海上测风塔基础设计：正常使用极限状态

海上测风塔基础结构设计中，按地基承载力确定重力式基础的底面积及埋深或按单桩承载力（水平、抗拔与承压）确定基础桩数时，传至基础或基底上的作用效应应按正常使用极限状态下作用的标准组合，相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。计算地基变形时，基底上的作用效应按正常使用极限状态下作用的准永久组合，相应的限值应为地基变形容许值。当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下作用的标准组合或准永久组合。

1.桩基承载力验算

对于轴心竖向力作用下的测风塔群桩基础，对应的桩顶作用效应为[6]

式中 Fk——非自重荷载效应标准组合下，作用于泥面标高处桩基的竖向力标准值；

Gk——桩基与结构自重标准值，对水位以下部分扣除水的浮力；

Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，第i根桩的平均竖向力；

n——群桩基础的桩数。

对于偏心竖向力作用下的测风塔群桩基础，桩顶作用效应为

式中 Mxk、Myk——荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，作用于泥面标高处且通过桩群形心的x、y主轴的合力矩标准值；

xi、xj、yi、yj——第i、j根桩至y轴、x轴的距离。

式（5-10）是根据基础刚性假定而得出的计算表达式，当测风塔基础处于海水中的高度较大时通常并不满足刚性基础假定条件，此时应结合基础结构三维分析来确定各桩在泥面处的桩顶荷载。

（1）桩基竖向承载力计算应符合以下要求：

1）轴心竖向力作用下，有

2）偏心竖向力作用下除满足式（5-11）外，还应满足

式中 Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，泥面处桩的平均竖向力；

Nkmax——荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，泥面处桩顶最大竖向力；

Ra——桩的竖向承载力特征值。

（2）考虑地震作用效应和荷载效应标准组合时桩基竖向承载力计算应符合以下要求：

1）轴心竖向力作用下，有

2）偏心竖向力作用下，除满足式（5-13）外，还应满足

式中 NEk——地震作用效应和荷载效应标准组合下，泥面处桩的平均竖向力；

NEkmax——地震作用效应和荷载效应标准组合下，泥面处桩的最大竖向力。

（3）鉴于海上测风塔结构特定的受力模式（水平力、倾覆力矩大）这一特点，基础布置时桩间距较大，基础抗拔状态验算时往往由非整体破坏来控制，而不由群桩整体上拔来控制。对于承受拔力的测风塔基础，应验算群桩呈非整体破坏时桩的抗拔承载力，计算应符合极限状态计算表达式，即

式中 Nk——荷载效应标准组合下，桩的拔力；

Tuk——群桩呈非整体破坏时桩的抗拔极限承载力标准值；

Gp——桩自重，水位以下取浮重度。

与式（5-11）相对应，式（5-15）可进一步表达为当荷载标准组合中扣除了桩基自重后，桩基抗拔承载力计算应符合

式中 Rta——单桩抗拔承载力特征值。

（4）当考虑地震作用效应和荷载效应标准组合时桩基抗拔承载力计算应符合

式中 NEk——地震作用效应和荷载效应标准组合下单桩的上拔荷载；

Rta——考虑地震液化效应影响后的单桩抗拔承载力特征值。

（5）群桩中桩顶受力应考虑荷载效应的标准组合，水平力作用下单桩的水平受力为

式中 Hk——荷载效应标准组合下，作用于群桩桩顶的水平力；Hik——荷载效应标准组合下，作用于第i根桩的水平力；

n——桩基中桩数。

式（5-18）是根据基础刚性假定而得出的计算表达式，当测风塔基础处于海水中的高度较大时通常并不满足刚性基础假定条件，此时应结合基础结构三维分析来确定各桩在泥面处的桩顶水平荷载，并取群桩中各桩的最大值来进行验算。(www.xing528.com)

1）水平力荷载作用下，桩基水平承载力计算应符合

式中 Hik——荷载效应标准组合下，作用于第i根桩泥面处的水平力；

Rh——桩的水平承载力特征值。

2）水平力荷载作用下，考虑地震作用效应和荷载效应标准组合时桩基水平承载力计算应符合

式中 HEik——地震作用效应和荷载效应标准组合下，作用于第i根桩泥面处的水平力；

Rh——考虑地震液化效应影响后桩的水平承载力特征值。

2.基础结构变形

对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按照设计表达式进行设计，即

式中 C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值。

海上测风塔结构变形应满足两部分要求，第一部分为塔架结构的变形要求，第二部分为基础结构的变形要求。根据结构对象归类方法的不同，塔架结构的定义也不同。一种分类方法为将测风塔厂家提供的塔架单独定义为塔架结构；另一种分类方法为将泥面以上的所有结构定义为塔架结构。这在验算塔架结构变形要求时是需要引起注意的事项。

（1）塔架结构位移要求。根据GB 50135—2006，高耸结构在以风为主的荷载标准组合及以地震作用为主的荷载标准组合下的水平位移，不得大于表5-5的规定。除此之外，塔架结构位移还应满足测风仪器或设备为保障测量精度而对结构位移的特殊要求。

表5-5　高耸结构水平位移限值

注：1.Δu为水平位移（与分母代表的高度对应）。
2.Δu′为纤绳层间水平位移差（与分母代表的高度对应）。
3.H为总高度。
4.h为纤绳之间距。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定，对于多遇地震作用下的抗震变形验算，多、高层钢结构的弹性层间位移角θe的限值为1/250。抗震变形应验算为

式中 Δue——多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移，计算时除以弯曲变形为主的超高建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形，但应计入扭转变形，各作用分项系数均应采用1.0；

h——计算层高；

[θe]——弹性层间位移角限值，宜按表5-6采用。

表5-6　弹性层间位移角限值

（2）基础变形要求。在基础沉降和倾斜方面，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），高耸结构桩基沉降变形容许值，应按表5-7规定采用。

表5-7　建筑高耸结构桩基沉降变形容许值

注：Hg为自室外地面算起的建筑物高度。

根据FD 003—2007，地基变形容许值可按表5-8的规定采用。

表5-8　风电机组地基变形容许值

注：倾斜率系指基础倾斜方向实际受压区域两边缘的沉降差与其距离的比值，计算方法为tanθ=（s1-s2）/bs；s1、s2为基础倾斜方向实际受压区域两边缘的最终沉降值；bs为基础倾斜方向实际受压区域的宽度。

通过对比表5-7和表5-8中的沉降与倾斜控制标准，后者关于风电机组地基变形的控制标准相对严格，海上测风塔基础变形控制标准可结合实际情况在两者之间进行选择。

3.混凝土结构裂缝

当海上测风塔采用钢筋混凝土承台结构时还应考虑混凝土结构裂缝的控制标准。对于严格要求不出现裂缝的构件，裂缝控制等级应按一级考虑，按照标准组合进行计算，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力[7]，即

式中 σck——荷载标准组合下抗裂验算边缘混凝土法向应力；

σpc——扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力。

一般要求不出现裂缝的构件，裂缝控制等级应按二级，按准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；按照标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力应满足

式中 ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值。

容许出现裂缝的构件，裂缝控制等级应按三级，一般钢筋混凝土构件按准永久荷载进行裂缝控制计算，预应力混凝土构件按标准组合进行裂缝控制计算，其最大裂缝宽度不应超过规定的限值。根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151—2011），非预应力钢筋混凝土结构裂缝控制等级与最大裂缝宽度限值如表5-9所示。

表5-9　基础混凝土结构最大裂缝宽度限值（Wmax）

对于海上测风塔结构物一般可采用三级裂缝控制等级来设计，当有特殊的更高要求时可选用二级裂缝控制等级。