩的布置，按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的附录C《考虑承台、基桩协同工作和土的弹性抗力作用计算受水平荷载的基桩》进行。 在附录B的基础上，还作了如下调整： （1）不计承台侧面地基土水平抗力。 （2）不计承台底土的竖向抗力和水平摩阻力。

（3）计算地基土水平抗力系数的比例系数m时，基桩主要影响深度范围的土层可为1、2、3、4层。

（4）计算桩顶荷载效应时采用上部结构传至基础的荷载采用修正标准值。

计算内容包括承台变位（竖向位移、水平位移、转角），任意基桩顶内力（竖向力、水平力、弯矩）、基桩桩身内力分布和桩身最大水平、最大弯矩等。 2）单桩承载力和桩基变形计算

由土层的地质资料和力学参数，按《设计规定》第9.3.5条和第9.3.计算单桩竖向承载力，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94－2008，单桩竖向承载力不考虑群桩效应。 3）桩布置复核

根据计算的单桩承载力，当计算的桩顶竖向压力、拔力、水平力均满足《设计规定》要求，且沉降和倾斜也《设计规定》要求时，拟定的桩布置是合理的，可进行桩身强度和承台承载力计算。 4.4承台底板设计

1）底板配筋计算和裂缝宽度计算

只进行极端荷载工况下的底板配筋计算。分别进行极端荷载工况和正常运行荷载工况下的裂缝宽度验算，并需符合不同的要求，但有人建议只进行正常运行荷载工况下的裂缝宽度验算，因为正常运行荷载工况为正常使用极限状态，极端荷载工况为承载能力极限状态。 配筋计算时所有荷载采用设计值，即标准值×分项系数。裂缝宽度计算所有荷载采用标准值。沿悬挑长度可以选择不同位置的截面进行受弯配筋计算，本程序只给出了悬挑根部截面的底板配筋计算和裂缝宽度计算。

防止出现少筋情况，大块体混凝土采用工民建混凝土构件的最小配筋率，要求偏严。鉴此，单侧的纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.20%，且每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2；但全部纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.60%的规定取消。 2）底板抗冲切计算

只进行极端荷载工况下的抗冲切计算。

所有荷载采用设计值，即标准值×分项系数。考虑了沿台柱边缘的冲切。 3）底板抗剪计算

只进行极端荷载工况下的底板抗剪计算。按不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件计算。

4）桩身强度验算

由计算得到的桩顶竖向力、沿桩长分布的弯矩和水平力，即可进行桩身强度验算。 对于钢筋混凝土预制桩，厂家将提供弯矩、竖向抗压和抗拔的抗力限值，用计算的桩顶受力进行比较即可。

4.5承台底板疲劳强度验算

疲劳荷载上限为荷载均值加一半的带宽，疲劳荷载下限为荷载均值减一半的带宽。基础底板纵向受拉钢筋应力幅、受压区边缘纤维的混凝土应力及中和轴剪应力的计算方法和限值要求见《混凝土结构设计规范》。 5结论

WTF软件目前已经在大唐吉林向阳风电场一期、甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场可行性研究设计阶段、张北坝头风电场工程优化设计、华能文昌风电场等诸多工程中得到了

广泛的应用，并且软件在1年多的实际应用工程中得到了极大的改善，计算准确、结果经济合理、便于方案对比和出图等多方面得到了广大用户的认可。尤其在中国风电事业快速发展的今天，我们希望WTF软件能够为中国风电行业的健康发展做出更大的贡献。

参考文献：

[1] 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，北京：中国水利水电出版社，2008年1月

[2]宫靖远等.风电场工程技术手册[M].北京，机械工业出版社,2004,5:200-208.

[3]刘蔚,甘肃酒泉千万千瓦级风电基地20个风电场可行性研究设计阶段风机基础设计研究[J].西安.

收稿日期：2008-11-10

第一作者简介：陈永安（1981-），男，河北滦县人，从事水利水电及风电软件需求分析、大坝安全监测研究方面工作。

图3 圆形承台桩基础设计流程图

图2 圆形扩展基础设计流程图

图1 风机基础设计的思路

（1.北京木联能软件技术有限公司，北京100085; 2.中国水电顾问集团国际工程有限公司，北

京 100101）

关键词：塔架风电地基基础