風機基礎的連接特性分析及加固

陳春華

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051)

0 前言

為獲得穩(wěn)定、充足的風能，需要通過塔筒將風力發(fā)電機組(以下簡稱風機)支撐在高度為50～100 m 的高空。塔筒與基礎連接的方式一般是在基礎中預埋基礎環(huán)，然后采用法蘭進行連接。風機基礎屬于鋼—混凝土組合結構，在不同方向風荷載的往復作用下，其受力特性十分復雜，尤其是基礎環(huán)與鋼筋混凝土基礎之間的細部連接，更為復雜。目前風機基礎雖然有專門的設計規(guī)范，但并未涉及基礎環(huán)連接細部的設計方法［1］，以下討論某工程，由于連接部位的質(zhì)量問題，使基礎環(huán)產(chǎn)生了過大的位移，進行加固處理的方法。

1 工程概況

某風電場位于云南西部山區(qū)，海拔在2 300 m～2 800 m 之間，場區(qū)面積約18.0 km2，共安裝26 臺單機容量為1.5 MW 的風機。風機輪轂高度為65 m，塔架為鋼塔筒。地基持力層為強風化和中風化灰?guī)r，地基承載力特征值為300 kPa。基礎采用擴展式鋼筋混凝土基礎，混凝土強度等級C35，鋼筋強度等級HRB400。基礎斷面見圖1。

圖1 風機基礎斷面圖

3 臺風機基礎環(huán)與混凝土臺柱之間產(chǎn)生了不同程度的相對位移，臺柱頂面基礎環(huán)附近混凝土出現(xiàn)裂紋、松動和破裂現(xiàn)象。為尋求安全的加固方案，對基礎環(huán)的錨固機理及受力特性進行了以下研究。

2 基礎環(huán)與混凝土連接特性

2.1 基礎環(huán)的錨固機理

在目前的風機基礎結構設計中，基本都在基礎環(huán)底部設端板、在環(huán)壁開孔中架設穿孔鋼筋等剪力構件，同時在臺柱周圍設置環(huán)向箍筋提高混凝土對鋼環(huán)的約束作用，從而加強鋼環(huán)在混凝土中的錨固作用，見圖1。

在風機基礎中，混凝土對鋼環(huán)的錨固作用，由以下幾部分組成:混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產(chǎn)生的吸附力或者化學粘結力，其抗剪強度取決于水泥的性能和型鋼表面的粗糙程度;周圍混凝土對型鋼的摩阻力，它取決于混凝土發(fā)生收縮或者在荷載作用下對鋼環(huán)產(chǎn)生的法向壓應力，以及二者之間的摩擦系數(shù)等;型鋼表面粗糙不平與混凝土之間的機械咬合作用以及端板的抗剪力。

考慮相對錨固長度la/r 與混凝土強度ft，粘結強度可由公式(1)表達［5］:

在混凝土性能相同的條件下，要提高粘結強度，需要增加基礎環(huán)的埋置深度或者在鋼板表面采取加強措施，如設置抗剪連接件。

研究表明［3－4］，鋼環(huán)與混凝土之間的粘結滑移主要分為三個特征階段:無滑移階段、上升階段和下降階段。在無滑移階段，由受力端區(qū)域的化學粘結力抵抗外荷載，當交界面上的化學粘結力被剪斷，形成內(nèi)裂縫，即出現(xiàn)相對滑移，進入上升階段。上升階段前期，受力端附近區(qū)域存在相對滑移，此處粘結應力主要是摩擦阻力，其余未產(chǎn)生相對滑移的區(qū)域主要是化學粘結力。隨著荷載的增加，基礎環(huán)與混凝土之間的化學粘結力逐漸減弱，滑移逐步向鋼環(huán)錨固端發(fā)展，此時受力端交界面上混凝土的開裂促進了粘結滑移的發(fā)展，當達到峰值應力時，進入下降段，荷載達到粘結破壞的極限荷載，相對滑動進一步滲透，化學粘結力徹底喪失，承載能力突然下降，滑移速度加快，最后發(fā)生粘結錨固破壞。

除了粘結強度外，端板也可以有效約束混凝土與鋼環(huán)之間的相對滑移。端板與混凝土之間的受拔承載力主要取決于混凝土的局部抗壓強度。端板處局部受壓承載力可參照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010－2010)計算，見公式(2)［5－6］:

式中各參數(shù)意義詳見規(guī)范6.6.1 條。

2.2 基礎環(huán)附近鋼筋混凝土受力

對某1.5 MW 風機基礎進行了三維非線性有限元分析，并考慮了基礎環(huán)與混凝土之間的接觸［2］。分析結果顯示，上風側基礎環(huán)端板下方存在局部拉應力區(qū)，最大值為7.66 MPa，但范圍較小;在下風側基礎環(huán)附近均為壓應力，其中端板下方壓應力值較大，最大值達到－6.43 MPa。

正常使用工況下基礎環(huán)的接觸狀態(tài)(nearcontact 表示具有相互分離的趨勢，sliding 表示具有滑移的趨勢，sticking 表示處于粘著狀態(tài))。分析表明，上風向一側基礎環(huán)與外部混凝土脫開，上部最大脫開距離為0.02 mm，從上至下逐漸減小;基礎鋼環(huán)上部與內(nèi)部混凝土脫開，最大脫開距離為0.01 mm，從上至下脫開距離逐漸減小。下風向一側基礎環(huán)下部與外側混凝土出現(xiàn)大面積的滑移現(xiàn)象。

通過鋼筋應力分析得出豎向鋼筋應力的分布情況為:在上風向一側與基礎環(huán)底同一標高處(圖1 中B、D 點)拉應力最大，達到85 MPa;其次是臺柱與底板交界處(圖1 中A 點)，為48 MPa;再次為臺柱頂面(圖1 中E、C 點)，為35 MPa，其余位置鋼筋應力較小。

3 風機基礎的加固措施

3.1 基礎異常原因分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常的基礎混凝土多處呈蜂窩狀，骨料之間孔隙較多，為施工過程中混凝土振搗不密實所致。經(jīng)鉆芯取樣檢測，混凝土強度等級僅為C20～C25，未達到設計要求。從基礎環(huán)的錨固機理和受力特性分析，在質(zhì)量達標的前提下，基礎環(huán)的錨固深度是足夠的。出問題的原因在于混凝土強度和密實度未達到要求，基礎環(huán)與基礎之間的化學粘結力較弱而被剪斷，同時接觸面上摩阻力和咬合力也較小，不足以抵抗風荷載作用下產(chǎn)生的剪力。這樣，多余的剪力就要由基礎環(huán)的端板來承擔，在其附近的混凝土中產(chǎn)生很大的壓應力，使局部混凝土受壓破壞。此外，由于基礎環(huán)的遮擋，其下的混凝土質(zhì)量更難以保證，甚至可能存在空洞。在風荷載的反復作用下，沿接觸面的裂縫繼續(xù)發(fā)展，摩阻力進一步降低，端板附近的混凝土破壞范圍逐漸擴大，基礎環(huán)的位移也就不斷加大。

除臺柱頂面基礎環(huán)附近混凝土出現(xiàn)裂縫和剝離現(xiàn)象外，其他部位未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫，在鋼筋應力較大的基礎環(huán)底部位置和臺柱與底板交界處也未產(chǎn)生裂縫開展的情況，由此判斷，基礎其他部位尚未遭到破壞，只對基礎環(huán)周圍進行加固處理。

3.2 基礎加固措施

用高強度灌漿材料充填基礎環(huán)周圍的裂縫，提高混凝土的強度和粘結能力。灌漿材料選用高強環(huán)氧樹脂，要求其固化后達到以下要求:

1)抗壓強度不低于35 MPa，抗拉強度不低于5 MPa;

2)樹脂能與基礎環(huán)和混凝土有效粘接;

3)具有一定的彈性和適應變形的能力，在擠壓作用下不發(fā)生脆性破壞;

4)固化時間不宜太長。

樹脂的添加物除固化劑、稀釋劑外，還需添加改性劑和填料。漿液灌注前先確定配方比例，然后根據(jù)配方做小樣實驗，配方達到設計要求后再進行施工。

基礎加固的施工工序為:施工準備→布孔、鉆孔→清孔→安裝灌漿塞、連接灌漿泵→灌漿→封面、整平。

灌漿完成后對基礎外露表面用環(huán)氧砂漿封閉，并粘貼碳纖維布保護。

經(jīng)過以上處理后，風機重新投入運行已有將近1 年時間，現(xiàn)場反映運行狀況良好，沒有出現(xiàn)再次開裂的情況。

4 結束語

風機基礎環(huán)與混凝土的連接是基礎設計的重點和難點，本文討論了基礎環(huán)的錨固機理和受力特性。由于基礎環(huán)附近受力十分復雜，對于缺乏經(jīng)驗的新型基礎，建議采用有限元法進行分析設計。本文提出采用化學灌漿法對病害風機基礎進行加固，取得較好的效果。

［1］風電機組地基基礎設計規(guī)定(試行)(FD003－2007)［S］.北京:水利水電規(guī)劃設計總院，2007;32－38.

［2］張迪.風力發(fā)電機組基礎三維非線性有限元分析［D］.華北水利水電學院，2011:15－25.

［3］劉燦，何益斌.勁性混凝土粘結性能的試驗研究［J］.湖南大學學報，2002;29 (3):169－173.

［4］楊勇，趙鴻鐵，薛建陽，等.型鋼混凝土粘結—滑移本構關系理論分析［J］.工業(yè)建筑，2002，32 (3):60－63.

［5］孔德偉.風機基礎鋼環(huán)與混凝土錨固機理分析與試驗［D］.湖南科技大學，2012:12－15.

［6］混凝土結構設計規(guī)范(GB50010－2010) ［S］.北京:建筑工業(yè)出版社，2010:77－80.