风机塔架基础设计
——高斌
根据中华人民共和国国家际准《高耸结构设计规范》ＧＢＪ １３５-９０，设计风机塔架基础时，主要考虑四个环节。四个环节包括：
１）、塔身与基础的联接； ２）、基础上部的承载能力； ３）、地基的承载能力； ４）、抗倾覆。 即在具体设计中，应按最不利荷载组合对各控制断面进行强度计算外，还应对基础的整体稳定性、地基承载力和变形进行计算。
在设计风机塔架基础前，必须分析塔架的尺寸、安装标高、荷载数据以及气象条件、工程地质资料。以便做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。
一、已知荷载
一）、荷载分类： ｌ、永久荷载： １）、结构自重：
塔架及设备：约２00吨 基础自重：约650吨 ２）、土压力：
基础上部埋土, ２、可变荷载： １）、风荷载：
弯矩（±00）： 水平力（±00）：
按规范要求，在风荷载（标准值）作用下，高耸结构任意点的水平位移不得大于该点离地高度的１／１００。 ２）、裹冰荷载： ３）、地震作用： ４）、安装检修荷载： ５）、温度变化： ６）、地基沉陷： ３、偶然荷载：
导线断线，风扇断脱等。
二、塔身与基础的联接：
一）、螺栓联接
国际规定，螺栓外排时，中心间距： 最大：8d0 或12t 最小：3 d0
d0 ──为螺栓的孔径； t ──为外层板件的厚度。
根据螺栓横截面积应与板件横截面积相等的原则，计算：
22
Ｓ= D •π•δ= n •（d0/2）•π= 4300×3.14×24 = 324048 mm S ──螺栓横截面积或板件横截面积 D ──塔身直径（±00） δ ──板件厚度 n ──螺栓数量
计算结论：须用螺栓直径太大，实际上无法使用。 二）、法兰盘焊接：
国家设计规范规定：
塔身与法兰盘的联接构造和计算与该处塔身相同。 此联接方案中，法兰盘置于基础表面，焊缝水平总横截面积必须满足大于塔身板件±00处横截面积的１. ２倍。
国际同时规定，角焊缝的最小焊脚尺寸hｆ不得小于1.5t ，ｔ为较厚焊件即塔身板件或法兰的厚度。
则 hｆ≮1.5t
故塔身板件开坡口与底板（法兰）焊接，同时加肋板并焊接，荷载可满足要求。 底板（法兰）与基础（钢筋混凝土）联接并满足荷载的方案，便是关键所在。 此时，若用地脚螺栓，便又出现了上面螺栓联接的情况。甚至加肋板等也无法满足荷载。 三）、底板置于基础内联接：
此方案正是国外风机高塔（h >６０ｍ ）采用的方法。
前提： 基础部分承受荷载的能力大于或等同于塔身板件横截面的荷载能力。
2
即： 按混凝土强度设计值fc（N/mm）计算，底板表面积受混凝土抗压强度产生的载荷与该外塔身板件横截面产生的荷载相当。
依此可计算出底板的径向宽度bf。
故： bf =
s×fy'D×π×fc
在此：ｓ ──塔身板件横截面积
f──普通钢材强度设计值；
D ──该截面塔身直径； ƒc ──混凝土强度设计值。 所以：底板表面积
S = D×π×bf
底板厚度h
h = t×
'y
σb
στ
t ──为外层板件的厚度；
σb ──普通钢材屈服强度设计值； στ──普通钢材抗剪强度设计值。
如果该底板表面积过大，刚度不足，可加加强肋与塔身板件焊接；加强肋的厚度不应小于肋长的１／１５，并不应小于５mm。也可安置二个以上的底板于基础内。
三、基础上部的承载能力
一）、螺栓联接时：
混凝土层表面对法兰盘的抗压能力，应与塔身板件的抗屈服能力相同。
混凝土强度设计值（Ｎ／mm2）
强度种类
ƒe ƒt
7.2
9.6
混 凝 土 C40
19.11.71
强 C45
21.11.80
度 C50
23.11.89
等 C55
25.31.96
级 C60
27.52.04
C15 C20
0.91 1.10
C25 C30 C35
11.9 14.3 16.71.27 1.43 1.57
C65 C70 C75
29.7 31.8 33.82.09 2.14 2.18
注：ƒe──混凝土轴心抗压强度设计值；
ƒt──混凝土轴心抗拉强度设计值。 法兰盘径向宽度bf
bf =
s×fy'D×π×fe
ｓ ──塔身板件横截面积
fy'──普通钢材强度设计值；
D ──该截面塔身直径； ƒe ──混凝土强度设计值。
四、地基的承载能力
根据国际规范规定：基础底面的压力，应符合下式 当轴心荷载作用时： Рk≤ƒa
式中 Рk ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；
ƒa ──修正后的地基承载力特征值。
当偏心荷载作用时，除符合上式要求外，尚应符合下式要求： Рkmax≤1.2ƒa
式中 Рkmax ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。
基础底面的压力，可按下列公式确定： ａ、当轴心荷载作用时
Pk=
Fk+Gk
A
式中 Fk──相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值； Gk──基础自重和基础上的土重； A ──基础底面面积。 ｂ、当偏心荷载作用时 Pkmax=
Pkmin=
Fk+GkMk
+ AWFk+GkMk
-
AW
式中 Mk ──相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值；
W ──基础底面的抵抗矩；
Pkmin ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最小压力值。
当基础宽度大于３ｍ或埋置深度大于0.5ｍ时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：
ƒa= ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） 式中 ƒa ──修正后的地基承载力特征值。
ƒak ──地基承载力特征值，按设计规范原则确定；
ηb、ηd ──基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，可按基底下土的类别查表取值。
承载力修正系数
L红粘土 大面积 压实填土 粉土
w含水比aw≤0.8
压实系数大于0.95、粘粒含量ρс≥10%的粉土最大干密度大于2.1t/m3的级配砂土 с籽粒含量ρс
b0 0.15 0 0 0.5 0.3 2.0 3.0
d1.0 1.4 1.5 2.0 2.0 1.6 3.0 4.4
e及IL均小于0.85的粘性土
粉砂、细砂（不包括很湿与饱和时的稍密状态） 中砂、粗砂、砾砂、碎石土
γ──基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度； b ──基础底面宽度（ｍ），当基宽小于３ｍ按３ｍ取值，大于６ｍ按６ｍ取值； γm──基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度； d ──基础埋置深度（ｍ），一般自室外地面标高算起。 例：６５ｍ高风机塔架，某工况下有最大基础底面力矩值；
Ｍｋy= 31000 kNm Ｍｋｘ= 3100 kNm Fk =1200 kN Gk =6500 kN
222
A = （d/2）×л = （12/2）×3.14 = 113.04 mW = I/b =
π•d4
64×d3.14×1233
= =169.56 m
32
Pkmax=
F+GkMxMyFk+GkMk
+ = k++ AWAWxWy
=
1200+[1**********]00
++ = 269.23 kPa
113.04169.56169.56
修正后的地基承载力特征值（按乌鲁木齐地区戈壁土黄土计算）：
ƒa = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） ƒamax = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）
= 160+2.0×16×(6-3)+3.0×24×(2.3-0.5) = 385.6 kPa
ƒamin = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）
= 160+0×16×(6-3)+1.2×24×(2.3-0.5) = 211.84 kPa
按 Рkmax≤1.2ƒa 必须要得到满足
则必须使ƒa≥Рkmax/1.2 =269.23/1.2 = 224.36 kPa
故为了使修正后的地基承载力特征值满足要求，可以有下列措施： ａ）、通过地基处理或人工地基提高地基承载力特征值； ｂ）、通过加深基础埋置提高修正后的地基承载力特征值； ｃ）、通过加大基础底面积来减小基础底面边缘的最大压力值。
五、抗倾覆计算：
由于风荷载、地震、日照和基础倾斜的作用，塔筒线分布重力和局部集中重力对塔筒任意截面所产生的附加弯矩，须进行计算。
国家设计规范同时规定：下列高耸结构可以不进行截面抗震验算，而仅满足抗震结构要求。
*小于或等于８度Ｉ、Ⅱ类场地的不带塔楼的钢塔架，钢桅杆及其地基基础；
2
*８度Ｉ、Ⅱ类场地，且基本风压不小于0.8kN/m的钢筋混凝土高耸筒体结构及其地基基础；
*７度时硬、中硬场地的圆筒式、圆柱式塔基础；
已知极限状态下各种荷载在塔基位置产生的综合力矩，Ｍｋy= 31000 kNm，Ｍｋｘ= 3100 kNm；塔身Fk =1200 kN、基础Gk =6500 kN。
由力学平衡公式计算：
Ｍｋy +Ｍｋｘ≤（Fk +Gk）×Ｌ
Ｌ──基础中心位置到基础边缘力矩支撑点的距离。
基础埋置深度，在抗倾覆中也起重要作用。可产生反抗倾覆的力矩。
六、其他问题计算
一）、基础埋置深度
应满足地基承载力、变形和稳定性要求；
桩箱或桩筏基础的埋深（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18～1/20。 二）、变形计算
建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形充许值。 分为：沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。 三）、稳定性计算
计算基础受滑动力矩作用时的基础稳定性，用以确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。
风机塔架基础设计
——高斌
根据中华人民共和国国家际准《高耸结构设计规范》ＧＢＪ １３５-９０，设计风机塔架基础时，主要考虑四个环节。四个环节包括：
１）、塔身与基础的联接； ２）、基础上部的承载能力； ３）、地基的承载能力； ４）、抗倾覆。 即在具体设计中，应按最不利荷载组合对各控制断面进行强度计算外，还应对基础的整体稳定性、地基承载力和变形进行计算。
在设计风机塔架基础前，必须分析塔架的尺寸、安装标高、荷载数据以及气象条件、工程地质资料。以便做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。
一、已知荷载
一）、荷载分类： ｌ、永久荷载： １）、结构自重：
塔架及设备：约２00吨 基础自重：约650吨 ２）、土压力：
基础上部埋土, ２、可变荷载： １）、风荷载：
弯矩（±00）： 水平力（±00）：
按规范要求，在风荷载（标准值）作用下，高耸结构任意点的水平位移不得大于该点离地高度的１／１００。 ２）、裹冰荷载： ３）、地震作用： ４）、安装检修荷载： ５）、温度变化： ６）、地基沉陷： ３、偶然荷载：
导线断线，风扇断脱等。
二、塔身与基础的联接：
一）、螺栓联接
国际规定，螺栓外排时，中心间距： 最大：8d0 或12t 最小：3 d0
d0 ──为螺栓的孔径； t ──为外层板件的厚度。
根据螺栓横截面积应与板件横截面积相等的原则，计算：
22
Ｓ= D •π•δ= n •（d0/2）•π= 4300×3.14×24 = 324048 mm S ──螺栓横截面积或板件横截面积 D ──塔身直径（±00） δ ──板件厚度 n ──螺栓数量
计算结论：须用螺栓直径太大，实际上无法使用。 二）、法兰盘焊接：
国家设计规范规定：
塔身与法兰盘的联接构造和计算与该处塔身相同。 此联接方案中，法兰盘置于基础表面，焊缝水平总横截面积必须满足大于塔身板件±00处横截面积的１. ２倍。
国际同时规定，角焊缝的最小焊脚尺寸hｆ不得小于1.5t ，ｔ为较厚焊件即塔身板件或法兰的厚度。
则 hｆ≮1.5t
故塔身板件开坡口与底板（法兰）焊接，同时加肋板并焊接，荷载可满足要求。 底板（法兰）与基础（钢筋混凝土）联接并满足荷载的方案，便是关键所在。 此时，若用地脚螺栓，便又出现了上面螺栓联接的情况。甚至加肋板等也无法满足荷载。 三）、底板置于基础内联接：
此方案正是国外风机高塔（h >６０ｍ ）采用的方法。
前提： 基础部分承受荷载的能力大于或等同于塔身板件横截面的荷载能力。
2
即： 按混凝土强度设计值fc（N/mm）计算，底板表面积受混凝土抗压强度产生的载荷与该外塔身板件横截面产生的荷载相当。
依此可计算出底板的径向宽度bf。
故： bf =
s×fy'D×π×fc
在此：ｓ ──塔身板件横截面积
f──普通钢材强度设计值；
D ──该截面塔身直径； ƒc ──混凝土强度设计值。 所以：底板表面积
S = D×π×bf
底板厚度h
h = t×
'y
σb
στ
t ──为外层板件的厚度；
σb ──普通钢材屈服强度设计值； στ──普通钢材抗剪强度设计值。
如果该底板表面积过大，刚度不足，可加加强肋与塔身板件焊接；加强肋的厚度不应小于肋长的１／１５，并不应小于５mm。也可安置二个以上的底板于基础内。
三、基础上部的承载能力
一）、螺栓联接时：
混凝土层表面对法兰盘的抗压能力，应与塔身板件的抗屈服能力相同。
混凝土强度设计值（Ｎ／mm2）
强度种类
ƒe ƒt
7.2
9.6
混 凝 土 C40
19.11.71
强 C45
21.11.80
度 C50
23.11.89
等 C55
25.31.96
级 C60
27.52.04
C15 C20
0.91 1.10
C25 C30 C35
11.9 14.3 16.71.27 1.43 1.57
C65 C70 C75
29.7 31.8 33.82.09 2.14 2.18
注：ƒe──混凝土轴心抗压强度设计值；
ƒt──混凝土轴心抗拉强度设计值。 法兰盘径向宽度bf
bf =
s×fy'D×π×fe
ｓ ──塔身板件横截面积
fy'──普通钢材强度设计值；
D ──该截面塔身直径； ƒe ──混凝土强度设计值。
四、地基的承载能力
根据国际规范规定：基础底面的压力，应符合下式 当轴心荷载作用时： Рk≤ƒa
式中 Рk ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；
ƒa ──修正后的地基承载力特征值。
当偏心荷载作用时，除符合上式要求外，尚应符合下式要求： Рkmax≤1.2ƒa
式中 Рkmax ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。
基础底面的压力，可按下列公式确定： ａ、当轴心荷载作用时
Pk=
Fk+Gk
A
式中 Fk──相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值； Gk──基础自重和基础上的土重； A ──基础底面面积。 ｂ、当偏心荷载作用时 Pkmax=
Pkmin=
Fk+GkMk
+ AWFk+GkMk
-
AW
式中 Mk ──相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值；
W ──基础底面的抵抗矩；
Pkmin ──相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最小压力值。
当基础宽度大于３ｍ或埋置深度大于0.5ｍ时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：
ƒa= ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） 式中 ƒa ──修正后的地基承载力特征值。
ƒak ──地基承载力特征值，按设计规范原则确定；
ηb、ηd ──基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，可按基底下土的类别查表取值。
承载力修正系数
L红粘土 大面积 压实填土 粉土
w含水比aw≤0.8
压实系数大于0.95、粘粒含量ρс≥10%的粉土最大干密度大于2.1t/m3的级配砂土 с籽粒含量ρс
b0 0.15 0 0 0.5 0.3 2.0 3.0
d1.0 1.4 1.5 2.0 2.0 1.6 3.0 4.4
e及IL均小于0.85的粘性土
粉砂、细砂（不包括很湿与饱和时的稍密状态） 中砂、粗砂、砾砂、碎石土
γ──基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度； b ──基础底面宽度（ｍ），当基宽小于３ｍ按３ｍ取值，大于６ｍ按６ｍ取值； γm──基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度； d ──基础埋置深度（ｍ），一般自室外地面标高算起。 例：６５ｍ高风机塔架，某工况下有最大基础底面力矩值；
Ｍｋy= 31000 kNm Ｍｋｘ= 3100 kNm Fk =1200 kN Gk =6500 kN
222
A = （d/2）×л = （12/2）×3.14 = 113.04 mW = I/b =
π•d4
64×d3.14×1233
= =169.56 m
32
Pkmax=
F+GkMxMyFk+GkMk
+ = k++ AWAWxWy
=
1200+[1**********]00
++ = 269.23 kPa
113.04169.56169.56
修正后的地基承载力特征值（按乌鲁木齐地区戈壁土黄土计算）：
ƒa = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） ƒamax = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）
= 160+2.0×16×(6-3)+3.0×24×(2.3-0.5) = 385.6 kPa
ƒamin = ƒak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）
= 160+0×16×(6-3)+1.2×24×(2.3-0.5) = 211.84 kPa
按 Рkmax≤1.2ƒa 必须要得到满足
则必须使ƒa≥Рkmax/1.2 =269.23/1.2 = 224.36 kPa
故为了使修正后的地基承载力特征值满足要求，可以有下列措施： ａ）、通过地基处理或人工地基提高地基承载力特征值； ｂ）、通过加深基础埋置提高修正后的地基承载力特征值； ｃ）、通过加大基础底面积来减小基础底面边缘的最大压力值。
五、抗倾覆计算：
由于风荷载、地震、日照和基础倾斜的作用，塔筒线分布重力和局部集中重力对塔筒任意截面所产生的附加弯矩，须进行计算。
国家设计规范同时规定：下列高耸结构可以不进行截面抗震验算，而仅满足抗震结构要求。
*小于或等于８度Ｉ、Ⅱ类场地的不带塔楼的钢塔架，钢桅杆及其地基基础；
2
*８度Ｉ、Ⅱ类场地，且基本风压不小于0.8kN/m的钢筋混凝土高耸筒体结构及其地基基础；
*７度时硬、中硬场地的圆筒式、圆柱式塔基础；
已知极限状态下各种荷载在塔基位置产生的综合力矩，Ｍｋy= 31000 kNm，Ｍｋｘ= 3100 kNm；塔身Fk =1200 kN、基础Gk =6500 kN。
由力学平衡公式计算：
Ｍｋy +Ｍｋｘ≤（Fk +Gk）×Ｌ
Ｌ──基础中心位置到基础边缘力矩支撑点的距离。
基础埋置深度，在抗倾覆中也起重要作用。可产生反抗倾覆的力矩。
六、其他问题计算
一）、基础埋置深度
应满足地基承载力、变形和稳定性要求；
桩箱或桩筏基础的埋深（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18～1/20。 二）、变形计算
建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形充许值。 分为：沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。 三）、稳定性计算
计算基础受滑动力矩作用时的基础稳定性，用以确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。