無收縮混凝土提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安全性分析

王雍

摘 要：分析目前陸地風(fēng)電場基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形和受力特征弱點(diǎn)以及基礎(chǔ)破壞機(jī)理，探討性提出了采用無收縮性混凝土解決風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間出現(xiàn)間隙縫問題，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性，對工程界具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：無收縮混凝土；基礎(chǔ)環(huán)；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；間隙縫

中圖分類號：TU528.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0062-02

1 前言

目前全國很多陸地風(fēng)電場采用基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式，不少風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行中已發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)松動等安全性問題，主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間出現(xiàn)間隙縫，縫面有冒灰現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)風(fēng)機(jī)塔筒偏斜，需要采取包括停機(jī)、基礎(chǔ)灌漿、加固等處理措施，對工程造成經(jīng)濟(jì)損失。如何提高基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的運(yùn)行安全性，正受到工程界關(guān)注。

2 基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力破壞機(jī)理

基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要有圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和肋梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。以圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，結(jié)構(gòu)形式見圖1，混凝土基礎(chǔ)呈圓臺形，大功率2MW及以上風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)底板直徑一般達(dá)19～20m，基礎(chǔ)高度達(dá)3.0～3.8m，鋼制基礎(chǔ)環(huán)直徑一般約4.3m，鑲嵌在混凝土內(nèi)，與混凝土之間屬光面接觸，基礎(chǔ)環(huán)上部通過螺栓與鋼制風(fēng)機(jī)塔筒連接，塔筒高度一般超過80m。

塔筒上部重量和巨大彎矩荷載通過基礎(chǔ)環(huán)傳遞給周圍基礎(chǔ)混凝土，再擴(kuò)展至基礎(chǔ)地基。由于基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土的材料性質(zhì)差異較大，變形不連續(xù)，以及基礎(chǔ)環(huán)對基礎(chǔ)混凝土的切割作用，基礎(chǔ)環(huán)下端法蘭周圍存在較大的應(yīng)力集中。例如，對某風(fēng)電場2.2MW風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行三維有限元模擬分析，結(jié)果顯示，見圖2，在極端工況設(shè)計(jì)荷載下，迎風(fēng)側(cè)下法蘭的上部和背風(fēng)側(cè)下法蘭的底部均會出現(xiàn)較大壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力值達(dá)18.4MPa，即使對于C35強(qiáng)度等級的混凝土來說，在極端工況下，由于巨大的局部壓應(yīng)力在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍往復(fù)出現(xiàn)，該部位混凝土容易發(fā)生破壞。

同時(shí)，如果基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間混凝土施工質(zhì)量原因或其它原因出現(xiàn)輕微間隙縫，基礎(chǔ)環(huán)出現(xiàn)松動，風(fēng)機(jī)塔筒的擺幅將會增加，傳遞給基礎(chǔ)環(huán)的彎矩荷載也會隨之增加，基礎(chǔ)環(huán)下端法蘭傳遞給周圍局部混凝土的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力將大幅增加，使下法蘭周圍局部混凝土加劇發(fā)生拉裂或壓碎破壞。基礎(chǔ)環(huán)上端表面封閉止水破壞時(shí)，雨水沿基礎(chǔ)環(huán)側(cè)面間隙縫下滲，下法蘭周圍磨碎的混凝土粉塵與雨水混合物形成灰漿，沿著縫隙向上部不斷冒出，當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍混凝土破壞嚴(yán)重或出現(xiàn)較大空洞時(shí)，風(fēng)機(jī)塔筒將嚴(yán)重偏斜，影響工程安全。

因此，從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)破壞機(jī)理過程來看，基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式存在一定的弱點(diǎn)：（1）基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍局部范圍內(nèi)存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在塔筒往復(fù)擺動過程中局部混凝土容易發(fā)生破壞；（2）基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間一旦出現(xiàn)間隙縫，會加劇風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的破壞過程。通過分析可知，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間始終保持緊密的接觸握合作用，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行安全性具有至關(guān)重要的作用，一方面可以使基礎(chǔ)環(huán)的受力較均勻擴(kuò)散到基礎(chǔ)混凝土中，減緩基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍混凝土的應(yīng)力集中；另一方面可以防止下法蘭周圍混凝土磨碎后的粉塵向上部冒出而加劇基礎(chǔ)的破壞過程。

采用基礎(chǔ)環(huán)的肋梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)同樣具有上述結(jié)構(gòu)變形和受力方面的自身弱點(diǎn)。

3 基礎(chǔ)環(huán)與混凝土間隙縫的原因

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間出現(xiàn)微小間隙縫，除了施工過程中混凝土振搗不密實(shí)原因外，最主要原因是由于混凝土存在自身干縮變形。許多混凝土材料試驗(yàn)結(jié)果表明，影響混凝土干縮變形的主要因素有：

（1）水泥用量、細(xì)度、品種。水泥用量越多，水泥石含量越多，干縮越大；水泥細(xì)度越大，混凝土用水量越多，干縮越大，高標(biāo)號水泥細(xì)度往往較大，使用高標(biāo)號水泥的混凝土干縮較大；使用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥時(shí)，混凝土的干縮較大。

（2）水灰比。水灰比越大，混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙就越多，混凝土干縮越大。

（3）骨料的規(guī)格與質(zhì)量。骨料的粒徑越大，級配越好，則水與水泥用量越少，混凝土的干縮越??；骨料的含泥量及泥塊含量越多，混凝土干縮越大；針、片狀骨料含量越多，混凝土干縮越大。

（4）養(yǎng)護(hù)條件。施工期養(yǎng)護(hù)濕度高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長，則有利于推遲混凝土干縮的產(chǎn)生與發(fā)展；高原環(huán)境，濕度小，混凝土失水較快，養(yǎng)護(hù)不足時(shí)，混凝土相對干縮快，干縮變形大。

有關(guān)濕篩二級配C25混凝土的干縮試驗(yàn)結(jié)果表明[1]，二級配混凝土干縮率遠(yuǎn)大于全級配的混凝土干縮率，從該試驗(yàn)結(jié)果[1]看，二級配混凝土30d、60d、90d、180d干縮率為260×10-6、 326×10-6、336×10-6、351×10-6。圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一般采用二級配骨料的C35或C40混凝土，水泥材料用量更多，如果施工中采用泵送混凝土，水膠比會更大，混凝土的干縮率比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果還會增加。按照上述試驗(yàn)結(jié)果，基礎(chǔ)環(huán)圓筒內(nèi)臺柱混凝土直徑按4.3m計(jì)算， 180d干縮變形為：351×10-6×4300=1.51mm。在混凝土施工質(zhì)量正常情況下，施工半年后基礎(chǔ)環(huán)圓筒內(nèi)臺柱混凝土與基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)面之間將出現(xiàn)約0.75mm的間隙縫?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)部主要在基礎(chǔ)環(huán)的上、下端部布置有水平向的穿孔鋼筋，在兩端之間的混凝土內(nèi)鋼筋分布稀少，鋼筋對基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部混凝土塊干縮變形的約束是有限。因此，從理論上分析，基礎(chǔ)混凝土澆筑完成半年后，因?yàn)榛炷磷陨砀煽s變形的影響，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)與混凝土之間必然會出現(xiàn)一定的間隙縫，考慮分布鋼筋對混凝土一定變形約束作用，間隙縫寬度估計(jì)不低于0.25mm。同樣，基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)與混凝土之間也會出現(xiàn)一定的間隙縫。

在工程實(shí)際中，有些工程的混凝土施工質(zhì)量控制可能不理想，例如，水灰比較大，骨料偏少或質(zhì)量較差，砂石含泥量高，振搗不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)措施不足等，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的間隙縫還會明顯增大，這對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)以后的運(yùn)行安全性就會造成更大影響。

4 采用無收縮混凝土避免間隙縫

無收縮混凝土目前在工程界廣泛應(yīng)用，在水電工程、交通橋梁以及其它工業(yè)與民用建筑中往往根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要經(jīng)常采用無收縮混凝土，技術(shù)簡單，經(jīng)驗(yàn)成熟，施工方便。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（50119-2013）要求和混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果，在混凝土中添加一定劑量的膨脹劑即可實(shí)現(xiàn)無收縮混凝土的性能要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，C35或C40無收縮混凝土膨脹劑的添加量約為混凝土中膠凝材料用量的6%～8%，文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行了無收縮混凝土膨脹劑使用量的對比試驗(yàn)分析，推薦膨脹劑添加量約為混凝土膠凝材料用量的8%。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的凝土膨脹劑的品種較多，質(zhì)量較好，價(jià)格低廉，經(jīng)測算每立方無收縮混凝土的造價(jià)比同強(qiáng)度等級常規(guī)混凝土增加約30元，工程投資增加較少。因此，基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用無收縮混凝，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是完全可行的，可以使混凝土的自身干縮變形完全得到補(bǔ)償，避免風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間出現(xiàn)間隙縫。

5 結(jié)語

本文分析基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形和受力特征方面存在的弱點(diǎn)，以及發(fā)生破壞的機(jī)理過程，探討性提出了采用無收縮混凝土進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)澆筑，解決目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間出現(xiàn)間隙縫問題。無收縮混凝土技術(shù)成熟，施工方面，增加投資較少，可以普遍應(yīng)用于風(fēng)電場基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，對提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行安全性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭丹，李文偉，陳文耀.全級配混凝土干縮性能研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2010，（2）：64-67.

[2]陳昌杰.C55無收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工控制的研究[J].建材世界，2011，（3）：37-40.endprint