基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周期荷載損傷特征分析

桂鑫保, 葉祖洋*, 熊宇軒

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430081; 2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430081)

陸上風(fēng)電結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)承臺(tái)、塔筒、機(jī)艙、輪轂及葉片。風(fēng)電基礎(chǔ)承臺(tái)是風(fēng)電結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其穩(wěn)定性對(duì)保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土由于長(zhǎng)期受到靜荷載和活荷載的聯(lián)合作用,出現(xiàn)了不同程度的損傷問(wèn)題。因此,為保證風(fēng)力機(jī)能夠在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常安全運(yùn)行,對(duì)比分析混凝土承臺(tái)靜力荷載以及周期效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響至關(guān)重要。

目前陸上風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)主要研究考慮靜力荷載作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷特征。袁萬(wàn)等[4]利用ABAQUS軟件建立塔筒-基礎(chǔ)-地層模型,對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析,發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)承臺(tái)應(yīng)力呈非線性,且在基礎(chǔ)環(huán)中部容易出現(xiàn)屈服變形。陸征然等[5]通過(guò)建立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元模型,結(jié)合概率密度演化方法,分析混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性,得出增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)抗疲勞的方法。史卜濤等[6]分析帶栓釘基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在極限荷載作用下的損傷特征,得出基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的脫開(kāi)距離和范圍。然而,風(fēng)機(jī)有別于一般建筑結(jié)構(gòu),其在運(yùn)行過(guò)程中不僅受到上部結(jié)構(gòu)的靜荷載作用,還長(zhǎng)期受到風(fēng)荷載、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)等周期性荷載影響。在中國(guó)部分地區(qū)[7-10]均出現(xiàn)一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)塔筒差異運(yùn)動(dòng),事實(shí)表明,在長(zhǎng)期的循環(huán)荷載作用下,基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土出現(xiàn)一定程度的損傷破碎,導(dǎo)致其剛度下降,基礎(chǔ)承載力降低。

為了探究周期荷載作用對(duì)基礎(chǔ)混凝土損傷的影響,吳建福等[11]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究不同周期循環(huán)荷載對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,并分析混凝土的損傷特征;孫浩等[12]通過(guò)開(kāi)展低周往復(fù)荷載試驗(yàn),研究鋼管混凝土的開(kāi)裂特征,揭示混凝土墩柱的界面滑移和約束規(guī)律;徐禮華等[13]通過(guò)單軸循環(huán)加載試驗(yàn),研究混凝土的受力性能,并分析循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。針對(duì)混凝土在周期循環(huán)荷載下的損傷特征,大多數(shù)采用混凝土試樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)根據(jù)內(nèi)蒙古某49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的情況,運(yùn)用有限元分析方法和能量等價(jià)原理,建立基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土塑性損傷(concrete damaged plasticity,CDP)模型,考慮周期性荷載作用,對(duì)比分析靜力荷載與周期性荷載作用下,基礎(chǔ)應(yīng)力、損傷變化規(guī)律,為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、加固提供依據(jù)。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的有限元模型

1.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程概況

本項(xiàng)目為內(nèi)蒙古哈達(dá)圖49.5 MW風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)機(jī)型號(hào)為UP77/1500。該工程項(xiàng)目為一期項(xiàng)目,風(fēng)機(jī)位點(diǎn)分布于草原,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,基礎(chǔ)類型為現(xiàn)澆鋼混結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)屬于圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ),底部直徑16.4 m,頂部直徑為6 m,總高度3.2 m,采用C35混凝土;基礎(chǔ)環(huán)部分埋置于混凝土承臺(tái)內(nèi)部,總高度為2.16 m,直徑為2 m,上翼緣厚80 mm,下翼緣厚66 mm,埋深1.66 m,材料為HRB335,基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)保護(hù)層厚度為50 mm。基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面與配筋圖如圖1所示。

1.2 建立有限元模型

首先,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering, CAE)建模軟件建立基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的基本部件,包括基礎(chǔ)混凝土、基礎(chǔ)環(huán)、鋼筋骨架,為方便風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施加荷載,建立部分塔筒模型。其中,基礎(chǔ)混凝土、基礎(chǔ)環(huán)以及部分塔筒模型均為三維可變形的實(shí)體單元。承臺(tái)網(wǎng)格劃分方式按照掃略方式、中心軸算法進(jìn)行劃分,對(duì)圓形進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),掃略方式、中性軸算法可以有效對(duì)模型進(jìn)行均勻劃分,方便模型結(jié)果的收斂,網(wǎng)格尺寸控制在160 mm,承臺(tái)劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)63 670個(gè),單元總數(shù)56 840個(gè),基礎(chǔ)承臺(tái)網(wǎng)格模型如圖2所示。鋼筋骨架由各種環(huán)向鋼筋、豎向鋼筋和穿孔鋼筋裝配而成,均采用三維可變形線單元,鋼筋骨架有限元模型如圖3所示。

圖2 基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)承臺(tái)網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model of foundation bearing table of foundation ring wind turbine

圖3 鋼筋骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of rebar skeleton

1.3 材料參數(shù)

基礎(chǔ)采用C35混凝土。C35混凝土塑性參數(shù)如表1所示,C35混凝土和鋼材彈性參數(shù)如表2所示。鋼筋采用理想的彈塑性體,通過(guò)二折線模型定義鋼材塑性參數(shù)。

表1 混凝土塑性參數(shù)Table 1 Plastic parameters of concrete

表2 材料彈性參數(shù)Table 2 Elastic parameters of materials

在有限元中,基于無(wú)損材料彈性余能與有損材料彈性余能相同的能量等價(jià)假設(shè)[14]具有較好的計(jì)算結(jié)果。本文研究采用CDP模型,該模型規(guī)定混凝土未到達(dá)屈服應(yīng)力前為彈性階段,彈性階段視為無(wú)損傷狀態(tài),不需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,只需輸入非彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線。其損傷參數(shù)按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]取值。取值公式為

(1)

式(1)中:εpl為壓縮或拉伸狀態(tài)下的塑性應(yīng)變;εin/ck為壓縮或拉伸非彈性應(yīng)變;d為損傷因子;σ為無(wú)損材料名義應(yīng)力;E0為無(wú)損材料彈性模量。

C35混凝土的壓縮塑性損傷參數(shù)如表3所示。

表3 C35混凝土壓縮損傷參數(shù)Table 3 Compression damage parameters of C35 concrete

C35混凝土的拉伸塑性損傷參數(shù)如表4所示。

表4 C35混凝土拉伸損傷參數(shù)Table 4 Tensile damage parameters of C35concrete

1.4 單元類型、接觸類型及邊界條件

在初始分析步設(shè)置模型各部件的連接形式,基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間通過(guò)兩者表面接觸關(guān)系進(jìn)行相互作用,在表面與表面接觸時(shí),法向行為定義為硬接觸,切向行為定義為摩擦系數(shù)為0.35的摩擦接觸。實(shí)際工程中,塔筒與基礎(chǔ)環(huán)之間通過(guò)一圈緊密的螺栓連接,因此,在模擬過(guò)程中,通過(guò)綁定約束連接塔筒與基礎(chǔ)環(huán)。鋼筋骨架與基礎(chǔ)混凝土直接通過(guò)Embedded Region的約束方式內(nèi)置于混凝土中。鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)三維桁架單元(T3D2)線單元,此單元類型只承受壓縮和拉伸作用;同時(shí),為了有效解決完全積分單元導(dǎo)致的過(guò)剛和撓度偏小的問(wèn)題,基礎(chǔ)其他各部件均采用沙漏控制的實(shí)體八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元(C3D8R)。由于整個(gè)模型未考慮地層的影響,直接將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的底面進(jìn)行固定約束,保證整個(gè)基礎(chǔ)底面的穩(wěn)固,基礎(chǔ)側(cè)面U1=U3=0。模型邊界條件如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of foundation boundary conditions

1.5 荷載工況

由于基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,為簡(jiǎn)化荷載作用,將上部受力作用分為豎向重力荷載、水平的風(fēng)力荷載和彎矩。通過(guò)在塔筒上部建立參考點(diǎn),并將參考點(diǎn)與塔筒上截面進(jìn)行耦合約束,再將作用力施加在參考點(diǎn)上,以達(dá)到荷載施加的目的。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 靜力荷載工況分析

靜力荷載采用極限荷載工況進(jìn)行分析,工況如表5所示。靜力荷載作用下的基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表6所示,拉伸損傷云圖如圖5所示。

表5 風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載工況Table 5 Operating load of wind turbine

表6 靜力荷載下基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)應(yīng)力和損傷Table 6 Stress and damage of foundation concrete cap

圖5 靜力荷載作用下拉伸損傷云圖Fig.5 Diagram of tensile damage under static load

根據(jù)表6可知,在極限荷載工況下,混凝土承臺(tái)最大拉應(yīng)力為2.294 MPa,大于C35混凝土最大拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為2.2 MPa。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因,承臺(tái)在下法蘭受拉處會(huì)出現(xiàn)一定范圍的拉伸損傷,出現(xiàn)集中的拉伸損傷區(qū),造成基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土脫開(kāi),形成空腔,破壞結(jié)構(gòu)形態(tài)。由圖5可知,在主風(fēng)向下法蘭處,出現(xiàn)一處錐形損傷區(qū)域,并且損傷范圍會(huì)在下法蘭處以平面形式,向基礎(chǔ)中部擴(kuò)展,背風(fēng)向在荷載作用下產(chǎn)生小范圍的、主要為平面擴(kuò)展的拉伸損傷區(qū),面積約為0.3 m2,相較于主風(fēng)向損傷小。損傷最大處為頂部向下1.6 m處,最大值為0.932,向上擴(kuò)展0.4 m,向中部擴(kuò)展1.2 m,損傷面積約為3.35 m2,此區(qū)域損傷值均大于0.85,在1.4 m深度,拉伸損傷位置近似對(duì)稱,但基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)測(cè)混凝土損傷程度較大,損傷值為0.6。

混凝土承臺(tái)壓縮損傷云圖如圖6所示。根據(jù)表6可知,混凝土承臺(tái)最大壓應(yīng)力為17.990 MPa,小于C35混凝土壓應(yīng)力最大設(shè)計(jì)值26.6 MPa。由圖可知,在靜力荷載工況作用下,混凝土承臺(tái)只在主風(fēng)向基礎(chǔ)環(huán)下法蘭內(nèi)測(cè)混凝土產(chǎn)生小范圍的受壓損傷,面積約為0.15 m2,且最大壓縮損傷為0.208,基礎(chǔ)承臺(tái)的壓縮損傷較小。

圖6 靜力荷載作用下壓縮損傷云圖Fig.6 Diagramof compression damage under static load

基礎(chǔ)位移云圖如圖7所示。在主風(fēng)向,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大位移,達(dá)到0.519 mm,下法蘭處由于基礎(chǔ)環(huán)翼緣運(yùn)動(dòng),外側(cè)混凝土產(chǎn)生0.1～0.3 mm的位移,且越往中部位移量逐漸減少,在背風(fēng)向處,豎向產(chǎn)生約0.13 mm位移,最大位移發(fā)生在下法蘭翼緣外側(cè)混凝土處,達(dá)到0.213 mm。

圖7 靜力荷載作用下基礎(chǔ)位移云圖Fig.7 Diagramof foundation displacement under static load

鋼筋骨架Mises應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知,應(yīng)力最大處出現(xiàn)在主風(fēng)向第二層穿孔鋼筋處,為204.4 MPa,未超過(guò)鋼筋屈服應(yīng)力335 MPa,認(rèn)為鋼筋能夠繼續(xù)承擔(dān)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖8 靜力荷載作用下鋼筋骨架Mises應(yīng)力圖Fig.8 Diagramof Mises stress of the rebar skeleton under static load

2.2 周期性荷載工況分析

由于風(fēng)機(jī)上部長(zhǎng)期受到風(fēng)荷載的作用,會(huì)產(chǎn)生一定的周期性運(yùn)動(dòng),通過(guò)施加周期性位移荷載,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的受力特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知,塔筒頂面傾角約在0.4°以內(nèi),塔基非均勻傾角在0.02°范圍內(nèi)波動(dòng),因此,在塔筒1 m處設(shè)置一個(gè)2 mm的周期位移荷載,模擬上部結(jié)構(gòu)晃動(dòng),由于主要受到風(fēng)荷載作用,主風(fēng)向位移會(huì)大于背風(fēng)向位移,因此在背風(fēng)向施加的位移荷載為1 mm。周期荷載如表7所示。

表7 周期荷載Table 7 Cycle load

周期性荷載工況下的基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表8所示,拉伸損傷云圖如圖9所示。

表8 周期荷載下基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)應(yīng)力和損傷Table 8 Stress and damage of foundation concrete cap

圖9 周期性荷載作用下拉伸損傷云圖Fig.9 Diagram of tensile damage under cycle load

根據(jù)表8可知,周期性荷載作用下混凝土承臺(tái)的最大拉應(yīng)力為2.209 MPa,大于C35混凝土最大拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為2.2 MPa。由圖9可知,在主風(fēng)向下法蘭處,出現(xiàn)一處集中分布的損傷區(qū)域,損傷區(qū)域從臺(tái)柱下外側(cè)沿45 °向承臺(tái)中部擴(kuò)展,在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)形成沖切損傷,基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)測(cè)損傷從基礎(chǔ)環(huán)下法蘭1.6 m處向中部擴(kuò)展2.3 m,面積約為14.2 m2,且在深度1.6～2.1 m處形成L型損傷,在第一層穿孔鋼筋處形成一個(gè)長(zhǎng)度0.3 m,面積0.9 m2的弧形損傷區(qū)域。背風(fēng)向損傷深度為1.6 m,面積約為1.0 m2,相較于主風(fēng)向損傷程度低。

混凝土承臺(tái)壓縮損傷云圖如圖10所示。根據(jù)表8可知,承臺(tái)最大壓應(yīng)力為17.640 MPa,周期性荷載作用下的最大壓應(yīng)力小于C35混凝土壓應(yīng)力最大設(shè)計(jì)值,因此混凝土承臺(tái)能夠承受結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓應(yīng)力。由于疲勞作用,降低混凝土強(qiáng)度,因此在承臺(tái)下法蘭處會(huì)產(chǎn)生一定的損傷,面積約為0.25 m2,最大壓縮損傷為0.315,大部分損傷為0.17,損傷程度較小。

圖10 周期性荷載作用下壓縮損傷云圖Fig.10 Diagramof compression damage under cycle load

基礎(chǔ)位移云圖如圖11所示。在主風(fēng)向,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上部在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大位移,達(dá)到1.345 mm,下法蘭處由于基礎(chǔ)環(huán)翼緣運(yùn)動(dòng),外側(cè)混凝土產(chǎn)生0.5～0.7 mm的位移,且越往中部位移量逐漸減少,在背風(fēng)向處,產(chǎn)生約0.12 mm位移,最大位移發(fā)生在基礎(chǔ)上部混凝土處,達(dá)到0.350 mm。

圖11 周期性荷載作用下基礎(chǔ)位移云圖Fig.11 Diagram of foundation displacement undercycle load

鋼筋骨架Mises應(yīng)力云圖如圖12所示。由圖12可知,應(yīng)力最大為307 MPa,未超過(guò)鋼筋屈服應(yīng)力335 MPa,在周期性荷載作用下,鋼筋承受應(yīng)力70～150 MPa區(qū)間向中部擴(kuò)展,底部鋼筋受力均勻,可認(rèn)為鋼筋骨架能夠正常工作。

圖12 周期性荷載作用下鋼筋骨架Mises云圖Fig.12 Diagram of Mises cloud of rebar skeleton under cycle load

3 結(jié)論

根據(jù)內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程概況,建立了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土損傷模型,通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)比分析了靜力荷載工況與周期性荷載工況作用下,基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不同的應(yīng)力應(yīng)變與損傷狀況,得出以下結(jié)論。

(1)在靜力荷載作用下,基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處,基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)混凝土損傷沿水平擴(kuò)展,主風(fēng)向的損傷程度較大于背風(fēng)向,損傷形式以拉伸損傷為主,鋼筋骨架性能基本穩(wěn)定。

(2)在周期性荷載工況作用下,下法蘭處拉伸損傷區(qū)較靜力荷載下更大,損傷面積增大約3倍,壓縮損傷也更大,增大約2倍,由于承臺(tái)背風(fēng)向主要受壓應(yīng)力影響,背風(fēng)向損傷區(qū)變化不大;基礎(chǔ)整體位移量增加,增大約1.6倍,且整體位移向中部發(fā)展;基礎(chǔ)混凝土鋼筋骨架受力增加,最大應(yīng)力增加0.5倍。