預(yù)應(yīng)力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)機(jī)組塔架連接分析

丁同光 李 武

(1.大唐新疆發(fā)電有限公司風(fēng)電項(xiàng)目籌建處，新疆 烏魯木齊 830011; 2.北京中水恒信環(huán)境科技發(fā)展有限公司，北京 100076)

0 引言

目前風(fēng)機(jī)塔架底部同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接段的連接方式有L法蘭直接連接基礎(chǔ)環(huán)，T法蘭直接與基礎(chǔ)混凝土或者基礎(chǔ)環(huán)相連。L法蘭與基礎(chǔ)環(huán)連接是可行的，但其與混凝土相互連接已經(jīng)被證明是存在安全隱患的。T法蘭既可以同基礎(chǔ)環(huán)相互連接也可以同混凝土相連接。由于T法蘭同混凝土相互連接更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，也是未來風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接方案的發(fā)展方向。本文通過介紹使用泰普預(yù)應(yīng)力錨桿與T形法蘭連接形式的預(yù)應(yīng)力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的計(jì)算方法和有限元驗(yàn)證，再次驗(yàn)證了T形法蘭在預(yù)應(yīng)力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

1 塔基法蘭與地基混凝土連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 荷載分析

由于基礎(chǔ)是一個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)該考慮基礎(chǔ)的不同部分，因此在分析受力時(shí)其荷載需考慮周全。相關(guān)基礎(chǔ)荷載由下列各項(xiàng)組成:

豎向荷載:

彎矩:

式中:γG——豎向力;

γF——水平力矩分項(xiàng)系數(shù);

Fz——豎向力;

Fres——水平力;

Mres——水平力矩;

eF——從塔底座法蘭到基礎(chǔ)底面的距離(見圖1)。

1.2 隔離體荷載

錨件沿塔架殼體直徑圓周均勻分布，錨件上荷載的計(jì)算通過提取出一個(gè)錨件(T)的小段以及帶有塔架殼體于法蘭塔架段的隔離體來進(jìn)行分析。對(duì)于T形法蘭隔離體是指包含兩個(gè)錨件的小段。

已知每段地塔架殼體內(nèi)的極限荷載(每小段):

其中，Na為隔離體數(shù)目;D為法蘭平均直徑。

由于彎矩作用，塔架法蘭在迎風(fēng)側(cè)受拉而在背風(fēng)側(cè)受壓，所以每小段的總荷載為(此處向上為正):

迎風(fēng)側(cè):

背風(fēng)側(cè):

錨件為后張，在已知錨件與混凝土的彈簧剛度時(shí)，可計(jì)算由錨件承受的部分外荷載。

1.3 法蘭下方及錨件內(nèi)的應(yīng)力

1.3.1 塔架T形法蘭下受拉側(cè)的應(yīng)力

計(jì)算灌漿和其正下方的混凝土內(nèi)的應(yīng)力時(shí)，其簡(jiǎn)易方法將使用式(7):

其中，Aeff為受壓灌漿或混凝土的有效面積;Pa為錨件的預(yù)應(yīng)力。

灌漿:

混凝土:

其中，wT為法蘭的寬度;Dt為塔架的平均直徑;Na為隔離體的數(shù)量;do為塔架法蘭螺栓孔直徑;da為錨桿的直徑;tg為法蘭下灌漿的厚度;α為應(yīng)力分布角度，45°。

1.3.2 塔架T形法蘭下受壓側(cè)的應(yīng)力

T形法蘭受壓側(cè)下方的灌漿及混凝土的應(yīng)力計(jì)算與受拉側(cè)不同。由于外荷載的方向與錨桿力的方向相同，因此要考慮外荷載對(duì)錨桿應(yīng)力的損失的影響。

其中，σPtd′為外荷載引起的法蘭下方灌漿及混凝土的應(yīng)力，其計(jì)算公式為:

其中，σPa′為受壓側(cè)錨件內(nèi)荷載引起的法蘭下方灌漿及混凝土的應(yīng)力，其計(jì)算公式為:

2 有限元驗(yàn)證

2.1 坐標(biāo)系及極限荷載

為了驗(yàn)證以上計(jì)算，現(xiàn)采用某1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套T法蘭進(jìn)行有限元模擬?；A(chǔ)荷載的計(jì)算數(shù)據(jù)采用極限荷載工況下塔基法蘭處的荷載數(shù)據(jù)(不含放大倍數(shù))，見表1。

表1 極限荷載工況下塔基法蘭處的荷載

坐標(biāo)系采用GL規(guī)范坐標(biāo)系，坐標(biāo)系如圖2所示。

圖1 基礎(chǔ)靜荷載

圖2 荷載坐標(biāo)系

2.2 法蘭及基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)半徑為2.5 m，高度為2.85 m的混凝土圓柱體。其各部分的尺寸數(shù)據(jù)詳見圖3。

圖3 T形法蘭與基礎(chǔ)連接結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)圖

2.3 有限元驗(yàn)證

極限荷載工況下T法蘭與混凝土連接的有限元分析模型如圖4所示，泰普風(fēng)電專用預(yù)應(yīng)力錨桿分布于法蘭內(nèi)外兩圈，各60根。在法蘭與灌漿料接觸面的圓心處設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，并采用Coupling方式耦合到塔筒壁上，參考點(diǎn)RP-1作為外荷載加載的點(diǎn);而參考點(diǎn)RP-2位于高度為1 m的塔筒段的頂端圓心處，并與塔筒段上表面耦合，參考點(diǎn)RP-2用來計(jì)算塔筒在外荷載作用下的傾斜角度。

圖5顯示的是在極限荷載作用下T形法蘭與基礎(chǔ)連接的整體Mises應(yīng)力云圖，錨桿中施加的預(yù)緊力為500 kN，圖形顯示的變形系數(shù)為1。整個(gè)模型中最大應(yīng)力為374.6 MPa，產(chǎn)生于錨桿中。

圖4 T形法蘭與基礎(chǔ)連接的三維有限元模型

圖5 T形法蘭與基礎(chǔ)連接的Mises應(yīng)力圖

圖6給出了T形法蘭與灌漿的應(yīng)力云圖，從圖6中并沒有看出法蘭與灌漿之間發(fā)生明顯的脫開。而T法蘭發(fā)生脫開主要為內(nèi)外圈螺栓中間的位置，因此圖7提取了法蘭以及灌漿接觸面上受拉端內(nèi)外圈螺栓之間的位移曲線。從圖7中可以看出法蘭與灌漿接觸面上的位移均為負(fù)值，而且完全重合，說明法蘭與混凝土之間沒有發(fā)生脫開，滿足要求。

圖8是灌漿在極限荷載工況下的應(yīng)力云圖，圖8中可以看出灌漿受到的最大應(yīng)力為32.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于灌漿的抗壓強(qiáng)度80 MPa，因此灌漿的強(qiáng)度也滿足要求。

圖6 T形法蘭與灌漿應(yīng)力云圖

圖7 T法蘭與灌漿接觸面上內(nèi)外螺栓之間的位移曲線

圖8 灌漿應(yīng)力云圖

除了法蘭與基礎(chǔ)之間的連接不能產(chǎn)生脫開外，塔架沿高度方向的水平位移不能超過2 mm/m，通過提取塔筒1 m處圓心位置的參考點(diǎn)RP-2的位移曲線圖可以得到水平位移為0.225 mm，此結(jié)果滿足要求(見圖9)。

圖9 參考點(diǎn)RP-2的位移曲線圖

3 結(jié)語

通過理論計(jì)算分析和有限元結(jié)果驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論:

文中采用的T形法蘭與基礎(chǔ)之間連接的理論設(shè)計(jì)方案是正確的，能夠滿足極限荷載工況下的要求，并且與有限元驗(yàn)證結(jié)果相符。

[1] IEC 61400-1 Ed.3.0:Wind turbines-Part 1:Design requirements，2003.

[2] EN 1992-1-1:Design of concrete structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings，2004.

[3] EN 1993-1-1:Design of steel structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings.2005.

[4] EN 1997-1-1:Geotechnical design-Part 1:General rules，2004.

[5] Petersen，C.:Stahlbau.Braunschweig:Vieweg ＆ Sohn，1998.