風機分層基礎有限元分析與加固方法

祝衛軍， 盧亦焱， 梁鴻駿

(武漢大學土木建筑工程學院， 武漢 430072)

近年來，中國風力發電行業尤其是大容量兆瓦級大型風力機組得到快速發展[1]。風能作為一種清潔無公害的可再生能源，受到了越來越多國家和地區的重視。其中，風力發電是風能開發的主要形式之一。據行業統計，截至2018年3月底，中國累計風電并網容量已達到1.68億kW，待開發利用的風能儲量約10億kW。對于風力發電而言，風機基礎的安全性至關重要[2]。

目前，中國的陸上風力機最主要的基礎形式是擴展基礎。擴展基礎屬于大體積現澆鋼筋混凝土結構，一次澆筑成型所需的混凝土量較大。但是，由于風電場大多位于偏僻的平原或山區，受道路突發故障或者天氣因素等影響，導致混凝土無法持續性供應，迫使基礎混凝土的澆筑出現中斷，一次澆筑部分和二次澆筑部分之間形成較為明顯的分層面。

關于陸上風機基礎的加固問題研究，截至目前，已有大量相關報道。汪宏偉[3]討論了采用混凝土環梁加固風機基礎的可行性，并利用有限元方法計算了不同環梁高度情況下風機基礎的應力。陳俊嶺等[4]針對“因現場攪拌混凝土強度過低導致的基礎環基礎開裂、壓碎和剛度降低”等問題，提出了一種“在柱墩側壁設置鋼絞線”的環向預應力加固方案，并建立有限元模型驗證了加固方案的可行性。遲洪明等[5]針對陸上風機基礎存在的承臺裂縫、防水破壞、基礎環溢漿等問題，采用三維有限元方法對風機基礎進行受力分析，并在受力分析的基礎上提出了相應的加固方法。既有的研究成果主要集中在基礎開裂等問題的加固上，關于風機分層基礎的加固，中外的研究較少。席向東等[6]對風機基礎分層進行了檢測與分析，并提出了相應的加固方案。除此之外，尚未見其他相關報道。而風機基礎分層事故在國內外都普遍存在，因此，對于風機分層基礎在極端荷載工況下的受力和變形狀態以及加固方案等相關研究亟待開展。

現針對湖北省某風電場出現的風機基礎分層問題，基于有限元軟件ABAQUS，建立了包括上下層混凝土、鋼筋籠、分層面插筋、基礎環和基礎墊板在內的風機分層基礎精細化有限元模型，研究了分層面上下層混凝土、鋼筋籠和分層面插筋在極端荷載工況下的受力和變形狀態。并在此基礎上，提出有針對性的加固方案，為今后類似工程事故的加固提供參考。

1 工程概況

湖北省某風電場A13#風機基礎為現澆鋼筋混凝土圓形擴展基礎。基礎埋深3.0 m，基礎下部墊層厚度0.15 m。基礎圓形底板下口直徑18.4 m，上口直徑7.7 m；基礎底板頂面找坡，邊緣厚度1.1 m，中心區域厚度2.2 m；基礎芯柱直徑7.7 m，高度0.8 m。基礎底板、芯柱混凝土設計強度等級為C40。風機擴展基礎剖面結構如圖1所示。

圖1 風機基礎剖面圖Fig.1 Section of the wind turbine foundation

2017年11月基礎底板開始澆筑。在澆筑過程中，出現雨雪、冰凍天氣。基礎底板混凝土澆筑約150 m3后，后續混凝土罐車無法到達施工現場，施工中斷。基礎底板一次澆筑完成后，大部分基礎頂面鋼筋裸露在外。澆筑中斷時，施工方按照設計說明書要求，在混凝土尚未初凝前于基礎底板區域插入了一定量的鋼筋。插筋為直徑20 mm的三級鋼筋，以1.2 m×1.2 m梅花形布置，鋼筋外露400 mm，插入混凝土中400 mm。基礎芯柱區域由于布滿了高度近2 m的密集鋼筋籠，故無法在分層面實現插筋。

2017年12月基礎底板開始二次澆筑，在澆筑施工前，施工方采用高壓水沖洗等方式對一次澆筑的底板頂面進行了粗糙化處理，二次澆筑采用C45混凝土，其強度比原設計值高一個等級，共澆筑混凝土約340 m。基礎一、二次澆筑的結合面示意圖如圖2所示。

圖2 基礎澆筑結合面示意圖Fig.2 Diagram of the stratification of the foundation

2 結合面質量檢測

由于基礎施工過程中存在中斷施工和二次澆筑過程，施工過程不連續，導致新舊兩次澆筑的混凝土結合面處可能存在冷縫、空洞、連接薄弱等問題。因此，需要對混凝土二次澆筑的結合面進行質量檢測。

現場采用鉆芯取樣的方法對基礎底板結合面質量進行檢測[7]。將底板上部覆土開挖后，在基礎底板共鉆取20個直徑為70 mm的圓柱體芯樣，用于檢測基礎底板混凝土結合面質量。芯樣長度超過一次澆筑與二次澆筑的結合面，芯樣的典型外觀狀況如圖3所示。

圖3 基礎底板芯樣典型外觀狀況Fig.3 Typical appearance of core samples

基礎底板所抽取的芯樣大部分在深度1 000～1 060 mm 處發生斷裂，形成較明顯的二次澆筑結合面，現場鉆取芯樣的結果表明兩次澆筑的結合面連接較薄弱。

3 有限元建模與計算

按照基礎施工圖紙，采用分離式建模方法建立了有限元模型，雖然鋼筋籠建模較為復雜，但是分離式模型的計算結果顯然更接近于真實[8]，且有利于后處理階段對鋼筋籠的單獨分析。風機基礎模型的分層面位于基礎底板豎直段中部，下方為一次澆筑部分，上方為二次澆筑部分。

3.1 材料參數與本構模型

混凝土的本構模型采用損傷塑性模型。該模型主要用于鋼筋混凝土結構分析，結合非關聯多重硬化塑性和各向同性彈性損傷理論來表征材料斷裂過程中發生的不可逆損傷行為，且假定材料主要以拉伸開裂和壓縮破碎而破壞[9]。混凝土塑性損傷參數如表1所示。

表1 混凝土塑性損傷參數Table 1 Plastic damage parameters of concrete

基礎環、鋼筋和分層面插筋均采用線彈性本構模型，僅定義密度、彈性模量和泊松比等參數，不考慮塑性階段。具體的材料參數如表2所示。

表2 風機基礎模型材料參數Table 2 Material parameters of the model

3.2 相互作用與荷載施加

鋼筋籠和分層面插筋均采用內置區域約束(embedded region)的方式模擬其與混凝土之間的相互作用[10]，不考慮相對滑移。由于基礎環與混凝土的接觸狀態對模型的分析重點影響不大，為了減少計算接觸狀態所需要的迭代，提高計算效率，將基礎環與混凝土之間的約束關系定義為綁定(tie)[11]。上下層混凝土之間采用平面與平面接觸，摩擦系數設為0.8。下層混凝土和混凝土墊板之間采用綁定約束(tie)，假定兩者在分析過程中不再分開。為進一步簡化模型，有限元分析時不考慮土體的變形，認為墊層混凝土與土體之間完全固定[12]。

風機塔筒基礎設計荷載如表3所示，其中豎向壓力Fz=4 213.22×103N，水平剪力Fxy=773.15×103N，傾覆力矩Mxy=71 459.55×106N·mm，扭矩Mz=3 465.18×106N·mm。荷載作用點標高為 0.60 m，即基礎環頂面位置，因此將施加荷載的參考點設在基礎環頂面中心，并與基礎環頂面建立運動耦合約束(kinematic coupling)。

表3 風機上部結構作用荷載設計值Table 3 Design value of loads acting on the wind turbine

3.3 單元選擇與網格劃分

風機基礎混凝土部分、分層面插筋和基礎環均采用8節點六面體單元(C3D8)，混凝土單元長度為300 mm，插筋單元長度為10 mm，基礎環單元長度為100 mm。鋼筋采用兩結點線性三維桁架單元(T3D2)，該單元僅可承受拉伸或壓縮荷載，單元長度為400 mm。風機基礎各部分及整體網格劃分如圖4～圖6所示，分層面底板區域插筋布置示意圖如圖7所示。

圖4 基礎環模型及其網格劃分Fig.4 Mesh model of foundation ring

圖5 鋼筋籠模型及其網格劃分Fig.5 Mesh model of steel reinforcement cage

圖6 風機基礎整體模型及其網格劃分Fig.6 Mesh model of wind turbine spread foundation

圖7 分層面底板區域插筋布置示意圖Fig.7 Diagram of the steel bars inserted on the layered surface

4 有限元計算結果與分析

由于研究的重點是風機基礎分層面在極端荷載工況下的應力和變形狀態，所以在有限元計算結果中，主要分析與分層面直接接觸的上下層混凝土、鋼筋籠和分層面插筋等的應力和變形結果。

4.1 上下層混凝土應力和位移分析

上下層混凝土的應力和位移計算結果如圖8～圖10所示。由圖8、圖9可知，混凝土的最大壓應力發生在基礎環附近，為9.611 MPa，遠低于上層混凝土(C45)的抗壓強度設計值21.1 MPa。所以，在極端荷載工況下，上、下層混凝土沒有破壞風險。下層混凝土在受拉區插筋位置處產生密集的小面積應力集中，沿混凝土表面呈環向分布，但僅有內外兩圈。這說明在極端荷載工況下，越靠近基礎芯柱區的插筋承受的荷載越大。因此，在設置分層面插筋時，宜內密外疏，可進一步改善插筋布置的合理性，提高工程的經濟效益。由圖10可知，在傾覆力矩作用下，上層混凝土于受拉區產生明顯的拱起現象，導致上下層混凝土脫離，形成空腔。上層混凝土的局部拱起，將引起風機塔筒的整體傾斜。塔筒重心的橫向偏移，又會進一步加大施加在基礎環上表面的傾覆力矩，導致風力機的安全運行面臨更大的威脅。因此，在后期加固時，必須在空腔區增設抗拔鍵，以阻止上層混凝土在極端荷載工況下的局部拱起。

圖8 上下層混凝土豎向剖面應力結果Fig.8 Stress on vertical section of upper and lower concrete

圖9 下層混凝土應力結果Fig.9 Stress of lower concrete

圖10 上下層混凝土豎向剖面位移結果Fig.10 Displacement on vertical section of upper and lower concrete

4.2 鋼筋籠應力分析

鋼筋籠應力計算結果如圖11所示。由圖11可知，鋼筋籠在上下層混凝土的空腔區內產生較明顯的應力集中，應力大小由空腔中部向兩邊遞減。這是由于上層混凝土在傾覆力矩作用下產生局部拱起，帶動了空腔區內的豎向鋼筋產生拉伸應變。鋼筋的最大應力發生在空腔區內，為91.92 MPa，遠低于HRB400鋼筋的抗拉強度設計值360 MPa，鋼筋尚處彈性階段，未屈服。受拉區內的豎向鋼筋在一定程度上抑制了上層混凝土的進一步拱起。

圖11 鋼筋籠豎向剖面應力結果Fig.11 Stress on vertical section of steel reinforcement cage

4.3 分層面插筋應力和變形分析

分層面插筋應力計算結果如圖12所示，變形計算結果如圖13所示(變形比例因子為25 000)。由于采用桁架單元模擬鋼筋籠，而桁架單元僅能承受軸向拉壓力，不能承受水平向剪力，所以極端荷載工況下分層面處產生的水平剪力中的大部分將由插筋承受(一小部分由上下層混凝土在分層面處產生的接觸摩擦抵消)。由圖12可知，分層面插筋的水平向最大應力值位于最內圈，達到了496.6 MPa。但是在實際工程中，鋼筋籠中密集分布的豎向鋼筋顯然可以承受大部分水平剪力，剩余的水平剪力由分層面處產生的摩擦和插筋共同承擔。因此，插筋的水平向最大應力相應會有一定程度的降低。但由于有限元計算得到的水平向最大應力值過大，所以在后期加固時，建議在水平向應力值較大的區域(靠近基礎芯柱的內圈)增設抗剪鍵，以分擔一部分的水平剪力。由圖12、圖13可知，分層面插筋在極端荷載工況下彎折成了3段，中間段的應力值遠遠大于兩端，彎折程度和應力由內圈向外圈遞減。這再次佐證了“分層面插筋宜內密外疏布置”的合理性。同時，插筋彎折導致上、中、下段相對偏移，不在同一豎直線上。這意味著上下層混凝土在分層面處產生了相對滑移或轉動。為抑制上下層混凝土的這種相對運動，同樣需要在彎折較嚴重的區域(靠近基礎芯柱的內圈)增設抗剪鍵。

圖12 分層面插筋應力結果Fig.12 Stress of the steel bars inserted on the layered surface

圖13 分層面插筋位移結果Fig.13 Displacement of the steel bars inserted on the layered surface

5 加固補強措施

5.1 增設抗拔鍵

由有限元計算結果可知，空腔區位于受拉區基礎環底法蘭正下方。但由于風機基礎具有承受360°方向荷載的特殊性，所以在后期加固時，需環向均勻布置抗拔鍵。

在基礎環底法蘭內外側增設抗拔鍵，分內外兩圈環向布置，內圈8個，外圈12個。

抗拔鍵施工步驟如下：

(1)在如圖14(a)所示位置用鉆孔機鉆孔，孔徑為150 mm，孔深以超過分層面400 mm為宜。

(2)同混凝土已經初凝后插筋步驟，成孔后先清孔再洗孔。

(3)待干燥后在孔道側壁涂上一層環氧基結構膠，再將已除銹的4根φ32鋼筋均勻環向粘貼在孔道側壁上，如圖14(b)所示。

(4)待結構膠硬化后，往孔道內灌入比一次澆筑混凝土等級高一級的混凝土。混凝土填滿后做擴頂處理，如圖14(c)所示。擴頂處理的目的是，防止雨水進入孔道側壁銹蝕鋼筋，同時進一步提高抗拔鍵的抗拔性能。

1為分層面；2為抗拔鍵；3為后澆混凝土；4為抗拔鋼筋；5為擴頂部分圖14 抗拔鍵加固示意圖Fig.14 Diagram of reinforcement withanti-pull key

5.2 增設抗剪鍵

由有限元計算結果可知，靠近基礎芯柱的內圈插筋彎折變形較為明顯，彎折處的水平向應力值也較大。因此，應主要在基礎底板斜坡段靠近基礎芯柱的內圈區域增設抗剪鍵，同樣分內外兩圈環向均勻布置，內圈10個，外圈15個。

抗剪鍵施工步驟如下：

(1)在如圖15(a)所示位置用鉆孔機鉆孔，孔徑為100 mm，孔深以超過分層面300 mm為宜。

(2)同混凝土已經初凝后插筋步驟，成孔后先清孔再洗孔。

(3)往孔道內灌入30 mm厚的混凝土(作為內置型鋼的保護層)，再將預制好的十字形型鋼居中放入孔道內，型鋼長度以超過分層面400 mm為宜。

(4)再次灌入混凝土，直至填滿孔道。

抗剪鍵剖面和立面詳圖如圖15(b)和圖15(c)所示。

1為分層面；2為抗剪鍵；3為內置十字形型鋼；4為后澆混凝土圖15 抗剪鍵加固示意圖Fig.15 Diagram of reinforcement with shear key

5.3 加固效果

按照如上方法加固風機分層基礎之后，隨即進行了塔筒的吊裝并投入使用，目前風機已經安全運行1年多，加固方案經驗證具有一定的可靠性。

6 結論

通過對風機分層基礎的有限元分析，可得出如下結論。

(1)在極端荷載工況下，上層混凝土在基礎環底法蘭下方拱起，與下層混凝土脫離形成空腔。空腔區內豎向鋼筋產生拉應力，但未屈服，豎向鋼筋在一定程度上抑制了上層混凝土的進一步拱起。分層面插筋在分層面水平剪力的作用下產生彎折變形，變形程度和水平方向應力值由內圈到外圈遞減。上下層混凝土之間發生了相對滑移。

(2)分層面插筋宜內密外疏布置。

(3)加固應考慮提高風機基礎分層面抗拔性能和抗剪性能，在基礎環底法蘭內外側各增設一圈抗拔鍵，在基礎底板靠近基礎芯柱的內圈區域增設兩圈抗剪鍵。