某低強預應力錨栓風機樁基礎結構安全評估

華潤電力投資有限公司華東分公司建設部 付振林

風機基礎與塔筒連接采用預應力錨栓連接方式于21世紀初首次出現在美國、加拿大等國家，對傳統的基礎鋼環結構連接形式進行了變革式技術創新，是采用預應力高強度錨栓組合件和基礎混凝土一起澆筑的結構形式，這種連接方式連接連續，很好的解決了剛度突變的問題，且此種方式施工方便，整體性好，預應力的作用為基礎提供了較強的抗壓抗彎能力，即在外部荷載作用下，混凝土處于受壓狀態，不會產生裂縫，耐久性大大提高。

工程概況：風機基礎為鋼筋混凝土圓形擴展基礎，與上部塔筒采用預應力螺栓連接。混凝土強度設計等級為C40。根據《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》（CECS 03-2007）檢測，芯樣抗壓強度代表值為C30強度，基礎混凝土按照C30強度模擬。

1 有限元模型

1.1 現有強度有限元模型建立

建立模型：為避免應力集中的問題，建立塔筒，將上錨板、灌漿料、基礎、鋼筋、下錨板、墊層、樁基按照實際尺寸進行建模，錨栓組合件作為非主要研究對象，且只考慮預應力作用對基礎產生的影響，故不對錨栓組合件進行實際模擬，以均布荷載的形式加載到上、下錨板上。考慮到樁基礎埋深較大且樁身周圍存在土側向約束作用，另外樁基不是本文研究重點，故不考慮樁土作用。重力式基礎受力分析往往不考慮周圍土體的側向作用，故只考慮覆土豎向力作用。考慮扭矩不到彎矩的3%，忽略扭矩對基礎的影響[1]。

材料參數：混凝土采用工程中常用的塑性損傷模型，該模型是一種以塑性為基礎，具有連續性的損傷模型，其基本假定是各向同性的受壓和受拉導致了材料的損傷開裂破壞。本構關系按照GB50010-2010(2015版)混凝土結構設計規范附錄C進行選取，其它的物理力學參數按照（GB50010）中的4.1節進行選取。混凝土的塑性損傷參數為剪脹角38°、偏心率0.1、fb0/fc01.16、K0.6666667、粘聚系數1E-005。除基礎混凝土采用塑性損傷模型，其余結構均按照理想線彈性體進行計算，各材料密度(kg/m3)、楊氏模量(GPa)、泊松比分別為：混凝土2500，32.5/30.0/22.0，0.2；鋼筋/上、下錨板/塔筒7800，200.0，0.3；高強灌漿料2400，39.0，0.3；樁基2400，30.0，0.2。

單元類型及邊界條件：鋼筋模型采用T3D2桿單元（只能承載拉伸或壓縮荷載，可根據材料情況具體定義橫截面的面積）；基礎、墊層、上錨板、下錨板、塔筒、灌漿料、樁基等均為實體C3D8R八節點三維縮減積分單元。考慮到網格與計算時間之間的矛盾，對基礎進行細化網格，其余結構不進行細化，現有強度有限元模型單元總數大約為13.5萬個。一般鋼筋混凝土結構默認鋼筋與混凝土之間錨固情況良好，不會出現粘結滑移，所以鋼筋模型以嵌入形式嵌入混凝土模型之中，默認二者的節點間緊密接觸[2]。塔筒與上錨板、上錨板與灌漿料、灌漿料與基礎、基礎與下錨板、基礎與墊層、樁基與基礎均采用綁定約束。樁基底面設置U2=0的豎向約束，樁基側面設置U1=U3=0的水平約束。

荷載工況：根據NBT10311-2019陸上風電場工程風電機組基礎設計規范的相關規定，按照荷載效應基本組合并用極限狀態荷載對基礎的承載能力極限狀態進行驗算，Fxz、Mxz分項系數1.4，Fy分項系數1.0，安全系數1.0下正常運行及極限狀態Fxz(kN)、Fy(kN)、Mxz(kNm)分別為486/-4376/63438、870/-4070/93334。預應力設計值為655kN，共176根錨栓。

1.2 現有強度有限元模擬結果

本次模擬出于安全考慮，不考慮混凝土在三向受力條件下的應力提高，默認混凝土達到抗拉/抗壓強度標準值，也即混凝土應變達到峰值拉/壓應變時認為混凝土發生受拉/壓破壞，所以可根據主應力圖或主應變圖及損傷云圖來判斷混凝土的破壞情況。通過損傷云圖判斷混凝土損傷位置，通過主應力云圖或主應變云圖判斷混凝土破壞狀態。混凝土達到峰值抗拉/壓強度標準值后混凝土開裂，此后混凝土應力減小，應變增加，鋼筋應力承擔增加，當鋼筋達到屈服應力時構件發生破壞。

圖1 基礎最大主應力/受拉損傷云圖（Z=0主風向剖面圖）

由最大主應力云圖可知，基礎最大主應力為1.996MPa，小于規范中C30抗拉強度標準值2.01MPa，部分混凝土未達到極限抗拉強度，迎風側臺柱及擴展部分混凝土和背風側臺柱根部及擴展部分底面存在應力集中以及剛度退化現象。然后由基礎受拉塑性損傷云圖可知，損傷區域發生在迎風側臺柱與擴展部分交接處及向下延伸區域、背風側臺柱與擴展部分交接處及向上延伸區域，背風側擴展部分相應底部位置以及背風側臺柱上部相應位置等，損傷因子最大值達到0.984。背風側臺柱上部相應位置及背風側臺柱下部相應位置因為灌漿料與混凝土、下錨板與混凝土之間存在結構變化，也會出現拉應力集中以及損傷情況[3]。

基礎最小主應力云圖及基礎受壓損傷云圖如圖2，可知基礎最大壓應力為33.47MPa，大于規范中C30抗壓強度標準值20.1MPa，混凝土達到極限抗壓強度，混凝土會被壓碎，背風側臺柱及向下延伸區域及迎風側臺柱底部出現應力集中及剛度退化現象。然后由基礎受壓塑性損傷云圖可知，損傷區域發生在背風側臺柱及向下延伸區域、背風側臺柱底部位置等，損傷因子最大值達到0.96。

圖2 基礎最小主應力/受壓損傷云圖（主風向剖面圖）

圖3 鋼筋綜合應力云圖（右側為主風向）

根據鋼筋綜合應力云圖可知，鋼筋最大應力為286MPa，小于鋼筋抗拉強度設計值360MPa，且在迎風側臺柱與擴展部分范圍內、背風側臺柱頂面、背風側臺柱根部及擴展部分底部等區域存在應力集中的現象。根據鋼筋應力計算出最大裂縫寬度為0.631mm，大于限值0.3mm。

綜上，低強風機基礎在經歷極限荷載工況后，混凝土在迎風側臺柱及擴展部分混凝土、背風側臺柱根部及擴展部分底面存在拉應力集中和剛度退化，在背風側臺柱及向下延伸區域迎風側臺柱底部存在壓應力集中和剛度退化的現象，其最大拉應力和壓應力往往會超過規范要求的抗拉、抗壓強度標準值，易產生拉開及壓碎，往往會存在鋼筋應力增加、裂縫寬度較大的情況。在荷載重復作用及環境影響因素下混凝土會繼續開裂，鋼筋應力進一步增大，當鋼筋應力達到其屈服強度，可能存在鋼筋斷裂，結構會出現破壞的風險。

針對上述問題，通過擴大基礎截面面積、適當降低預應力等措施，可有效降低基礎應力集中程度及范圍，降低相應部位的損傷程度和范圍，又改善了鋼筋的受力情況，進而減小了基礎最大裂縫寬度，提高了基礎的耐久性，為工程實踐提供了一定的參考。