輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)有限元分析

張 迪，羅全勝，劉憲亮

（1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)是風(fēng)電場建設(shè)的主要土建工程，作為風(fēng)機(jī)塔架的基礎(chǔ)，其所承受的荷載，各個方向均有可能。其中水平風(fēng)荷載和傾覆力矩較大，對整個基礎(chǔ)影響較為明顯[1~4]。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)為特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋼筋分布復(fù)雜，為了驗(yàn)證其主要受力鋼筋配筋和配置形式的合理性，以輝騰錫勒風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)為例，采用有限元法，對其底部鋼筋網(wǎng)和基礎(chǔ)環(huán)附近豎向鋼筋進(jìn)行分析。

1 工程概況

輝騰錫勒擴(kuò)建30MW 風(fēng)電項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右中旗境內(nèi)，緊鄰原有風(fēng)電場場區(qū)，擬建東西兩個場區(qū)。 兩場區(qū)共布置22 臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中備選風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩臺。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)采用圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)，高度為3.20 m，頂部臺柱高度為1 m，分為上下4 節(jié)（如圖1 所示）。 其內(nèi)部的受力鋼筋主要包括基礎(chǔ)底部鋼筋和基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外的豎向鋼筋等。

初設(shè)時，底部主筋的分布采用雙向正交分布（形式1，如圖2 和圖3 所示）。 由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受上部的水平風(fēng)荷載和傾覆力矩較大，360°風(fēng)向均有可能[1]，形式1 并不符合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)。 經(jīng)過進(jìn)一步分析研究， 決定采用徑向分布 （形式2， 如圖4 所示）?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)外，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺柱外側(cè)的豎向鋼筋，位置如圖5 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)立視圖(單位:mm)Fig.1 Wind-driven generator foundation elevation view (Unit: mm)

圖2 形式1 底部主筋雙向正交分布Fig.2 Type 1 bottom main reinforcement two-direction orthogonal distribution

圖3 形式1 主筋上層的加密鋼筋網(wǎng)Fig.3 Reinforcing mattress of type 1 main reinforcement layer

圖4 型式1 底部主筋徑向分布Fig.4 Type 1 bottom main reinforcement radial distribution

圖5 有限元模型中模擬的豎向鋼筋Fig.5 Vertical steel of finite element model simulation

2 有限元計(jì)算原理及模型

2.1 計(jì)算原理

有限元模型模擬鋼筋混凝土的方式主要包括分離式、整體式和組合式。 本文采用的是整體式處理方法，即把鋼筋分布于整個單元之中，混凝土與鋼筋黏結(jié)得較好。 假設(shè)單元為連續(xù)均勻材料，其特點(diǎn)是對混凝土和鋼筋單元的剛度矩陣進(jìn)行了綜合[5]。

計(jì)算完成后，通過定義單元表，可以查看鋼筋的應(yīng)力。 鋼筋混凝土單元采用solid65 單元進(jìn)行模擬，單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的總體剛度矩陣如式（1）所示。

式中：Nr為鋼筋的數(shù)目（能夠設(shè)置3 種）；ViR為加固材料的體積率，也就是體積配筋率；[Dc]為混凝土的剛度矩陣；[DR]i為第i 個加固物即鋼筋的剛度矩陣。

2.2 有限元模型

有限元模型主要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)底鋼筋和基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外的豎向鋼筋進(jìn)行模擬。 根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的資料，選取極端荷載工況修正后的荷載，水平合力矩841 kN·m， 扭矩44 200 kN·m， 水平合力558 kN，豎向力2 564 kN。 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂部錐面施加由覆土產(chǎn)生的梯形荷載。

在基礎(chǔ)環(huán)的頂部，設(shè)置剛性區(qū)域，荷載通過質(zhì)量單元傳遞到基礎(chǔ)環(huán)頂部。 為符合工程實(shí)際，在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外壁與混凝土的交界處、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部與地基的交界處，均設(shè)置有接觸單元。 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的有限元模型如圖6 所示，模型參數(shù)如表1 所示。 圖6 中顏色較深的單元為加筋單元。

圖6 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體網(wǎng)格模型Fig.6 Wind-driven generator foundation integrity gridding model

表1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元模型參數(shù)Table 1 Wind-driven generator foundation finite element model parameter

3 結(jié)果分析

在有限元模型中，在相同鋼筋用量的前提下，分別對兩種不同的配筋形式進(jìn)行了分析和對比。 在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作用于地基之前，地基沉降已經(jīng)完成，所以底部擴(kuò)展地基重度為0。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)產(chǎn)生彎矩的風(fēng)向平行于底部主筋，底部主筋采用形式1 分布，X 方向鋼筋最大應(yīng)力為67.150 MPa，Y 方向鋼筋的最大應(yīng)力為4.175 MPa。鋼筋應(yīng)力如圖7 和圖8 所示。 當(dāng)風(fēng)向與雙向正交分布鋼筋夾角均為45°時，底部主筋鋼筋應(yīng)力如圖9和圖10 所示。 由于荷載中扭矩的影響，兩個方向鋼筋的最大應(yīng)力有著微小的差別，X 方向順時針旋轉(zhuǎn)45°分布的鋼筋最大應(yīng)力為45.9 20MPa，逆時針旋轉(zhuǎn)45°分布的鋼筋最大應(yīng)力為46.082 MPa。

當(dāng)?shù)撞恐鹘畈捎眯问? 分布時， 徑向分布的鋼筋最大應(yīng)力為39.440 MPa， 環(huán)向鋼筋的最大應(yīng)力為12.780 MPa（如圖11 和圖12 所示）。

圖7 形式1 平行風(fēng)向鋼筋應(yīng)力Fig.7 Type 1 parallel wind direction steel stress

圖8 形式1 垂直風(fēng)向方向鋼筋應(yīng)力Fig.8 Type 1 vertical wind direction steel stress

在豎向鋼筋中， 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外側(cè)的豎向鋼筋出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力。底部主筋在徑向配置時，豎向筋的最大鋼筋應(yīng)力達(dá)到了124.837 MPa。底部主筋為雙向正交分布，風(fēng)向與底部主筋平行時，豎向筋最大應(yīng)力為126.468 MPa。 雙向正交分布底部主筋與風(fēng)向成45°夾角時，豎向鋼筋最大值為134.047 MPa。

圖9 形式1 X 軸45 度方向鋼筋應(yīng)力Fig.9 Type 1 X axis 45 degree direction steel stress

圖10 形式1 X 軸-45 度方向鋼筋應(yīng)力Fig.10 Type 1 X axis -45 degree direction steel stress

圖11 形式2 徑向鋼筋應(yīng)力分布Fig.11 Type 2 radial direction steel stress distribution

4 結(jié)語

圖12 形式2 環(huán)向鋼筋應(yīng)力分布Fig. 12 Type 2 loop direction steel stress distribution

底部主筋采用以上兩種形式分布時，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要受力鋼筋的應(yīng)力均未達(dá)到屈服極限，因而這兩種配筋方案是合理的。但是，徑向分布不受風(fēng)向改變的影響，而雙向正交分布受風(fēng)向影響較大，風(fēng)向改變時，底部主筋的應(yīng)力最大值相差達(dá)到50%。 采用同樣的配筋量，在雙向正交的情況下，無論當(dāng)風(fēng)向平行于底部主筋，還是與底部主筋成45°夾角，鋼筋應(yīng)力均大于徑向分布時的鋼筋應(yīng)力。因此，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部主筋徑向分布要優(yōu)于雙向正交分布。

在通常情況下， 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部配筋計(jì)算主要由極端荷載工況基礎(chǔ)變臺階處抗彎控制，但是在有限元計(jì)算中，鋼筋應(yīng)力最大處出現(xiàn)于基礎(chǔ)環(huán)受壓一側(cè)的正下方，也正好在此處，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的下凹處變形最大（如圖13 所示）。 關(guān)于底部配筋控制斷面的選取，還有待于進(jìn)一步研究。

圖13 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土垂直剖面位移圖Fig.13 Concrete vertical section vertical displacement of wind-driven generator foundation

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