技术 | Technology
新型风力发电机组梁板式预应力锚栓
基础应用
张万祥1， 刘洪海2，于春来2
（1.天威风电场投资有限公司，河北 保定 071030；2.天威风电科技有限公司，河北 保定 071030）
摘 要： 风力发电机组基础，直接影响着风场的可靠运行和投资成本，基础一旦出现问题，损失将以千万元计。本文介绍
的新型梁板式预应力锚栓基础，是在国外锚栓基础上进行了改进，与传统基础环基础相比，不仅节材节能，还大大改善了受力状况，能够更好地保障风电机组安全运行。
关键词：风机基础；基础环；梁板式预应力锚栓基础；应力集中；疲劳破坏；锚栓；锚板中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-9219(2012)05-0084-03
0 引言
近几年，随着大规模开发风力发电，我国已经成为全球风电装机容量第一大国和风电设备制造第一大国。截至2011年年底，中国风力发电装机容量突破62GW。在大规模开发风电场的同时，风电设备技术和风场开发技术也得到了日臻完善和发展。下面为大家介绍的是我公司在风场建设中，采用的新型风电机组基础—梁板式预应力锚栓基础，该技术的应用不仅为我公司节约了大量投资，缩短了施工工期，由于减少了混凝土和钢筋用量，还起到了节能减排的作用。
1 新型梁板式预应力锚栓基础
风电机组基础是用于固定机组的混凝土结构，它不仅要承受机组及塔筒的重量，而且要抵抗机组的最大倾覆载荷，确保机组在各种载荷下的安全运行。风电机组基础作为风电场建设的重要组成部分，不仅关系风场的安全可靠运行，还影响着风场的投资。传统的风电机组基础（图1）
图1 传统风电机组基础
84 风能
Technology | 技术
风电机组是在风的推动下生产电力。众所周知，风是不稳定的，不仅有大小的变化，还有方向的变化，紊流的影响。甚至风轮上的叶片转到不同位置，不同的时间，所经受的风的大小也不一样。这种变化有时还非常大，非常突然，这就是风电机组的运行特点。因此，风电机组的受力不仅要考虑机组承受的极限载荷。还要认真分析机组所受的交变载荷，这种交变载荷的大小在变化，方向也在变化，我们把机械零件在这种变动载荷作用下，材料内部组织逐渐发生变化和累积损伤、开裂，当裂纹扩展到一定程度后，零件发生突然断裂造成的零件破坏，称为疲劳破坏或疲劳。疲劳破坏是循环引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服强度。这种破坏常常是累积形成的，突然破坏，在破坏前，很难发现，造成的损失和危害也比较大，在机组设计时应引起高度重视。
引起疲劳破坏的因素有零件所承受的应力大小、零件本身存在的表面及内部缺陷（缺口、裂纹、组织粗大及缺陷等）。研究表明零件结构的应力集中往往是造成零件疲劳破坏的最大根源。
对于传统的承台+基础环式风电机组基础，基础环埋
图2 新型梁板式预应力锚栓基础
入混凝土中的部分是一个刚性结构，而露出部分以及整个塔筒又是一个柔性体，在基础环和混凝土基础最上面的交线，就形成了一个应力集中部位，如果基础环在这个部位材料有缺陷或承受的应力过大，就很容易在这个部位造成疲劳破坏。
那么梁板式预应力锚栓基础又是怎样的？首先，我们先分析锚栓在基础中是怎样一个情况，这种基础形式并不是将锚栓和混凝土浇筑在一起，它是由上锚板、下锚板、锚栓、PVC护管等组成，在上锚板和下锚板之间用PVC 护管将锚栓与混凝土隔离，而且要密封，浇筑过程中水不能进入到护管内，以免对锚栓造成腐蚀。当锚栓受到拉力时，锚栓的下锚板以上部分会均匀受力，整个锚栓是一个弹性体，没有弹性部分和刚性部分的界面，从而避免了应力集中。
2.3 施工方面
从图1和图2的比较可以看出，梁板式预应力锚栓基础比承台+基础环式风电机组基础在钢筋绑扎、支模板方面稍复杂些，特别是在支模板方面，模板的需求量加大，比较费工，个别位置还需准备一些定型模板。尽管如此，考虑到节省那么多材料，还改善了塔筒的受力状况，费点事也是值得的。
下面再讨论这种基础施工时应注意的几个事项。首先
是在承台式基础中埋入一段塔筒（基础环），机组安装时，将塔筒法兰和基础环法兰连接。
新型梁板式预应力锚栓基础是将原来的实体混凝土基础承台改为梁和板结合的混凝土承台，减少了混凝土的用量，中间的基础环改为了整体通长的预应力锚栓（图2）。
2 两种基础的比较分析
2.1钢筋、混凝土的用量
从上面两个图可以看出，梁板式预应力锚栓基础的混凝土用量明显比传统承台基础环式基础少得多。以我公司采用的天威风电机组为例，在相同的地质条件下，对于TW1500/82，轮毂高度70m，传统的承台+基础环需要的钢筋量为38吨左右，混凝土用量约450m 3。而新型的梁板式预应力锚栓基础钢筋用量为27吨左右，混凝土用量约270m 3。节约混凝土约40%，节约钢筋约30%，材料的节约不仅节省了投资，这些钢筋、混凝土都是通过大量消耗能源形成的，节省了材料，也就为节能减排作出了贡献。
2.2 力学分析
012年第05期 85
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是上下锚板加工时，穿锚栓的孔必须要符合图纸，尺寸准确，否则会影响塔筒的安装。上锚板必须平整，不得有死弯。其次，锚栓生产前，材料必须全部进行严格的无损探伤，成分要符合设计要求。螺纹最好采用滚丝机滚制，尽量不要采用车加工车削螺纹。热处理一定要采用吊炉，也就是将螺栓竖直挂在炉内，以防热处理过程中发生弯曲变形。热处理前，一定要进行工艺试验，取得合理的热处理工艺。热处理中必须严格按工艺进行，以确保锚栓性能。热处理后，取样试验不再赘述。有一项试验必须要做，就是每一炉都必须取2~3根锚栓，做整体拉断试验，计算锚栓的抗拉强度是否满足设计要求。这个试验的目的是检查锚栓在热处理过程中是否出现了裂纹、淬硬等缺陷。取式样试验的方式有可能在试件加工过程中取不到缺陷，或是将缺陷加工掉了。
在模板锚栓安装过程中，首先要调整好上模板的平整度，其次锚栓露出上模板的长度必须符合图纸，且高度一致。然后将锚栓与下模板连接的上下螺母拧紧，最后用PVC 管和热塑管将锚栓密封。将调整好的锚栓组件找正，用钢索从3个方向拉固。
在浇筑混凝土时，不要对锚栓组合件有过大冲击，以免使之出现位移和变形。另外，要加强振捣，由于钢筋较密，振捣不到位，会在混凝土中出现空洞或不实，影响混凝土强度。
以上是我公司在梁板式预应力锚栓基础施工过程中的体会和分析，在此与大家共享。参考文献
[1] 李宗福，张有闻，白云飞. 风力发电机塔架设计综述[J]. 低温建筑技术，
2007，4: 79-80.
[2] 沈英明, 杜彦良, 李惠军. 螺纹联接防松性能的一种测试于评价新方法
[J]. 石家庄铁道学院学报, 2002, 15(1): 16-19.
[3] 王民浩, 陈观福. 我国风力发电机组地基基础设计[J]. 水利发电, 2008,
34(11): 88－91.
[4] 中华人民共和国国家标准. GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].
北京，2002.
[5] 风电场工程技术标准. FD003-2007风电机组地基基础设计规定[S]. 北
京，2007.
作者简介
张万祥（1965- ），男，天威风电场投资有限公司副总经理，天威（大安）新能源有限公司总经理，主要负责吉林省及蒙东地区风电场项目开发工作。
86 风能
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新型风力发电机组梁板式预应力锚栓
基础应用
张万祥1， 刘洪海2，于春来2
（1.天威风电场投资有限公司，河北 保定 071030；2.天威风电科技有限公司，河北 保定 071030）
摘 要： 风力发电机组基础，直接影响着风场的可靠运行和投资成本，基础一旦出现问题，损失将以千万元计。本文介绍
的新型梁板式预应力锚栓基础，是在国外锚栓基础上进行了改进，与传统基础环基础相比，不仅节材节能，还大大改善了受力状况，能够更好地保障风电机组安全运行。
关键词：风机基础；基础环；梁板式预应力锚栓基础；应力集中；疲劳破坏；锚栓；锚板中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-9219(2012)05-0084-03
0 引言
近几年，随着大规模开发风力发电，我国已经成为全球风电装机容量第一大国和风电设备制造第一大国。截至2011年年底，中国风力发电装机容量突破62GW。在大规模开发风电场的同时，风电设备技术和风场开发技术也得到了日臻完善和发展。下面为大家介绍的是我公司在风场建设中，采用的新型风电机组基础—梁板式预应力锚栓基础，该技术的应用不仅为我公司节约了大量投资，缩短了施工工期，由于减少了混凝土和钢筋用量，还起到了节能减排的作用。
1 新型梁板式预应力锚栓基础
风电机组基础是用于固定机组的混凝土结构，它不仅要承受机组及塔筒的重量，而且要抵抗机组的最大倾覆载荷，确保机组在各种载荷下的安全运行。风电机组基础作为风电场建设的重要组成部分，不仅关系风场的安全可靠运行，还影响着风场的投资。传统的风电机组基础（图1）
图1 传统风电机组基础
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风电机组是在风的推动下生产电力。众所周知，风是不稳定的，不仅有大小的变化，还有方向的变化，紊流的影响。甚至风轮上的叶片转到不同位置，不同的时间，所经受的风的大小也不一样。这种变化有时还非常大，非常突然，这就是风电机组的运行特点。因此，风电机组的受力不仅要考虑机组承受的极限载荷。还要认真分析机组所受的交变载荷，这种交变载荷的大小在变化，方向也在变化，我们把机械零件在这种变动载荷作用下，材料内部组织逐渐发生变化和累积损伤、开裂，当裂纹扩展到一定程度后，零件发生突然断裂造成的零件破坏，称为疲劳破坏或疲劳。疲劳破坏是循环引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服强度。这种破坏常常是累积形成的，突然破坏，在破坏前，很难发现，造成的损失和危害也比较大，在机组设计时应引起高度重视。
引起疲劳破坏的因素有零件所承受的应力大小、零件本身存在的表面及内部缺陷（缺口、裂纹、组织粗大及缺陷等）。研究表明零件结构的应力集中往往是造成零件疲劳破坏的最大根源。
对于传统的承台+基础环式风电机组基础，基础环埋
图2 新型梁板式预应力锚栓基础
入混凝土中的部分是一个刚性结构，而露出部分以及整个塔筒又是一个柔性体，在基础环和混凝土基础最上面的交线，就形成了一个应力集中部位，如果基础环在这个部位材料有缺陷或承受的应力过大，就很容易在这个部位造成疲劳破坏。
那么梁板式预应力锚栓基础又是怎样的？首先，我们先分析锚栓在基础中是怎样一个情况，这种基础形式并不是将锚栓和混凝土浇筑在一起，它是由上锚板、下锚板、锚栓、PVC护管等组成，在上锚板和下锚板之间用PVC 护管将锚栓与混凝土隔离，而且要密封，浇筑过程中水不能进入到护管内，以免对锚栓造成腐蚀。当锚栓受到拉力时，锚栓的下锚板以上部分会均匀受力，整个锚栓是一个弹性体，没有弹性部分和刚性部分的界面，从而避免了应力集中。
2.3 施工方面
从图1和图2的比较可以看出，梁板式预应力锚栓基础比承台+基础环式风电机组基础在钢筋绑扎、支模板方面稍复杂些，特别是在支模板方面，模板的需求量加大，比较费工，个别位置还需准备一些定型模板。尽管如此，考虑到节省那么多材料，还改善了塔筒的受力状况，费点事也是值得的。
下面再讨论这种基础施工时应注意的几个事项。首先
是在承台式基础中埋入一段塔筒（基础环），机组安装时，将塔筒法兰和基础环法兰连接。
新型梁板式预应力锚栓基础是将原来的实体混凝土基础承台改为梁和板结合的混凝土承台，减少了混凝土的用量，中间的基础环改为了整体通长的预应力锚栓（图2）。
2 两种基础的比较分析
2.1钢筋、混凝土的用量
从上面两个图可以看出，梁板式预应力锚栓基础的混凝土用量明显比传统承台基础环式基础少得多。以我公司采用的天威风电机组为例，在相同的地质条件下，对于TW1500/82，轮毂高度70m，传统的承台+基础环需要的钢筋量为38吨左右，混凝土用量约450m 3。而新型的梁板式预应力锚栓基础钢筋用量为27吨左右，混凝土用量约270m 3。节约混凝土约40%，节约钢筋约30%，材料的节约不仅节省了投资，这些钢筋、混凝土都是通过大量消耗能源形成的，节省了材料，也就为节能减排作出了贡献。
2.2 力学分析
012年第05期 85
技术 | Technology
是上下锚板加工时，穿锚栓的孔必须要符合图纸，尺寸准确，否则会影响塔筒的安装。上锚板必须平整，不得有死弯。其次，锚栓生产前，材料必须全部进行严格的无损探伤，成分要符合设计要求。螺纹最好采用滚丝机滚制，尽量不要采用车加工车削螺纹。热处理一定要采用吊炉，也就是将螺栓竖直挂在炉内，以防热处理过程中发生弯曲变形。热处理前，一定要进行工艺试验，取得合理的热处理工艺。热处理中必须严格按工艺进行，以确保锚栓性能。热处理后，取样试验不再赘述。有一项试验必须要做，就是每一炉都必须取2~3根锚栓，做整体拉断试验，计算锚栓的抗拉强度是否满足设计要求。这个试验的目的是检查锚栓在热处理过程中是否出现了裂纹、淬硬等缺陷。取式样试验的方式有可能在试件加工过程中取不到缺陷，或是将缺陷加工掉了。
在模板锚栓安装过程中，首先要调整好上模板的平整度，其次锚栓露出上模板的长度必须符合图纸，且高度一致。然后将锚栓与下模板连接的上下螺母拧紧，最后用PVC 管和热塑管将锚栓密封。将调整好的锚栓组件找正，用钢索从3个方向拉固。
在浇筑混凝土时，不要对锚栓组合件有过大冲击，以免使之出现位移和变形。另外，要加强振捣，由于钢筋较密，振捣不到位，会在混凝土中出现空洞或不实，影响混凝土强度。
以上是我公司在梁板式预应力锚栓基础施工过程中的体会和分析，在此与大家共享。参考文献
[1] 李宗福，张有闻，白云飞. 风力发电机塔架设计综述[J]. 低温建筑技术，
2007，4: 79-80.
[2] 沈英明, 杜彦良, 李惠军. 螺纹联接防松性能的一种测试于评价新方法
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[3] 王民浩, 陈观福. 我国风力发电机组地基基础设计[J]. 水利发电, 2008,
34(11): 88－91.
[4] 中华人民共和国国家标准. GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].
北京，2002.
[5] 风电场工程技术标准. FD003-2007风电机组地基基础设计规定[S]. 北
京，2007.
作者简介
张万祥（1965- ），男，天威风电场投资有限公司副总经理，天威（大安）新能源有限公司总经理，主要负责吉林省及蒙东地区风电场项目开发工作。
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