風電機組基礎環周邊混凝土受力機理分析及基礎加固

謝冰冰， 袁 凌,2,3， 王小虎， 張林中， 寧紅超

(1.國電聯合動力技術有限公司， 北京 100039； 2.風電設備及控制國家重點實驗室， 保定 071000；3.國家能源潮汐海洋能發電技術重點實驗室， 北京 100039)

陸上風力發電機的基礎形式基本可分為基礎環式和預拉錨栓式，其中基礎環的應用歷史較長技術較為成熟，但其中也存在一系列共性問題[1]，其中較為顯著的有：混凝土開裂導致基礎環與混凝土之間產生間隙，間隙越大風機運行的動荷載對基礎混凝土的破壞性也越強；由于混凝土上表面被破壞，其防水密封也隨之被破壞，雨水沿基礎環側面下滲，與磨碎的混凝土混合形成灰漿，造成“返水冒漿”，其間接加速了混凝土的破壞進程；基礎環周邊鋼筋被剪斷，導致基礎環與混凝土之間黏結性降低。

針對上述問題，學者們對基礎環式風機基礎進行了研究。理論方面：鄧友生等[2]系統地闡述了中外風電機組基礎的結構形式及計算方法的研究現狀與最新進展，并指出風電機組基礎研究和應用中存在的問題；劉梅梅等[3]通過數值模擬的方法研究了基礎環形式、高度及配筋對混凝土應力及結構的影響；李大均等[4]通過有限元ABAQUS計算了基礎環不同埋深和下法蘭不同寬度下的基礎混凝土應力、鋼筋應力及基礎環位移等；李大勇等[5-6]分別對砂土中陸地風電空心錐形基礎水平承載力的影響因素及山區風電臨坡圓形基礎傾覆失穩對坡體變形的影響進行了分析；康明虎等[7]采用了有限元方法分析了基礎環附近混凝土的局部受力情況，并討論了混凝土的損傷原因；范洪軍等[8]主要針對基礎環的疲勞強度進行力學分析?；A加固治理方面：汪宏偉[1]采取注漿方法對基礎進行加固，并詳細闡述了具體施工工序，這是目前常見的加固方式；陳俊嶺等[9]提出了對臺柱側壁設立鋼絞線的加固方法，但此方法因鑿除臺柱混凝土保護層，破壞了原有結構。

綜上所述，風機基礎環式基礎破壞損傷機理的研究方法主要集中在數值計算方法，這一方法可以精確計算，但大多數針對特定工程實例；目前加固主要針對混凝土裂縫進行注漿處理，但在動荷載作用下混凝土容易反復出現裂縫，實際效果不理想。目前基礎加固方法均是從實際工程經驗出發，力學理論分析較為欠缺，若要從根本上解決基礎環式基礎混凝土開裂等問題，首先必須弄清楚混凝土的應力場和位移場，但目前鮮有發現類似的研究成果。因此很有必要深入地研究基礎環周邊混凝土的受力狀態，其具有重要的理論和實際工程價值。

主要對風機基礎環周邊混凝土的應力場和位移場進行解析，提出改善混凝土應力場的解決方案，并通過工程實例進行驗證。首先采用半逆解法對基礎環周邊混凝土的應力場和位移場進行求解；其次，因外側圍壓對混凝土裂紋擴展的抑制作用，將外側圍壓考慮進去，進一步對混凝土的應力場及位移場進行求解；最后將二者進行對比分析，從理論上研究圍壓對混凝土裂紋擴展的抑制作用，對工程防治提出合理建議。

1 基礎環周邊混凝土所受非均勻作用力形式

1.1 基礎環周邊混凝土災害

風機基礎環周邊混凝土開裂及返水冒漿等災害如圖1所示。基礎環與混凝土之間的裂縫若不及時處理，在風機復雜動荷載作用下裂縫會進一步擴展，嚴重時甚至出現風機整體傾覆的后果。

圖1 基礎環周邊混凝土破壞形式

出現上述災害的原因，部分是混凝土強度達不到要求以及施工質量不高造成的。但上述災害作為共性問題存在時，就需要對基礎環周邊混凝土的受力機理進行深入分析，從根源上找到治理災害的解決方案。

1.2 風機運行時荷載傳遞

風機運行時塔筒傳遞至基礎的荷載非常復雜，一般有豎向荷載、橫向荷載、彎矩等。在啟停時風機會在風向方向前后擺振，如圖2所示。

圖2 風機啟停時前后擺振

此時塔筒傳遞給基礎的荷載對基礎的沖擊作用是很大的，基礎環周邊混凝土必然會受到不均勻的徑向應力從而導致應力集中(圖3)，極有可能使混凝土壓碎、破裂，繼而產生裂縫。

圖3 基礎混凝土受到非均勻作用力

1.3 非均勻作用力形式的討論

對于非均勻的徑向壓力，目前沒有明確的分布曲線，常用一些函數曲線近似表示荷載分布規律的不均勻性[10]。如采用倍角余弦曲線的非均勻徑向壓力分布，即

q=0.5qtopβ(1+cos2θ)

(1)

也有采用單角正弦函數分布，即

q=qtopβsinθ

(2)

吳慶良等[10]為了克服式(1)、式(2)在θ=0°、90°處荷載為零的缺點，又提出式(3)：

q=qtop(1+msin2θ)

(3)

式中：q為作用在筒體外側非均勻壓力；qtop為圓形頂點處的壓力；β為荷載分布規律的不均勻性系數；θ為環向角度；m為荷載非均勻程度系數。

侯鵬翔[11]提出了不均勻荷載的分布，即

q=qtop(1+βsinα)/(1+β)

(4)

式(4)中：α為環向夾角。

參考上述研究，并結合風機基礎的受力情況，提出基礎環周邊非均勻的徑向壓力的分布形式如式(5)及圖4所示。

圖4 不同k值時非均勻力的分布形式

q=q0(1+kcos2θ)

(5)

式(5)中：q0表示不均勻徑向壓力的最小點處的壓力；k∈(0，1)表示風機擺振程度，擺振幅值越大k值越大；θ∈[0,2π]。

2 應力場位移場解析

2.1 混凝土應力場解析

混凝土周邊處的非均勻作用力的函數形式(圖4)為

q=q0(1+kcos2θ)，k∈(0,1),θ∈(0,2π)

(6)

可展開為

(7)

式(7)中：σ′r與σ″r分別為分均勻作用力q的應力分量，按疊加法可將q分解為

(8)

2.1.1 問題(1)的解

σ′r、σ′θ所對應的問題是混凝土內邊界所受均勻作用力，a為基礎環外半徑，b為臺柱混凝土外半徑，r為半徑變量，邊界條件為

(9)

(τ′rθ)r=a=0

(10)

(σ′r)r=b=0

(11)

(τ′rθ)r=b=0

(12)

由拉梅方程得出各個應力分量可表示為

(13)

(14)

τ′rθ=0

(15)

式中：A、C為相對應項的系數；邊界條件(τ′rθ)r=a=0及(τ′rθ)r=b=0已自動滿足，代入其余兩項即可，即將式(9)、式(10)分別代入式(13)得

(16)

(17)

(18)

(19)

τ′rθ=0

(20)

2.1.2 問題(2)的解

采用半逆解法思路，邊界條件為

在對觀測過程中的涉及到的各項資料進行整理時，應當在表中填入觀測日期、觀測標高等各項數據，完成對月沉降率，以及沉降量的計算，最終依據數據，繪制沉降過程曲線圖。

(21)

(τ″rθ)r=a=0

(22)

(σ″r)r=b=0

(23)

(τ″rθ)r=b=0

(24)

若要滿足邊界條件，則應力函數φ中應當含有cos2θ因子，而σ″r和τ″rθ都是變化的且與r有關，則φ是也r的函數。故可假設應力函數為φ=f(r)cos2θ，應力函數需滿足相容方程λ=1.1?？傻?/p>

(25)

化簡并整理得

(26)

式(26)通解為

f(r)=Ar4+Br4+C+D/r2

(27)

式(27)中：B、D為相對應項的系數，將式(23)代入應力函數，得

φ=(Ar4+Br4+C+D/r2)cos2θ

(28)

將式(21)代入如下應力分量：

徑向應力為

(29)

環向應力為

(30)

切向應力為

(31)

整理得

σ″r=-(2B+4C/r2+6D/r4)cos2θ

(32)

σ″θ=(12Ar2+2B+6D/r4)cos2θ

(33)

τ″rθ=(6Ar2+2B-2C/r2-6D/r4)sin2θ

(34)

根據邊界條件求解積分常數，將式(21)～式(24)代入式(32)、式(34)，得A=B=0，C=-q0ka4/4，D=q0ka4/12。

將其再代入式(32)～式(34)，得

(35)

(36)

(37)

將式(18)～式(20)與式(35)～(37)分別對應疊加，即可得到混凝土周邊處有非均勻作用力條件下的應力場解析為

(38)

(39)

(40)

2.2 圍壓作用下混凝土應力場

鋼筋與混凝土之間具有可靠的黏結性能，二者才能共同作用抵御外界的各種荷載。趙衛平等[12-13]主要研究了橫向壓力對鋼筋與混凝土黏結性能的影響，研究結果表明：橫向壓力在影響鋼筋與混凝土黏結性能的諸因素中起著至關重要的作用，但橫向壓力過大也會造成鋼筋混凝土界面應力集中的不利影響，因此橫向壓力存在一個上限值，其上限值一般取0.4fck，其中fck為混凝土單軸抗壓強度標準值。

文獻[12-13]中的橫向壓力可簡化為風機基礎臺柱混凝土外側的圍壓，在臺柱混凝土外側施加圍壓p示意圖如圖5所示。

圖5 圍壓p作用在風機基礎臺柱混凝土外側

臺柱混凝土在幾何尺寸上可歸類為厚壁圓筒模型，施加圍壓p后臺柱混凝土應力場的解析可直接參考拉梅方程解析過程，其臺柱混凝土的徑向應力、環向應力及切向應力表達式如下。

臺柱混凝土的徑向應力：

(41)

臺柱混凝土的環向應力：

(42)

臺柱混凝土的切向應力：

τrw=0

(43)

2.3 考慮圍壓作用下臺柱混凝土總應力場

考慮圍壓作用下臺柱混凝土總的應力場為式(38)～式(40)分別與式(41)～式(43)進行疊加，可得臺柱混凝土總的應力場。

總的徑向應力：

(44)

總的環向應力：

(45)

總的切向應力：

(46)

2.4 位移場解析

臺柱混凝土應力場求出后依據幾何關系和本構關系求出臺柱混凝土的位移解。幾何關系如下。

徑向應變：

(47)

環向應變：

(48)

式(48)中：ur為徑向位移。

切向應變：

(49)

本構方程為

(50)

(51)

式中：E為材料彈性模量；v為材料泊松比。

(52)

3 工程實例驗證

西北山區某風電場2.3 MW風機，其主要基礎參數：基礎環外半徑2 150 mm，高度2 000 mm；臺柱外半徑4 300 mm；基礎混凝土強度等級C40，根據《風電機組地基基礎設計規定(試行)》(FD 003—2007)[14]，混凝土抗壓強度標準值取fck=26.8 MPa，混凝土抗拉強度標準值取ftk=2.39 MPa。實地考察中發現風機基礎臺柱混凝土開裂破碎等基本都發生在基礎環周邊較小范圍內，取k=0.5，q0=1.3 MPa，符合實際情況。

3.1 不考慮圍壓p作用時應力場

首先沿徑向方向進行應力計算分析，結果如圖6所示。

圖6 臺柱混凝土沿徑向方向應力場

由圖6可知，臺柱混凝土其徑向應力σr為正值(壓應力)，且角度θ由0°增大至90°時其應力值逐漸減小；環向應力σθ為負值(拉應力)，且θ由0°增大至90°時其應力值逐漸增大；因此σr最大值在0°位置處，σθ最大值在90°位置，且二者的絕對值均沿著徑向方向而變小。

由于臺柱混凝土的抗拉強度標準值取ftk=2.39 MPa，由圖6可知，在基礎環外側500 mm范圍內臺柱混凝土環向拉應力值均超過混凝土抗拉強度標準值，其徑向壓應力遠遠小于混凝土抗壓強度標準值；據此可認為基礎環周邊臺柱混凝土的破壞是由環向拉應力引起的。因此應該重點研究基礎環外500 mm范圍內臺柱混凝土的應力場。

分別選取徑向距離r=2 250、2 350、2 450、2 550 mm 處0°～360°范圍的應力場進行分析，如圖7所示。

圖7 不同r處混凝土應力場

3.2 考慮圍壓p作用時應力場

為研究圍壓p對臺柱混凝土應力場的影響，選取r=2 250 mm處徑向應力σr和環向應力σθ，考慮圍壓p=0.9 MPa前后分別將其值進行對比，如圖8所示。

圖8 圍壓p作用前后混凝土應力場對比

分析圖8(a)可以看出，施加圍壓p后徑向壓應力σr變大，但其增量較??；圖8(b)中可以看出，施加圍壓p后環向拉應力σθ顯著變小，由原來超過混凝土抗拉強度標準值變為小于抗拉強度標準值，可以顯著改善混凝土由拉應力產生的破壞。

3.3 徑向位移場

圖9為施加圍壓p前后r=2 150 mm任一角度的徑向位移μr的對比結果。

圖9 圍壓p作用前后μr的對比

圖9結果顯示：施加圍壓p使基礎環周邊混凝土的徑向位移μr變小，抑制了混凝土裂縫的產生。

4 工程解決方案

工程中施加圍壓p方案：采用兩個半圓鋼環，鋼環內徑r要略小于基礎臺柱外半徑R，厚度為t，高度等于臺柱高度，兩個半圓鋼環之間通過法蘭螺栓連接，安裝過程中通過不斷擰緊螺栓達到施加圍壓的目的，其示意圖及計算簡圖如圖10所示。參數設計步驟如下。

圖10 鋼環設計簡圖

步驟1先確定厚度t：如圖10所示，鋼環的拉應力f應小于等于相對應鋼材的抗拉強度，可表示為

(53)

式(53)中：R為基礎臺柱外半徑；fy鋼材抗拉強度。

以Q235鋼材為例，其抗拉強度375 MPa≤fy≤500 MPa，取其最小值fy=375 MPa,p=0.9 MPa，R=4 300 mm，代入式(53)可得：t≥10.32 mm，取t=11 mm。

步驟2鋼環內半徑r。鋼環施加圍壓后的應變ε可表示為

(54)

鋼環拉應力σ=f為

(55)

取Q235彈性模量E=200 GPa，將式(54)、式(55)代入本構方程σ=Eε可得鋼環內半徑，其表達式為

(56)

上述為鋼環厚度及內半徑的設計步驟，其高度取基礎臺柱高度。鋼環設計分為2段，實際中應考慮制作、施工安裝等工序選取合適的尺寸進行分段，但其參數計算過程是一致的。

5 結論

(1)針對風電工程中常見的基礎混凝土開裂、冒漿等問題，深入剖析了基礎環周邊混凝土的受力機理，解析了混凝土的應力場和位移場，有廣泛的適用性。

(2)考慮在基礎臺柱混凝土外側施加圍壓p，經過實例計算可知：①施加圍壓p后，臺柱混凝土的徑向壓應力σr有小幅度增大，但仍遠小于混凝土的抗壓強度標準值；②施加圍壓p后，臺柱混凝土的環向拉應力σθ顯著減小，由原來超過混凝土抗拉強度標準值變為小于抗拉強度設計值，消除或降低了由混凝土因拉應力產生破壞的風險；③施加圍壓p后，基礎環周邊混凝土的徑向位移也變小了，可以抑制裂縫的擴展；④施加圍壓p后，改善了混凝土和鋼筋的黏結性能，提高了二者的機械咬合力。

(3)提出了一種在工程中適用的施加圍壓的實現方案，并給出了參數設計過程。