风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法

权利要求书： 1.一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：(a)针对管桩、桩身配筋率ρg≥0.65％的灌注桩，求出桩身抗弯刚度EI、桩径d、计算宽度b0以及风机正常运行工况下单桩桩顶处的水平力Hik，采用EXCEL对桩顶水平位移系数νx与桩换算埋深αh进行数据拟合,具体为：首先将αh、νx的数据对应输入EXCEL表格中A、B两列，插入散点图，选中A、B列中数据分别为X、Y轴值，在散点图上右击数据，选择添加趋势线，并根据拟合度R情况调整趋势线的类型：

2

当风机基桩桩顶为铰接、自由时，拟合度R＝0.9999：2

当风机基桩桩顶为固结时，拟合度R＝0.9997：(b)设风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m0，求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0，具体为：设风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m0，根据规范公式求解α、νx及Rha：Rha为规范中关于单桩水平承载力特征值的通用符号，其中α、m为变量，风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗力系数的比例系数分别记为Rha0、α0、m0，静载试验工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗力系数的比例系数分别记为Rha1、α1、m1，风机基桩桩顶允许水平位移χ0a取值6mm，以m0代替m，并代入公式(3)、公式(4)、公式(1)、公式(2)，求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0及桩水平变形系数α0，由于h、b0、EI为已知确定值，令其中k1、k2为常数：

当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m0替代m，并代入公式(1)、公式(3)、公式(4)：当风机基桩桩顶为固结时，以m0替代m，并代入公式(2)、公式(3)、公式(4)：其中，αh为桩的换算埋深，为变量；α0h为风机正常运行工况下的换算埋深，即以α0代替α；

(c)令风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，得出风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0，具体为：令Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，可得出含变量m0的一元多次方程：当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把Rha0＝Hik代入公式(5)求得：当风机基桩桩顶为固结时，把Rha0＝Hik代入公式(6)求得：上述方程均为含变量m0的一元多次方程，采用EXCEL求解，把方程中 的系数及常数项依次输入到EXCEL单元格A1、B1、C1、D1中，设置E1为存放变量m0结果的单元格，在F1单元格中输入公式(7)或公式(8)中的一元多次方程式等号左边部分，即在F1单元格中

0.6 0.4 0.2

输入公式：＝A1·E1 +B1·E1 +C1·E1 +D1，在EXCEL中点击“单变量求解”选项，把“目标单元格”设置为F1、“目标值”设置为方程式等号右边值0、“可变单元格”设置为存放变量结果的单元格E1，得出风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0；

(d)根据静载试验工况与风机正常运行工况的关系，求出静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m1＝m0/0.4，静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数是风机正常运行工况下的1/0.4倍，即m1＝m0/0.4＝2.5m0；

(e)当风机桩顶允许水平位移χ0a＝6mm时，求出静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1，最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min＝Rha1/0.75；以步骤(d)中求出的m1代替变量m，当风机基桩桩顶为铰接、自由时，代入公式(3)、公式(4)、公式(1)或者公式(2)，当风机基桩桩顶为固结时，得出静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1及α1，当风机基桩桩顶为铰接、自由时与公式(5)联立，当风机基桩桩顶为固结时与公式(6)联立，同时根据步骤(a)中拟合公式(1)或者公式(2)函数与变量的关系，得出含Rha0的、静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1值：

当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m1替代m，并代入公式(1)、(3)、(4)，同时与公式(5)比较，得出：

当风机基桩桩顶为固结时，以m1替代m，并代入公式(2)、(3)、(4)，同时与公式(6)比较，得出：

最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min：F1,min＝Rha1/0.75：当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把公式(9)代入F1,min公式，得：当风机基桩桩顶为固结时，把公式(10)代入F1,min公式，得：

说明书： 一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法技术领域[0001] 本发明属于风电场风机试桩设计领域，涉及一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法。

背景技术[0002] 随着风电场采用的风机轮毂越来越高、叶轮直径越来越大，风机基础设计要求也越来越高，作为为风机基础设计提供试验依据的单桩水平静载试验，在静载试验工况前水

平加载力的计算合理性，成了影响相关单位配备试验设备、试验方法以及后期风机基础设

计、安全运行的重要因素之一。目前风机基桩强度、刚度较好，主要考虑的是桩侧土的水平

位移过大破坏，常规的做法是在静载试验工况前，当桩顶水平位移χ0a＝6mm时，根据桩侧土

类别估算桩侧土水平抗力系数，然后根据规范求出单桩水平承载力特征值，最后以水平承

载力特征值的(1/0.75)倍作为单桩水平静载试验下的水平加载力。这种方法缺点是忽视了

静载试验工况与风机正常运行工况下桩侧土水平抗力的差异，单桩静载试验时单桩所受的

水平加载力是短期的荷载，而风机正常运行工况下作用在单桩上的水平荷载为长期、经常

出现的荷载，这两种工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数差异较大，后者桩侧土水平抗

力系数m0是前者m1的40％，从而导致单桩水平静载试验时水平承载力满足要求、但在风机正

常运行工况下水平承载力并不一定满足要求的后果，这是严重影响风机安全运行的重要因

素之一。同时规范中给出的桩侧土水平抗力系数是一个范围值，取值不准确也将导致单桩

水平加载力的计算偏差较大。

[0003] 因此，能否合理的计算静载试验时单桩水平加载力，直接影响到静载试验设备的准备、风机基础的设计及后期的安全运行。

发明内容[0004] 本发明为合理的计算静载试验时单桩水平加载力，提供了一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法。

[0005] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：[0006] 一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法，包括如下步骤：[0007] (a)针对管桩、桩身配筋率ρg≥0.65％的灌注桩，求出桩身抗弯刚度EI、桩径d、计算宽度b0以及风机正常运行工况下单桩桩顶处的水平力Hik，采用EXCEL对桩顶水平位移系

数νx与桩换算埋深αh进行数据拟合,具体为：首先将αh、νx的数据对应输入EXCEL表格中A、B

两列，插入散点图，选中A、B列中数据分别为X、Y轴值，在散点图上右击数据，选择添加趋势

线，并根据拟合度R情况调整趋势线的类型：

[0008] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，拟合度R2＝0.9999：[0009][0010] 当风机基桩桩顶为固结时，拟合度R2＝0.9997：[0011][0012] (b)设风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m0，求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0，具体为：设风机正常运行工况下桩侧

土水平抗力系数的比例系数为m0，根据规范公式求解α、νx及Rha：

[0013][0014][0015] Rha为规范中关于单桩水平承载力特征值的通用符号，其中α、m为变量。风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗力系数的比例系数分别

记为Rha0、α0、m0，静载试验工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗

力系数的比例系数分别记为Rha1、α1、m1，风机基桩桩顶允许水平位移χ0a取值6mm，以m0代替m，

并代入公式(3)、公式(4)、公式(1)、公式(2)，求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水

平承载力特征值Rha0及桩水平变形系数α0，由于h、b0、EI为已知确定值，令

其中k1、k2为常数：

[0016] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m0替代m，并代入公式(1)、公式(3)、公式(4)：[0017][0018] 当风机基桩桩顶为固结时，以m0替代m，并代入公式(2)、公式(3)、公式(4)：[0019][0020] 其中，αh为桩的换算埋深，为变量；α0h为风机正常运行工况下的换算埋深，即以α0代替α；

[0021] (c)令风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，得出风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0，具体为：令

Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，可得出含变量m0的一元多次方程：

[0022] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把Rha0＝Hik代入公式(5)求得：[0023][0024] 当风机基桩桩顶为固结时，把Rha0＝Hik代入公式(6)求得：[0025][0026] 上述方程均为含变量m0的一元多次方程，采用EXCEL求解，把方程中的系数及常数项依次输入到EXCEL单元格A1、B1、C1、D1中，设置E1为存放变量m0结果的

单元格，在F1单元格中输入公式(7)或公式(8)中的一元多次方程式等号左边部分，即在F1

0.6 0.4 0.2

单元格中输入公式：＝A1·E1 +B1·E1 +C1·E1 +D1，在EXCEL中点击“单变量求解”选

项，把“目标单元格”设置为F1、“目标值”设置为方程式等号右边值0、“可变单元格”设置为

存放变量结果的单元格E1，得出风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0；

[0027] (d)根据静载试验工况与风机正常运行工况的关系，求出静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m1＝m0/0.4，静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数

是风机正常运行工况下的1/0.4倍，即m1＝m0/0.4＝2.5m0；

[0028] (e)当风机桩顶允许水平位移χ0a＝6mm时，求出静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1，最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min＝Rha1/0.75；以步骤(d)中

求出的m1代替变量m，当风机基桩桩顶为铰接、自由时，代入公式(3)、公式(4)、公式(1)或者

公式(2)，当风机基桩桩顶为固结时，得出静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1及α1，

当风机基桩桩顶为铰接、自由时与公式(5)联立，当风机基桩桩顶为固结时与公式(6)联立，

同时根据步骤(a)中拟合公式(1)或者公式(2)函数与变量的关系，得出含Rha0的、静载试验

工况下单桩水平承载力特征值Rha1值：

[0029] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m1替代m，并代入公式(1)、(3)、(4)，同时与公式(5)比较，得出：

[0030][0031] 当风机基桩桩顶为固结时，以m1替代m，并代入公式(2)、(3)、(4)，同时与公式(6)比较，得出：

[0032][0033] 最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min：F1,min＝Rha1/0.75：[0034] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把公式(9)代入F1,min公式，得：[0035][0036] 当风机基桩桩顶为固结时，把公式(10)代入F1,min公式，得：[0037][0038] 上述方程均为含变量m0的一元多次方程，采用EXCEL求解，把方程中的系数及常数项依次输入到EXCEL单元格A1、B1、C1、D1中，设置E1为存放变量m0结果的

单元格，在F1单元格中输入公式(7)或(8)中的一元多次方程式等号左边部分，即在F1单元

0.6 0.4 0.2

格中输入公式：＝A1·E1 +B1·E1 +C1·E1 +D1，在EXCEL中点击“单变量求解”选项，把

“目标单元格”设置为F1、“目标值”设置为方程式等号右边值0、“可变单元格”设置为存放变

量结果的单元格E1，得出风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0。

[0039] 进一步的，步骤(d)具体为：[0040] 根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94?2008)表5.7.5注2，静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数是风机正常运行工况下的1/0.4倍，即m1＝m0/0.4＝2.5m0。

[0041] 进一步的，步骤(e)具体为：[0042] 以步骤(d)中求出的m1代替变量m，并代入公式(3)、公式(4)、公式(1)(当风机基桩桩顶为铰接、自由时)或者公式(2)(当风机基桩桩顶为固结时)，得出静载试验工况下单桩

水平承载力特征值Rha1及α1，与公式(5)(当风机基桩桩顶为铰接、自由时)或(6)(当风机基

桩桩顶为固结时)联立，同时根据步骤(a)中拟合公式(1)/(2)函数与变量的关系，得出含

Rha0的、静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1值：

[0043] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m1替代m，并代入公式(1)、(3)、(4)，同时与公式(5)比较，得出：

[0044][0045] 当风机基桩桩顶为固结时，以m1替代m，并代入公式(2)、(3)、(4)，同时与公式(6)比较，得出：

[0046][0047] 最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min：F1,min＝Rha1/0.75：[0048] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把公式(9)代入F1,min公式，得：[0049][0050] 当风机基桩桩顶为固结时，把公式(10)代入F1,min公式，得：[0051][0052] 本发明的有益效果为：[0053] 本发明考虑了静载试验工况与风机正常运行工况下桩侧土水平抗力的差异，为风机基桩静载试验时准备水平加载力提供重要依据。该方法利用单桩水平承载力特征值Rha取

下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，来直接求解桩侧土水平抗力系数的比例系数m，

不仅避免了按照规范对m取值可能带来的不精确，同时也避免了在考虑静载试验工况与风

机正常运行工况下变量m之间倍数关系时的进一步放大效应，更利于风机基础设计及后期

的安全运行。同时采用了EXCEL对计算进行数据拟合和方程式求解，免去了手工计算的麻

烦，方法过程简单，容易实现。

附图说明[0054] 图1是本发明之风机基础单桩水平静载试验布置图。[0055] 附图标记说明：[0056] 1?受力前的基桩、2?水平作用力、3?原状土、4?桩长h、5?桩径d、6?受力后的基桩。具体实施方式[0057] 下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

[0058] 一种风机静载试验时单桩水平加载力的计算方法，包括如下步骤：[0059] (a)针对管桩、桩身配筋率ρg≥0.65％的灌注桩，求出桩身抗弯刚度EI、桩径d、计算宽度b0以及风机正常运行工况下单桩桩顶处的水平力Hik，采用EXCEL对《建筑桩基技术规

范》(JGJ94?2008)中桩顶水平位移系数νx与桩换算埋深αh进行数据拟合；

[0060] 首先将《建筑桩基技术规范》(JGJ94?2008)中αh、νx的数据对应输入EXCEL表格中A、B两列，插入散点图，选中A、B列中数据分别为X、Y轴值，在散点图上右击数据，选择添加趋

势线，并根据拟合度R情况调整趋势线的类型：

[0061] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，拟合度R2＝0.9999：[0062][0063] 当风机基桩桩顶为固结时，拟合度R2＝0.9997：[0064][0065] (b)设风机正常运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m0，代入步骤(a)的数据拟合公式，当风机基桩桩顶允许水平位移χ0a取值6mm(风机对水平位移敏感)时，根据规

范求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0；

[0066] 根据规范公式求解α、νx及Rha，[0067][0068][0069] Rha为规范中关于单桩水平承载力特征值的通用符号，其中α、m为变量。风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗力系数的比例系数分别

记为Rha0、α0、m0，静载试验工况下单桩水平承载力特征值、桩水平变形系数及桩侧土水平抗

力系数的比例系数分别记为Rha1、α1、m1。风机基桩桩顶允许水平位移χ0a取值6mm，以m0代替m，

并代入公式(3)、公式(4)、公式(1)或者(2)，求出含变量m0的、风机正常运行工况下单桩水

平承载力特征值Rha0及桩水平变形系数α0，由于h、b0、EI为已知确定值，令

其中k1、k2为常数：

[0070] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m0替代m，并代入公式(1)、公式(3)、公式(4)，联立公式求得：

[0071][0072] 当风机基桩桩顶为固结时，以m0替代m，并代入公式(2)、公式(3)、公式(4)，联立公式求得：

[0073][0074] 其中，αh为桩的换算埋深，为变量；α0h为风机正常运行工况下的换算埋深，即以α0代替α。

[0075] (c)令风机正常运行工况下单桩水平承载力特征值Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，采用EXCEL求解含有变量的方程式，得出风机正常运行工况下桩侧土水平

抗力系数的比例系数m0；

[0076] 令Rha0取下限值，即作用于单桩桩顶处的水平力Hik，可得出含有变量m0的一元多次方程：

[0077] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把Rha0＝Hik，代入公式(5)求得：[0078][0079] 当风机基桩桩顶为固结时，把Rha0＝Hik，代入公式(6)求得：[0080][0081] 上述方程均为含有变量m0的一元多次方程，采用EXCEL求解，把方程中的系数及常数项依次输入到EXCEL单元格A1、B1、C1、D1中，设置E1为存放变量m0

结果的单元格，在F1单元格中输入公式(7)或(8)中的一元多次方程式等号左边部分，即在

0.6 0.4 0.2

F1单元格中输入公式：＝A1·E1 +B1·E1 +C1·E1 +D1，打开EXCEL工具菜单栏中的“数

据”选项下的“模拟分析”选项下的“单变量求解”选项，把“目标单元格”设置为F1、“目标值”

设置为方程式等号右边值0、“可变单元格”设置为存放变量结果的单元格E1，点击确定后

EXCEL会自动计算方程式并把变量m0的计算结果自动输入到E1单元格中，即得出风机正常

运行工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数m0。

[0082] (d)根据静载试验工况与风机正常运行工况的关系，求出静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数为m1＝m0/0.4；

[0083] 根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94?2008)表5.7.5注2，静载试验工况下桩侧土水平抗力系数的比例系数是风机正常运行工况下的1/0.4倍，即m1＝m0/0.4＝2.5m0。

[0084] (e)根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94?2008)且当风机桩顶允许水平位移χ0a＝6mm时，求出静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1，最后得出静载试验工况下单桩水平加

载力下限值F1,min＝Rha1/0.75

[0085] 以步骤(d)中求出的m1代替变量m，并代入公式(3)、公式(4)、公式(1)(当风机基桩桩顶为铰接、自由时)或者公式(2)(当风机基桩桩顶为固结时)，得出静载试验工况下单桩

水平承载力特征值Rha1及α1，与公式(5)(当风机基桩桩顶为铰接、自由时)或(6)(当风机基

桩桩顶为固结时)联立，同时根据步骤(a)中拟合公式(1)/(2)函数与变量的关系，得出含

Rha0的、静载试验工况下单桩水平承载力特征值Rha1值：

[0086] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，以m1替代m，并代入公式(1)、(3)、(4)，同时与公式(5)比较，得出：

[0087][0088] 当风机基桩桩顶为固结时，以m1替代m，并代入公式(2)、(3)、(4)，同时与公式(6)比较，得出：

[0089][0090] 最后得出静载试验工况下单桩水平加载力下限值F1,min＝Rha1/0.75：[0091] 当风机基桩桩顶为铰接、自由时，把公式(9)代入F1,min公式，得：[0092][0093] 当风机基桩桩顶为固结时，把公式(10)代入F1,min公式，得：[0094][0095] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应

视为本发明的保护范围。