風(fēng)機(jī)預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)長期承載力特性評價方法研究

周建華，賈國武，周先進(jìn)，張金接

(1.中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044；3.中國水電建設(shè)集團(tuán) 如東新能源有限公司， 江蘇 南通 226407)

近幾年，我國已經(jīng)成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一大國，在大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的同時，風(fēng)電設(shè)備技術(shù)和風(fēng)場開發(fā)技術(shù)也日臻完善和發(fā)展。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個重要因素，其相應(yīng)設(shè)計、施工工藝也得到較快發(fā)展。在我國，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式均含有基礎(chǔ)環(huán)，但基礎(chǔ)環(huán)連接存在基礎(chǔ)剛度、強(qiáng)度突變以及耐久性等問題，部分風(fēng)電場陸續(xù)出現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)松動問題，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電效率。相比之下，預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)具有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度均勻、整體性好、耐久性好、經(jīng)濟(jì)性好與建設(shè)周期短等特點(diǎn)[1-3]，解決了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)連接的天然缺陷，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的應(yīng)用日趨廣泛?，F(xiàn)階段，單機(jī)容量1.5 MW及以上容量的風(fēng)機(jī)塔筒與基礎(chǔ)連接主要采用預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)[4-7]。預(yù)應(yīng)力錨桿作為預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)最主要的受力構(gòu)件，錨桿預(yù)應(yīng)力損失對于基礎(chǔ)長期承載特性會產(chǎn)生影響，而復(fù)雜荷載作用下預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)長期承載性能還未進(jìn)行過專門研究，缺少相應(yīng)的研究資料和方法，導(dǎo)致無法對風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中基礎(chǔ)安全狀態(tài)進(jìn)行評估，影響了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行和風(fēng)電場效益的發(fā)揮，同時增加了基礎(chǔ)的設(shè)計和應(yīng)用風(fēng)險。

本文結(jié)合江蘇潮間帶某風(fēng)機(jī)設(shè)計荷載工況和基礎(chǔ)錨桿預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，使用ABAQUS有限元計算軟件建立錨桿基礎(chǔ)三維模型，對不同階段錨桿預(yù)應(yīng)力作用下錨桿基礎(chǔ)承載力進(jìn)行了計算，分析研究錨桿基礎(chǔ)的長期承載力特性，并據(jù)此對基礎(chǔ)安全性進(jìn)行了評價。

1 工程概況

為檢驗本文論述的預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)長期承載力評價方法的可行性，特選取江蘇某潮間帶風(fēng)電場28#風(fēng)機(jī)作為研究對象。根據(jù)風(fēng)機(jī)的設(shè)計資料，風(fēng)機(jī)采用低樁高臺柱圓形承臺混凝土基礎(chǔ)，混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗凍等級為F250；基礎(chǔ)總厚度為8.1 m，圓形承臺外徑5.8 m；基礎(chǔ)所承受的主要載荷為風(fēng)機(jī)和塔筒等的自重以及外部風(fēng)載，根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計資料，風(fēng)機(jī)塔筒—基礎(chǔ)界面處極限荷載如表1所示。

表1 28#風(fēng)機(jī)設(shè)計極限荷載

風(fēng)機(jī)塔筒與基礎(chǔ)之間的連接采用預(yù)應(yīng)力錨桿組件結(jié)構(gòu)，錨桿組件包含上錨板、下錨板及錨桿。錨桿分兩圈沿錨板圓周均勻布置，每圈布置80根，共160根。錨板直徑4.18 m，預(yù)應(yīng)力錨桿單根長度7.62 m，采用8.8級M42高強(qiáng)錨桿，屈服強(qiáng)度平均值840 MPa。根據(jù)設(shè)計要求，錨桿設(shè)計張拉力400 kN(σ0=336 MPa)，即錨桿預(yù)拉力控制值為錨桿材料屈服強(qiáng)度的0.4倍，σ0=0.4σs；風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行后，每年至少進(jìn)行一次錨桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)力松馳檢查，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力松弛及時補(bǔ)張拉。

為揭示基礎(chǔ)錨桿在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的預(yù)應(yīng)力變化情況，為后續(xù)長期承載力評價提供數(shù)據(jù)支撐，選取28#風(fēng)機(jī)4根錨桿(共布置4支傳感器)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測錨桿間隔90°(19根錨桿)，均布分布于基礎(chǔ)范圍內(nèi)，可以反映各方向荷載變化對于錨桿預(yù)應(yīng)力的影響，以適應(yīng)風(fēng)機(jī)受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受拉荷載的特點(diǎn)。監(jiān)測儀器布置如圖1所示。

圖1傳感器安裝位置圖(●表示安裝傳感器位置)

采用美國FUTEK公司生產(chǎn)的中空型應(yīng)變式壓力傳感器LTH350進(jìn)行監(jiān)測，該儀器特別適用于各種復(fù)雜工況下高精度連續(xù)監(jiān)測領(lǐng)域，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。傳感器主要性能指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器主要性能指標(biāo)參數(shù)

2 錨桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在錨桿初次加壓前完成傳感器安裝，錨桿加壓后即開始監(jiān)測，整個監(jiān)測過程從2015年12月15日10∶00開始，至2017年11月20日10∶00結(jié)束。監(jiān)測期內(nèi)，4支傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)序列均無缺失，無明顯異常情況，數(shù)據(jù)完整性良好。監(jiān)測周期內(nèi)各錨桿30 min平均預(yù)應(yīng)力值及預(yù)拉力損失值隨時間的變化過程曲線如圖2、圖3所示。

(1) 3#監(jiān)測錨桿初始預(yù)應(yīng)力監(jiān)測值最大，其值為380.5 kN，4#監(jiān)測錨桿初始預(yù)應(yīng)力監(jiān)測值最小，為370.8 kN。

圖2 各監(jiān)測錨桿30 min平均預(yù)拉力變化過程曲線

圖3各監(jiān)測錨桿預(yù)拉力損失值變化過程曲線

(2) 監(jiān)測期末，3#錨桿預(yù)應(yīng)力損失值最大，為32.4 kN，約占初始預(yù)應(yīng)力的8.53%；4#錨桿預(yù)應(yīng)力損失值最小，為31.2 kN，約占初始預(yù)應(yīng)力的8.40%；四根錨桿預(yù)應(yīng)力損失平均值為31.8 kN，預(yù)應(yīng)力損失百分比平均值為8.48%，預(yù)應(yīng)力松弛速率平均值為0.0445 kN/d。

(3) 監(jiān)測期內(nèi)，錨桿預(yù)應(yīng)力都在小范圍內(nèi)波動，但基本都呈直線下降趨勢，擬合得到的下降趨勢線斜率較小，平均值約為-0.0442，趨勢線對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的確定系數(shù)R2平均值約為0.99988。

(4) 對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到預(yù)應(yīng)力保留比例與加載時間的函數(shù)關(guān)系，如式(1)所示：

f(t)=-0.1585e7.903×10-6t+1.157e-2.97×10-6t

(1)

利用上式，結(jié)合錨桿初始預(yù)應(yīng)力，便可得到后續(xù)任意時刻錨桿的預(yù)應(yīng)力，為基礎(chǔ)承載力性能分析提供基礎(chǔ)。

3 錨桿基礎(chǔ)承載性能數(shù)值模擬研究

3.1 基礎(chǔ)有限元模型

(1) 模型尺寸的確定。本文利用ABAQUS軟件對整個基礎(chǔ)進(jìn)行建模，模型相關(guān)尺寸，通過參考基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計及施工資料進(jìn)行確定。根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計資料，外部及風(fēng)機(jī)自身荷載直接作用于基礎(chǔ)頂面T型法蘭中心位置，風(fēng)機(jī)錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

(2) 模型材料計算參數(shù)選取。參考基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計及施工資料，確定基礎(chǔ)模型計算參數(shù)，如表4所示。

表4 模型材料計算參數(shù)

錨桿基礎(chǔ)中各種型號、規(guī)格的鋼筋配置密集，在有限元計算中若將鋼筋與混凝土分別劃分單元，會導(dǎo)致有限元模型的建立和計算過程比較復(fù)雜。相應(yīng)研究表明[8-10]，在有限元模擬分析中，可以將復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的等效模量方法加以修正后應(yīng)用于具有線彈性性質(zhì)的鋼筋混凝土材料，鋼筋混凝土構(gòu)件配筋率的變化影響其彈性模量的取值，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、動力特性。以構(gòu)件的配筋率為變量，推導(dǎo)可得基于彎曲剛度EI等效原理的等效彈性模量理論解析解，結(jié)合錨桿基礎(chǔ)配筋率、截面尺寸等設(shè)計參數(shù)，可以通過計算得到基礎(chǔ)鋼筋混凝土的等效彈性模量。建模過程中把鋼筋混凝土作為一種復(fù)合彈性材料考慮，在保證真實模擬材料力學(xué)性能的同時，極大簡化了有限元模型建立和計算過程。

(3) 接觸與約束設(shè)置。根據(jù)基礎(chǔ)各部分間的相互作用，在模型中設(shè)置了以下關(guān)系：

① 上、下錨板與錨桿的作用采用綁定約束。

② 上錨板與高強(qiáng)層上表面、高強(qiáng)層下表面與混凝土表面及下錨板上、下表面、側(cè)面與混凝土層均采用面與面力學(xué)接觸設(shè)置。

(4) 加載及邊界條件設(shè)置。根據(jù)對基礎(chǔ)各部位受荷及位移情況，在模型中設(shè)置了以下邊界條件：

① 基礎(chǔ)下部為PHC管樁，能承受較大作用力，故基礎(chǔ)下表面固定，三個方向均不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動。

② 基礎(chǔ)混凝土下部圓錐臺側(cè)面固定水平位移及轉(zhuǎn)動，可以發(fā)生豎直方向移動。

③ 在基礎(chǔ)頂部中心位置設(shè)置參考點(diǎn)，該點(diǎn)與上錨板之間采用耦合約束建立聯(lián)系，限制參考點(diǎn)與上錨板間的位移和轉(zhuǎn)動，使參考點(diǎn)上的力能均勻作用于上錨板，在該參考點(diǎn)上施加集中的水平力、豎向力及xy方向的傾覆力矩(設(shè)計荷載如表1所示)。

④ 混凝土基礎(chǔ)上施加均布的體積力模擬基礎(chǔ)的重力。

⑤ 錨桿預(yù)應(yīng)力采用線脹系數(shù)法設(shè)置[11-13]，對于桿件預(yù)定義初始溫度場，溫度=應(yīng)力/(彈性模量×線脹系數(shù))，定義初始溫度后即可完成錨桿軸力的施加。

(5) 模型單元選擇。為使模型能夠盡量反映實際結(jié)構(gòu)的受荷特性，結(jié)合ABAQUS有限元軟件中相應(yīng)單元特點(diǎn)[14-15]，在模型中主要涉及了兩種單元：

① 錨桿采用TRUSS單元中的T3D2單元來模擬，桿單元能夠承受沿著桿方向的拉力和壓力，與預(yù)應(yīng)力錨桿受力性能相同。

② 錨板和混凝土等其它結(jié)構(gòu)均采用實體8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)來模擬。

(6) 應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。根據(jù)材料力學(xué)及相應(yīng)研究成果，模型中材料主要涉及兩種屈服準(zhǔn)則：

① 對于混凝土及鋼筋混凝土等等效脆性材料，適用于最大主應(yīng)力破環(huán)準(zhǔn)則，若最大主應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，則認(rèn)為混凝土發(fā)生開裂破壞。

② 對于錨桿和錨板等彈塑性材料，適用于Mises屈服準(zhǔn)則判斷材料是否屈服。

網(wǎng)格剖分完成后基礎(chǔ)模型如圖4所示。

圖4基礎(chǔ)模型圖

3.2 模擬計算成果分析

對模型進(jìn)行模擬計算，可得在設(shè)計極限荷載和錨桿預(yù)拉力作用下基礎(chǔ)各部位受力及位移變形情況，錨桿等效應(yīng)力及豎向位移圖、高強(qiáng)灌漿層第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力云圖、基礎(chǔ)混凝土第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力云圖如圖5—圖10所示。根據(jù)應(yīng)力分布云圖，可以得到高強(qiáng)灌漿層下部附近區(qū)域、下錨板上、下部附近區(qū)域等應(yīng)力，相應(yīng)區(qū)域混凝土第一主應(yīng)力變化曲線如圖11—圖13所示。

圖5 錨桿等效應(yīng)力云圖

圖6 錨桿豎向位移云圖

圖7 高強(qiáng)灌漿層第一主應(yīng)力云圖

圖8 高強(qiáng)灌漿層第三主應(yīng)力云圖

圖9 基礎(chǔ)混凝土第一主應(yīng)力云圖

圖10 基礎(chǔ)混凝土第三主應(yīng)力云圖

圖11 高強(qiáng)灌漿層下部附近區(qū)域混凝土第一主應(yīng)力變化曲線

圖12 下錨板下部附近區(qū)域混凝土第一主應(yīng)力變化曲線

圖13下錨板上部附近區(qū)域混凝土第一主應(yīng)力變化曲線

分析以上各圖，可以得到如下結(jié)論：

(1) 錨桿均受到拉應(yīng)力作用，最大值為243.5 MPa，最小值為215.1 MPa，最大值發(fā)生在彎矩作用方向指向位置處錨桿上，最小值發(fā)生在作用方向背離位置處的錨桿上。施加預(yù)應(yīng)力后錨桿最大向上位移為3.176×10-4m，最大向下位移為1.201×10-3m，每根錨桿基本上為下部受拉，上部受壓，對整根錨桿而言，變形較為均勻。

(2) 高強(qiáng)灌漿層最小壓應(yīng)力(第一主應(yīng)力)為0.16 MPa，發(fā)生在高強(qiáng)灌漿層受拉側(cè)外邊緣，第一主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，說明高強(qiáng)灌漿層始終處于受壓狀態(tài)；最大壓應(yīng)力(第三主應(yīng)力)為42.4 MPa，發(fā)生在高強(qiáng)灌漿層受壓側(cè)外邊緣；高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度為65 MPa，滿足極限荷載下基礎(chǔ)承載性能要求。

(3) 基礎(chǔ)混凝土主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為16.9 MPa，根據(jù)混凝土相應(yīng)規(guī)范[16]，C40混凝土設(shè)計軸心抗壓強(qiáng)度19.1 MPa，滿足極限荷載下基礎(chǔ)承載性能要求；混凝土基礎(chǔ)第一主應(yīng)力最大值為0.34 MPa，發(fā)生在下錨板附近以下0.3 m范圍內(nèi)混凝土區(qū)域；高強(qiáng)灌漿層下部0.3 m范圍內(nèi)部分混凝土第一主應(yīng)力接近于零。

由于高強(qiáng)灌漿層和混凝土、錨板和混凝土間存在結(jié)構(gòu)變化，造成錨板附近深度約0.6 m區(qū)域內(nèi)的混凝土應(yīng)力集中，受到一定拉應(yīng)力作用，相應(yīng)區(qū)域混凝土較容易發(fā)生張拉破壞，對基礎(chǔ)承載性能影響較大。根據(jù)混凝土相應(yīng)規(guī)范，C40抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.71 MPa，大于基礎(chǔ)混凝土最大第一主應(yīng)力0.34 MPa，故基礎(chǔ)混凝土滿足極限荷載下基礎(chǔ)承載性能要求。

錨桿預(yù)應(yīng)力施加后基礎(chǔ)各部位受力情況如表5所示。

綜上所述，在設(shè)計錨桿預(yù)應(yīng)力作用下，基礎(chǔ)各部位受力較為均勻，相互間應(yīng)力變化較平緩；錨桿基礎(chǔ)各部位承載應(yīng)力情況滿足相應(yīng)材料設(shè)計強(qiáng)度要求，即錨桿基礎(chǔ)滿足極限荷載下承載性能要求。

表5 基礎(chǔ)各部位第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力最大值表

4 錨桿基礎(chǔ)長期承載性能評價

錨桿預(yù)應(yīng)力會隨著加載時間增長而逐漸衰減，錨桿預(yù)應(yīng)力損失對基礎(chǔ)承載性能產(chǎn)生影響，故設(shè)計要求風(fēng)機(jī)運(yùn)行一年后必須對錨桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行復(fù)打。根據(jù)對風(fēng)機(jī)錨桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，兩年后錨桿預(yù)應(yīng)力損失百分比平均值約為8.5%，其中4#監(jiān)測錨桿預(yù)拉力值最低，為339.6 kN。以該錨桿的預(yù)應(yīng)力保留值作為基礎(chǔ)所有錨桿預(yù)應(yīng)力，利用有限元模型計算極限荷載作用下錨桿基礎(chǔ)的受力情況，并與各部位設(shè)計值進(jìn)行比較，驗證基礎(chǔ)是否滿足承載要求，以此來評價基礎(chǔ)長期承載性能。

在極限荷載作用下，基礎(chǔ)相應(yīng)部位承受應(yīng)力最大值仍小于或接近相應(yīng)材料強(qiáng)度設(shè)計值，基礎(chǔ)各部分承載力均滿足相應(yīng)要求，故在設(shè)計預(yù)應(yīng)力下錨桿基礎(chǔ)兩年內(nèi)的承載力均滿足設(shè)計要求，能夠保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，且具有一定的安全裕度。通過現(xiàn)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動、傾斜以及發(fā)電量等情況，也說明風(fēng)機(jī)兩年來運(yùn)行狀態(tài)安全，與評價結(jié)論較為一致。根據(jù)長期承載性能評價結(jié)果，錨桿預(yù)拉力復(fù)打周期可適當(dāng)放寬至兩年。

5 結(jié) 論

(1) 通過對于錨桿預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的擬合，得到錨桿預(yù)應(yīng)力損失與時間的函數(shù)關(guān)系，有了任意時刻錨桿預(yù)應(yīng)力值，再結(jié)合風(fēng)機(jī)極限荷載作用下錨桿基礎(chǔ)承載特性數(shù)值計算成果，即可得到相應(yīng)時刻錨桿基礎(chǔ)的受力情況，進(jìn)而對基礎(chǔ)長期承載性能進(jìn)行分析評價。

(2) 針對江蘇潮間帶風(fēng)機(jī)長期承載特性評價的結(jié)果表明，設(shè)計預(yù)應(yīng)力下錨桿基礎(chǔ)兩年內(nèi)的承載力均滿足相應(yīng)材料設(shè)計強(qiáng)度要求，且具有一定的安全裕度，能夠保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，且錨桿基礎(chǔ)整體受力較為均勻，各部位應(yīng)力變化較平緩。評價結(jié)果與現(xiàn)場風(fēng)機(jī)實際狀態(tài)較為一致。

(3) 該方法具有一定的適用性，可以為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安全性能評估提供依據(jù)，同時對于基礎(chǔ)錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計值及維護(hù)策略的制定具有一定參考意義。