風機基礎混凝土裂縫數值分析及加固方案研究

陳加興 何吉 譚爭光

摘 要：風機基礎的結構完整是風機能夠安全運行的重要保障。但是，近年來風機基礎頻繁出現混凝土開裂的現象。由于實際工程中難以量化判斷裂縫對風機基礎結構的危害程度，因此難以提出合理的加固方案。采用有限元數值分析方法對風機基礎裂縫進行結構受力分析，研究裂縫對風機基礎結構造成的影響，并據此提出加固方案，能夠為實際工程提供參考。

關鍵詞：風機基礎;混凝土裂縫;加固方案;數值分析;有限元

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0098-05

Abstract： The structural integrity of the Fan Foundation is an important guarantee for the safe operation of the fan. However， the concrete cracking of the fan foundation occurs frequently in recent years. It is difficult to quantify the damage degree of the cracks to the fan foundation structure in practical engineering.Therefore it is difficult to put forward a reasonable reinforcement scheme. In this paper， the finite element numerical analysis method is used to analyze the structure stress of the Fan Foundation crack， and the influence of the crack on the fan foundation structure is studied.

Keywords： wind turbine foundation;concrete crack;reinforce scheme;numerical analysis;finite element1

隨著國內風電項目大規模建設，近年來風機基礎出現混凝土裂縫的現象越來越多，其中最常見的是混凝土臺柱裂縫。隨著風電場運行時間加長，暴露出這種問題的風電場數量明顯增加，問題越來越嚴重。風機基礎是關系到風機能否安全穩定運行的重要因素，而風機基礎混凝土裂縫可能對基礎安全運行造成不良影響[1]。實際工程實踐中，很多時候難以判斷混凝土裂縫具體的危害性，也難以采取有效的處理措施。采用有限元數值分析方法對風機基礎裂縫進行結構受力分析，研究混凝土裂縫對風機基礎結構可能造成的影響，并據此提出加固方案，可以為實際工程提供參考。

1 裂縫成因分析

風機基礎混凝土作為大體積混凝土，其產生裂縫的原因有很多種，主要為結構裂縫、沉降裂縫、溫度裂縫及表面干縮裂縫等[2]。

1.1 結構裂縫

結構裂縫是指因結構設計不合理而導致結構開裂，進而影響結構安全的裂縫，如基礎環附近配筋不足引起的拉裂。

1.2 沉降裂縫

沉降裂縫是指因地基不均勻沉降而引起的結構開裂，如不均勻地基未經妥善處理而引起基礎混凝土底部開裂。

1.3 溫度裂縫

溫度裂縫是指在混凝土施工過程中因未采取有效的溫控措施，使得混凝土內部和表面溫差過大而造成的混凝土拉裂。

1.4 干縮裂縫

干縮裂縫是指混凝土表面因養護不到位等原因使得混凝土表面失水干縮而拉裂。

4種裂縫中，結構裂縫和沉降裂縫會對風機基礎的結構安全造成不良影響，需要慎重對待;而溫度裂縫和干縮裂縫一般不會影響風機基礎的結構安全，但會影響結構的耐久性和表觀質量。

2 裂縫影響分析

運用風機基礎有限元模型及數值計算理論，對風機基礎混凝土裂縫進行結構受力分析，進而分析裂縫對風機基礎的影響。

2.1 計算理論與方法

采用大型通用有限元軟件ABAQUS提供的混凝土塑性損傷（Concrete Plastic Damage，CPD）模型[3]。開裂前混凝土采用線彈性本構關系。當混凝土受拉開裂后，通過損傷指標對混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，以描述混凝土的卸載剛度隨損傷增加而降低的特性。

對于鋼筋，采用鏈桿單元模擬[4]。當嵌入混凝土單元后，程序自動耦合自由度。嵌入式鋼筋模型依據鋼筋和混凝土的位移協調，分別求出混凝土和鋼筋對單元剛度矩陣的作用，然后組合起來形成綜合單元剛度矩陣。混凝土和鋼筋的粘結滑動和暗銷作用都通過引入混凝土的拉伸硬化進行模擬。

2.2 計算模型

主要結構鋼筋位置示意圖如圖1所示。風機基礎有限元整體模型如圖2所示[5]。

考慮到實際工程中經常產生環向及徑向兩種裂縫，分別建立臺柱混凝土徑向裂縫缺陷模型和臺柱環向裂縫缺陷模型。模型模擬裂縫深度為20 cm，其中徑向裂縫貫穿臺柱混凝土表面，并呈放射狀分布，裂縫間隔為45o，而環向裂縫位于上臺表面中部。

臺柱混凝土徑向裂縫有限元模型及環向裂縫有限元模型如圖3所示。考慮到裂縫的存在將破壞風機基礎混凝土結構的整體性，影響周圍混凝土強度，因此調整該區域塑性損傷模型取值，具體如圖4所示。

2.3 混凝土損傷分析

圖5為臺柱混凝土表面最大主應力云圖。可以發現，由于裂縫區域混凝土材料強度降低，最終分擔載荷也較小，因此其應力分布發生了明顯改變。當徑向裂縫存在時，在X軸正半區，最大主應力沿環向出現分段現象;當環向裂縫存在時，其最大主應力分布在裂縫處，沿徑向存在分層現象。但是，兩種模型中，對于裂縫深度以下的基礎混凝土，應力分布則基本與無裂縫計算方案保持一致。

圖6和圖7分別為徑向和環向裂縫模型中混凝土受拉塑性區分布圖，可知風機基礎結構中受拉破壞情況與無裂縫計算方案基本一致，無明顯差異。匯總兩者受拉塑性區擴展深度和水平最大擴展距離，結果如表1所示。表1水平最大擴展距離中，上下數據分別代表基礎環頂部和底部的塑性區水平最大擴展距離。

對比基礎方案可以發現，豎向及水平向最大擴展距離也與無裂縫計算方案相同。受壓破壞方面，臺柱裂縫缺陷下基礎混凝土未出現受壓破壞情況。

進一步匯總水平受拉塑性開裂區面積分布情況，如圖8所示。可以看出，徑向及環向裂縫方案中混凝土塑性開裂區面積幾乎一致。此外，對比無裂縫方案，可以認為當前裂縫分布模式和深度（20 cm）下，上臺表面裂縫對混凝土塑性區分布情況影響不明顯。

2.4 基礎環及鋼筋應力分析

圖9為徑向和環向裂縫模型中基礎環Mises應力云圖，可以發現臺柱混凝土不同裂縫形式并未對基礎環產生明顯影響，其應力分布情況與最值均與完整無裂縫方案基本一致。

鋼筋受力方面，匯總兩種缺陷模型中主要鋼筋Mises應力最大值，如表2所示。由表2可知，豎向/徑向鋼筋并未對鋼筋應力分布狀態產生明顯影響，原因在于此類鋼筋應力最值一般分布在穿越基礎環或混凝土塑性區附近，而該區域位置主要由載荷條件決定，因此混凝土表面裂縫缺陷對其影響很小。對于環向鋼筋，在徑向裂縫缺陷模型中，徑向裂縫區域變形增大，導致穿越該區域的鋼筋應力有所提高。例如，臺柱表層16#環向鋼筋，其應力分布一定程度上呈現分段現象，且最大應力值達到6.83 MPa，較之于完整無裂縫方案提高了21.8%。

2.5 計算結構分析

經過對比混凝土塑性損傷區范圍及基礎環、鋼筋應力情況，可以得出以下結論。

①在極端荷載作用下，當前臺柱表面裂縫模式和深度幾乎不改變混凝土受拉塑性區的分布形式，依然以基礎環下法蘭為界分為頂部錐形受拉塑性區和底部水平受拉塑性區;受拉及受壓損傷區擴展情況基本不受裂縫影響，各水平受拉塑性區面積與無裂縫方案基本一致，受壓塑性區擴展距離及分布位置與無裂縫方案一致;裂縫的存在會使得臺柱混凝土表面應力重分布，考慮徑向裂縫時，在環向上主應力存在分段現象，而考慮環向裂縫時，裂縫內外側存在應力分層現象。

②鋼筋應力部分，對于主要豎向/徑向鋼筋，由于其應力分布情況主要與混凝土塑性區有關，最大值基本位于穿越基礎環位置，因此當前臺柱表面裂縫模式和深度并未對其產生明顯影響;徑向裂縫區域混凝土強度較弱，使得穿越該區域的環向鋼筋應力明顯提高，如16#鋼筋，但對于混凝土內部的環向鋼筋，表面裂縫的影響十分有限。

綜合而言，當前臺柱混凝土表面裂縫缺陷模式對風機基礎結構混凝土及內部鋼筋受力情況影響不明顯。

3 裂縫處理方案

通過上述分析，可認為臺柱表面徑向及環向裂縫（深度不大于20 cm）基本不影響結構整體安全。但是，實際工程中表面裂縫的出現可能造成內部鋼筋銹蝕，進而造成結構整體剛度降低等問題，需要引起重視，及時進行閉縫加固處理。對于縫寬不超過0.2 mm的裂縫，建議采用表面封閉修補方案;對于縫寬超過0.2 mm的裂縫，為了保證內部灌漿密實，建議采取裂縫鉆孔灌漿修補方案[6-7]。

3.1 表面封閉修補方案

3.1.1 混凝土表面處理。除去混凝土表面抹灰層，用圓盤式磨光機或鋼絲刷除去裂縫兩側50 mm范圍內疏松、劣質的混凝土，再用壓縮空氣除去混凝土碎屑和粉層，最后用丙酮或工業酒精擦洗干凈。

3.1.2 涂膠。用刮刀將修補封口膠涂抹在裂縫兩側50 mm范圍內，并沿裂縫方向反復壓抹，使膠液盡可能滲入裂縫和混凝土表面。待膠液干后，再涂刷第二層。

3.1.3 表面修飾。待修補膠固化后，用磨光機磨平表面，用丙乳砂漿對裂縫修補部位表面進行修飾。

3.2 鉆孔灌漿修補方案

采用環氧膠材灌漿，灌漿設備采用高壓電動灌漿泵，灌漿方式采用打孔埋管灌漿法。工藝流程如下：鉆孔—清孔—埋設灌漿針頭（灌漿咀）—縫面封閉（封口膠）—試漏—灌漿（灌縫膠）—拆咀封孔—灌漿后效果檢查—縫面處理。

4 結語

通過建立風機基礎臺柱混凝土裂縫缺陷模型，研究臺柱表面徑向及環向裂縫對混凝土結構受力特性的影響。經過模擬計算分析，認為風機基礎臺柱表面徑向及環向裂縫（深度不大于20 cm）基本不影響結構整體安全，但可能造成內部鋼筋銹蝕進而導致結構整體剛度降低，仍需引起重視，及時進行閉縫處理。

參考文獻：

[1]馬人樂，黃冬平.風電結構亞健康狀態研究[J].特種結構，2014（4）：1-4.

[2]徐佰峰.風機基礎裂縫控制要點分析[J].建材發展導向，2020（6）：58-60.

[3]聶建國，王宇航.ABAQUS中混凝土本構模型用于模擬結構靜力行為的比較研究[J].工程力學，2013（4）：59-67.

[4]遲洪明，史卜濤.風機基礎三維有限元分析及加固方法研究[J].建筑結構，2019（1）：1015-1018.

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[6]趙斌，肖亞萌，劉艷.某風電場基礎環式風機基礎破壞機理分析[J].水利規劃與設計，2020（7）：133-136.

[7]張峰，李清石，胡輝.基于基礎環的風機基礎缺陷加固處理分析[J].機械化工，2020（12）：174-175.