陸上風機圓形擴展基礎結構受力特性分析

李騰飛

上海勘測設計研究院有限公司

0 引言

風能是一種清潔、安全、綠色無污染的可再生能源，近年來風力發電得到了長足的發展。風電機組基礎具有承受360°方向重復荷載和大偏心受力的特點，隨著風電機組荷載越來越大，環式基礎由于施工時易傾斜、錨固作用有限、易產生裂縫等缺點，已逐漸不能適應新型風機受力的需要。錨栓式風機基礎由于先對錨栓進行預張拉，使機組在運行期間錨板始終與基礎呈受壓狀態，受力特性明確，吸能性能更好，因此得到了較多的應用。但是在預壓力的作用下，錨固區混凝土將承受較大的局部壓力，若設計或施工處理不當，構件將產生較大的裂縫，甚至會將混凝土局部壓碎[1，2]。因此，研究風電機組預應力螺栓基礎的局部受力情況對風機在服役期內的安全與使用有著非常重要的意義。

1 模型參數

結合風場的相關資料，根據制造廠提供的風電機組荷載資料、錨籠環資料，以及工程地質資料，對風機基礎進行設計。在滿足結構和構造要求條件下，確定風機基礎體型為高5.0 m的鋼筋混凝土淺埋式基礎。基礎底部為直徑20.8 m，高0.80 m的圓柱；中間為底面直徑20.8 m，頂面直徑6.6 m，高2.0 m的圓臺；上部為直徑6.6 m，高2.2 m的臺柱，基礎采用C40混凝土，基礎尺寸見圖1和表1。

圖1 圓形擴展基礎簡圖

表1 圓形擴展基礎幾何參數

根據廠家提供的錨栓標準圖,塔筒下部T型法蘭外直徑D1=4 672 mm，內直徑D2=3 850 mm，厚度t1=100 mm；上錨板外直徑D3=4 772 mm，內直徑D4=3 750 mm，厚度t2=40 mm；錨栓數目n=192，預拉力值Pa=660 kN，錨栓直徑d1=48 mm，外圈螺栓分布直徑r1=4 437 mm，內圈螺栓分布直徑r2=4 085 mm；下錨板外直徑D5=4 739 mm，內直徑D6=3 783 mm，厚度t3=55 mm。

材料參數見表2，作用于風機塔筒底部的荷載及風機參數見表3。

表2 材料參數表

表3 作用于風機塔筒底部的荷載及風機參數(不含安全系數)

2 有限元模型建立

2.1 結構模型

運用ANSYS有限元軟件對基礎模型進行分析，模型包括塔架底法蘭、上錨板、下錨板和混凝土承臺（包括混凝土承臺主體和高強灌漿料）。選取整體結構建立錨栓基礎的實體模型，如圖2所示。耦合筒壁上端面全部自由度并施加風機極限載荷，混凝土的下端面部分固結。

圖2 圓形擴展基礎整體圖

極限強度分析關注法蘭的強度和應力集中問題，因此選用solid65單元。該單元是一個高階3維20節點固體結構單元，具有二次位移模式，單元每個節點有3個沿著x、y、z方向平移的自由度，可以具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變能力。混凝土結構采用solid65實體單元模擬混凝土。錨栓選用梁單元beam188。接觸對設置中，分別選用targe170模擬目標面，選用conta174模擬接觸面[3，4]。

2.2 接觸面設置

錨栓組件實體模型中，接觸面分為三類：上錨板及法蘭面接觸區域；上錨板與混凝土面接觸區域；下錨板與混凝土面接觸區域，見圖3。在ANSYS中，兩個結構之間定義接觸之前首先要生成接觸單元，分析中接觸單元分別選用Contal174和Targel170，接觸剛度取默認值1，摩擦系數取0.5。

圖3 接觸設置

2.3 網格劃分

模型網格劃分的整體與局部見圖4，錨栓籠模型網格見圖5，錨板區域采用二次單元solid65劃分網格。模型總單元數共計約33萬。

圖4 基礎整體模型網格

圖5 錨栓籠模型網格

2.4 錨栓荷載的施加

錨栓組件受力狀態分為兩個階段，首先是錨栓預緊，全部錨栓預緊后承受上部荷載作用，其中錨栓預緊起控制作用。分析中，第一個分析步在錨栓上緩慢施加預緊力；第二個分析步將施加最大預緊力和風機極限載荷。

3 極限強度分析

3.1 錨栓籠受力分析

錨板實際受力為壓力Fbolt、彎矩M、剪力、重力。通過分析可知，壓力和重力為主動力，剪力和彎矩是由預拉力和極限荷載的施加引起的被動力。其中，極限荷載產生的作用力對上錨板影響較大，對下錨板受力影響較小。上下錨板受到錨栓預拉力Fbolt產生的荷載效應最大。

圖6為僅施加錨栓預緊力和施加極限載荷后法蘭錨栓群軸向應力圖。由圖6可見，僅施加預緊力每根錨栓的應力為475 MPa；施加極限載荷后受拉區錨栓的應力最大，最大值為497 MPa，受壓區錨栓的應力最小，最小值為451 MPa。內外圈錨栓的應力相差不大，因此內外圈錨栓沿圓周的應力和位移變化趨于一致。

圖6 錨栓群軸向應力圖

圖7和圖8為施加風機極限載荷前后上下錨板的Mises應力圖。從圖中可見，錨板在錨栓孔中心圓附近應力水平較高，上錨板應力受風機載荷影響變化較大，最大應力為84.4 MPa，下錨板應力受風機載荷影響變化不大。下錨板整體應力水平較上錨板高，這是因為上錨板通過法蘭間接承受錨栓施加的預拉力，法蘭與錨板的接觸面積較大，上錨板受力較為均勻，下錨板直接通過螺母墊片在錨板下平面施加預拉力，附近應力水平較高，但除開孔處部分進入塑性狀態外，下錨板整體大部分仍處于彈性受力狀態，局部應力不大于320 MPa，滿足其安全性能要求。

圖7 上錨板應力云圖

圖8 下錨板應力云圖

圖9為施加風機極限載荷前后法蘭的Mises應力圖。塔架底法蘭在施加預應力之后，錨栓孔附近壓應力最大，最大應力為312 MPa，內外圈孔之間應力分布較均勻，內外孔向兩側應力迅速減小；施加極端荷載后，由于荷載先由塔筒傳至法蘭中部，因此法蘭中部應力最大。最大應力為321 MPa，向兩側逐漸減小。

圖9 法蘭應力云圖

錨栓錨板應力分布圖均表明：在錨栓預緊力施加后和極限荷載作用后的兩種工況下，錨栓張拉力變化不大；上錨板在預拉力和極限荷載作用下受力情況良好，始終處于彈性受力狀態下；下錨板在施加彎矩作用前后受力情況變化不大，在下表面的錨栓孔附近有應力集中，符合實際情況；兩種工況下，錨栓組合件主要在法蘭板的錨栓孔邊緣、錨板的錨栓孔邊緣等部位形成較大的應力集中，這是由幾何構造變化而引起，且難以避免。但是，整體而言，整個錨板的應力基本上都小于鋼材的屈服強度，處在彈性受力狀況。

3.2 混凝土承臺受力分析

風力機基礎頂部應力分布云圖見圖10。由圖10可知，僅施加預緊力基礎頂部最大應力為26.8 MPa，施加預緊力和極限載荷后基礎頂部最大應力為41.6 MPa。在預應力和極端荷載共同作用下，混凝土截面為全截面受壓狀態，基礎最大應力主要集中在高強灌漿料附近，模型計算值41.6 MPa大于高強灌漿料C80抗壓強度設計值35.9 MPa，高強灌漿和主體混凝土的局部最大壓應力超出了混凝土的抗壓強度設計值，因此，需要在基礎錨栓一定寬度和深度范圍配置局部受壓鋼筋，以滿足混凝土局部受壓承載力要求[5-7]。混凝土基礎S1應力云圖見圖11。

圖10 混凝土基礎S3應力云圖

圖11 混凝土基礎S1應力云圖

3.3 計算結果

風機基礎結構數值計算應力值見表4。

表4 風機基礎結構應力值(MPa)

4 結論

采用ANSYS軟件建立圓形擴展風力機基礎三維模型，對錨栓式基礎的各個部分進行了錨栓預緊力作用和設計彎矩作用兩種工況下的有限元分析，結論如下：

1）在極限載荷工況作用下，錨栓預緊力數值發生變化，塔筒受拉側的錨栓預緊力增大，塔筒受壓側的錨栓預緊力減小，錨栓預緊力均未超出其設計值。

2）在錨栓預緊力和極限載荷兩種工況作用下，錨栓組合件主要在法蘭板的錨栓孔邊緣、錨板的錨栓孔等部位形成較大的應力集中，這是由幾何構造變化引起，也是難以完全避免的。整體而言，整個上下錨板的應力都小于鋼材Q345的屈服強度，處在彈性受力狀況。

3）在錨栓預緊力和極限載荷兩種工況作用下，下錨板受力變化不大，其應力分布主要取決于錨栓預緊力的作用。

4）基礎最大應力主要集中在高強灌漿料附近，模型計算值41.6 MPa大于高強灌漿料抗壓強度設計值35.9 MPa，高強灌漿和主體混凝土的局部最大壓應力超出了混凝土的抗壓強度設計值，因此，同時需要在基礎錨栓一定寬度和深度范圍配置局部受壓鋼筋，以滿足混凝土局部受壓承載力。