风力发电场风机基础预埋螺栓和法兰

风力发电机钢制塔筒是通过在基础混凝土内的预

埋构件来和基础连接固定的。通常的预埋结构件有基

础环和地脚螺栓两种。基础环安装简单，调平步骤容

易，所以在中小功率风电机组中，这种预埋方法被大多

数风机厂商采用。地脚螺栓是风力发电机组基础中受

力较为合理的一种基础预埋结构形式。预埋在基础混

凝土内部的地脚螺栓一直伸入到基础承台的下表面，

地脚螺栓通过外面的螺栓套管与混凝土隔离开。当基

础承受来自塔筒传递的偏心弯矩时( e > b /6)，基础顶

面一侧受拉一侧受压。地脚螺栓将拉力传递到基础底

面，而压力由基础顶面混凝土传递到整个基础承台。

采用预埋地脚螺栓的结构形式，可以使基础设计埋深

变化更为灵活，不会造成像预埋基础环那样因为调整

基础埋深而牺牲结构受力合理性，且必须要配置大量

钢筋满足受力要求。现阶段风力发电机功率迅速提

高，各个风机厂商都相继推出了3，5，6MW 的风机样

机，更大功率的风机也在研制当中。随着风机功率的

提高，风机的载荷也成倍增长。华锐风电3MW 110m

的风机塔筒底部法兰直径已近达超过5m，塔筒底部载

荷的极限弯矩已经达到16 万kN·m，而5MW 110m 海

上风机塔筒底部载荷的极限弯矩接近22 万kN·m。

风机载荷的增大，带来了风机基础承台体量的增大，地

脚螺栓基础的优势开始显著提高。采用预埋地脚螺栓

比预埋基础环的风机基础，能在一定程度上节约钢筋

和混凝土用量。另外，采用预埋地脚螺栓基础，可以在

一定程度上减小塔筒根部筒身的直径，缓解塔筒的运

输难题。如图1 所示。

1 问题分析及措施

地脚螺栓基础施工过程中常见的质量问题主要

有:①螺栓定位不准螺栓定位不准最直接的影响是

塔筒吊装，由于螺栓错位严重，致使塔筒起吊后法兰螺

栓孔对孔困难，延误吊装。对于错位不严重的螺栓虽

然可以采用人工纠偏的方法进行补救，但是由于螺栓

和螺栓孔产生了较大的机械摩擦力，给螺栓受力造成

隐患。对于错位严重的螺栓，基础只能做报废处理，此

案例屡见不鲜。②螺栓套管漏浆按照地脚螺栓受力

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模型，地脚螺栓应将塔筒传递来的拉力一直传递到基

础混凝土底部，因此地脚螺栓通长都应当与基础混凝

土隔离开。一旦地脚螺栓漏浆，尤其是螺栓上下套管

漏浆，螺栓将在该部位产生预应力损失，在风机运转过

程中，该部位会承受不应当承受的作用力，一旦超过混

凝土的抗拉强度，该部位会发生裂缝，进而影响基础的

结构安全。由于这一问题一般不容易被发现，所以更

应当引起足够的重视。③灌浆层地脚螺栓基础都在

塔筒法兰下部设置灌浆层，以承担塔筒传来的疲劳载

荷。灌浆层在施工中很容易出现基层吸水不饱和致使

灌浆料中的水分被吸走影响灌浆层的强度。另外，灌

浆层成品保护问题，一旦出现缺棱掉角，采用修补的办

法是不能满足技术要求的，严重的缺棱掉角必须将全

部灌浆层凿除后重新灌浆。

2 技术措施

1)地脚螺栓的二次调平设计

作为高耸结构的风机基础，其基础预埋件水平度

的微小误差，都会被塔筒放大，使塔筒顶端产生很大的

水平位移。而塔筒的垂直度将直接影响其上部风电机

组的运转性能和使用寿命，高精度的下部支撑结构，将

明显降低风机偏航、变浆的故障次数，从而提高风电场

的风机利用小时数，增加发电量。风机厂家对基础预

埋件水平度的要求很高，大多在1 /1 000 以内，也就是

3mm 左右。但是在基础施工过程中，由于地基不均匀

沉降、施工操作等问题，经常会出现基础预埋件水平度

超差问题。鉴于此，地脚螺栓锚固系统设计了二次调

平装置，也就是在基础承台混凝土施工完毕之后，还有

一次精确调平的机会，即便之前的水平度已经处于允

许范围内，也可以通过二次调平将水平度提到一个更

高水平。具体方法是在锚固法兰下方设置一次调平螺

栓，在垫板法兰下方设置二次精平螺丝，在灌浆层施工

过程中完成垫板法兰的二次调平。如图2 所示。

2)采用模板法兰配合对心螺母对地脚螺栓进行准

确定位

由于地脚螺栓数量众多，华锐风电3MW 110m 塔

筒的预埋地脚螺栓数量为160 个。为使塔筒能够顺利

吊装，每个预埋螺栓都应当在其位置上准确定位。以

往项目通过垫板法兰来定位螺栓，由于垫板法兰的螺

栓孔直径(66mm) 比地脚螺栓直径(56mm) 大，所以定

位效果不很理想。为此，专门加工一套模板法兰，模板

法兰的螺栓孔(59mm) 较垫板法兰小，再配合对心螺

母，安装后螺栓定位精度大幅提升，塔筒吊装工作效率

也相应提高。模板法兰只是用于地脚螺栓的地位安

装，承台浇筑完毕之后就可以拆卸下来，拿到下一个基

础使用，所以每个风电场根据施工组织设计，加工2 ～

4 套即可，对于相同风机机型的风电场，模板法兰是通

用的，摊销成本不大。此外，模板法兰安装高度应尽量

高，以不影响其下部混凝土振捣以及灌浆槽留设。

3)地脚螺栓套管密封

地脚螺栓套管可采用PP-R 管，套管内径应较地脚

螺栓直径大4 ～ 5mm。由于下料误差，每根螺栓套管很

难保证严丝无缝的与其两端的法兰面顶实。这样在浇

筑混凝土过程中，水泥浆不能避免地漏到螺栓套管与

螺栓之间的空隙内，致使螺栓在施加预应力时产生预

应力损失，影响螺栓受力性能。为此，在螺栓两端增设

热缩管，热缩管可以在地脚螺栓锚固系统安装完毕后

再热缩固定，将螺栓和混凝土完全隔离开来。

4)留设灌浆槽

华锐风电地脚螺栓基础灌浆料采用的是PAGEL

公司的V1 /60HF 超高强灌浆料，强度等级C90 /105，强

度指标如下:①24h 抗压强度fck≥75N/mm2;②3d 抗压

强度fck≥80N/mm2;③7d 抗压强度fck≥90N/mm2;④

2 8 d抗压强度fck≥100N / mm2 ;⑤90 d抗压强度fck≥

110N/mm2。

对于高强灌浆料来说，加水量必须精确计量的，尤

其是超高强灌浆料，加水量的准确性将直接影响灌浆

层的质量。配置灌浆料除了精确计量加水量外，还应

保证拌制好的灌浆料的水分不被基层混凝土吸走。所

以灌浆层施工前应当提前24h 将混凝土基层浸水湿

润，灌浆前1h，用海绵吸干灌浆槽内的明水，以保证混

凝土吸水饱和，不再从灌浆料中吸收水分。以往灌浆

层都是出于混凝土表面之上，浇水湿润基层时，水都从

模板缝隙渗漏，根本无法保证混凝土吸水饱和。另外，

外漏的灌浆层的成品保护也比较困难，很容易受到磕

碰而出现缺棱掉角的想象，严重影响灌浆层的施工质

量。鉴于此，设计出了下卧式灌浆层，也就是在混凝土

承台浇筑时，预留灌浆槽。这样灌浆层的基层混凝土

浇水湿润变得简单易行，只需在灌浆槽内蓄水即可，大

大降低了工人劳动强度，也节约施工用水。此外，采用

下卧灌浆层省去了支设灌浆模板的工序，由于灌浆层

是“镶嵌”在混凝土承台上的，从而杜绝了灌浆层缺棱

掉角的质量通病。

图1 地脚螺栓基础剖面

图2 地脚螺栓安装

图3 模板法兰示意