風電機組基礎環受力分析

雍飛，胥勇，叢歐

（北京金風科創風電設備有限公司，北京100176）

0 引言

風電機組基礎承受巨大的彎矩作用。作為承受和傳遞巨大彎矩的基礎環，在基礎設計時應驗算其抗拔承載能力、抗彎承載力以及抗沖切等作用。基礎環底部混凝土的厚度、基礎環底法蘭上部混凝土的厚度以及鋼筋的布置，對基礎環式基礎的安全性均有重要的影響。《風電機組地基基礎設計規定》（試行）[1]FD003－2007第5.0.9款要求：“應對制造商提出的基礎環與基礎的連接設計進行復核”。目前，國內規范尚無復核基礎環承載能力的工程算法[2]。實際工程中存在許多因基礎環整體被拔出而導致結構破壞的事故。加強對基礎環受力性能的研究，意義重大。本文采用有限元分析方法，研究了基礎環的承載能力、基礎環和基礎的相互作用，以及基礎環與基礎的連接強度等問題，為后續工程設計提供有意義的參考。

1 研究案例

某實際工程，采用機型為xx87/1500－75m，III類風區，其載荷如下：

表1 1500KW風電機組75m塔架極限載荷（III類風區）

表2 1500KW風電機組75m正常發電工況（III類風區）

結構設計使用年限為25年，安全等級為二級，丙類，6度設防，設計基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅰ類，采用C35混凝土，最大水灰比為0.5，最大氯離子含量為0.15%，最大堿含量為3.0kg/m3，鋼筋為：HRB335和HRB400，力學性能指標符合《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499中的要求，鋼筋的強度標準值應具有不小于95%的保證率，穿孔鋼筋為φ28HRB400，基礎環選用Q345，基礎幾何尺寸如圖1所示。

2 結構分析

ANSYS軟件中的LINK8單元是軸向拉伸—壓縮桿件單元，具有兩個節點，每個節點有3個平移自由度（沿X、Y以及Z方向），可以用于模擬兩端鉸接的空間桿件，不考慮桿件的彎曲以及扭轉。Solid65單元具有8個節點，每個節點有3個方向線位移自由度，用其建立的模型可具有拉裂和壓碎性能。在混凝土的應用方面，可以用Solid65單元的實體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用；Solid95單元通過20個節點來定義，它可以接受不規則的形狀并且不損失精度，每個節點有3個自由度：轉化為節點坐標系下的X，Y，Z方向。Solid95單元具有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變等能力。綜上，本文選用Link8單元模擬基礎中鋼筋，Solid65單元模擬基礎混凝土，Solid95單元模擬基礎環。

2.1 模型簡介

模型由混凝土、基礎環、穿孔鋼筋組成。基礎底板固定于地基上。混凝土采用Solid65單元，基礎環采用Solid95單元，穿孔鋼筋采用Link8單元。整個模型包含38191個單元，221366個節點。荷載施加于基礎環頂法蘭上表面形心位置，如圖2所示。

2.2 分析結果

通過分析可知：

基礎環頂部的最大豎向位移為1.148mm，如圖3所示；

混凝土最大壓應力為2.99MPa，發生在基礎環底法蘭下表面與基礎接觸部位，混凝土無拉應力，如圖4所示；

圖1 基礎圖

圖2 模型圖

圖3 變形圖

圖4 混凝土應力圖

圖5 穿孔鋼筋應力圖

圖6 基礎環應力圖

穿孔鋼筋最大壓應力為：9.44MPa，最大拉應力為10.5MPa，如圖5所示；

基礎環最大壓應力為312MPa，無拉應力，如圖6所示。

2.3 分析結論

通過以上分析可知，基礎環中不存在拉應力，全截面受壓，基礎混凝土與基礎環以及穿孔鋼筋的承載能力均滿足規范要求[3]。基礎環最大應力發生在側壁開孔處。

3 基礎環開孔分析

基礎環可以開成橢圓孔，也可以開成圓形孔。對于以上模型，僅將基礎環孔洞由橢圓孔調整為圓形孔，其計算結果最大壓應力仍發生在基礎環上為417MPa，基礎環局部受壓承載力不滿足要求，如圖7所示。

經計算分析知：與圓形孔相比，橢圓孔能有效改善應力集中現象。

圖7 基礎環局部受壓應力圖

4 總結

通過分析發現：此基礎環滿足承載力要求，在受力過程中全截面受壓，基礎環中不存在拉應力。設計人員可借鑒本文的方法分析判斷基礎環是否滿足承載力要求。基礎環的最大應力發生在側壁開孔處，是基礎環的薄弱部位，設計時應重點考慮。橢圓孔與圓孔相比，能有效改善開孔處的應力集中現象，在設計時，基礎環應優先考慮設計成橢圓孔。

攝影：熊萬能

[1]水電水利規劃設計總院,FD003-2007,風電機組地基基礎設計規范 （試行）,中國水利水電出版社,2008.

[2]平功揚,王敏.風電機組基礎環對基礎影響的設計分析[J].新能源,2010,(2):73.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50010-2010,混凝土結構設計規范[s].北京:中國建筑工業出版社,2011.