提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的措施研究

周 敏，譚爭(zhēng)光，陳加興，吳繼亮

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

在我國(guó)清潔能源政策指引下，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模世界第一。在風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)事故時(shí)有發(fā)生，其中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固出現(xiàn)問(wèn)題最多，主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)冒灰冒漿、臺(tái)柱裂縫以及穿孔鋼筋被剪斷等問(wèn)題，如圖1及圖2所示，基礎(chǔ)環(huán)錨固欠佳致使風(fēng)機(jī)處于不安全運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)。近年來(lái)基礎(chǔ)環(huán)錨固出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有逐年上升的趨勢(shì)，而風(fēng)機(jī)停機(jī)和基礎(chǔ)加固給建設(shè)單位造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，帶來(lái)了不良的社會(huì)影響。因此，對(duì)提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的措施進(jìn)行研究非常必要，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)冒灰冒漿圖

圖2 臺(tái)柱混凝土壓碎、裂縫圖

1 基礎(chǔ)環(huán)的錨固機(jī)理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為高聳結(jié)構(gòu)，輪轂高度一般為80～120 m，塔筒本身承受巨大的彎矩作用和疲勞荷載，且荷載具有多變性、反復(fù)性及復(fù)雜性。塔筒與基礎(chǔ)的連接設(shè)計(jì)至關(guān)重要，基礎(chǔ)環(huán)作為連接上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)的重要組成部分，是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的核心構(gòu)件，由上、下法蘭和中部鋼筒組成，筒壁有橢圓形的孔，用于穿孔鋼筋的放置，如圖3所示。

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)環(huán)是鋼環(huán)，和混凝土的材料性質(zhì)截然不同，基礎(chǔ)環(huán)和混凝土通過(guò)錨固作用協(xié)同工作、共同受力?；A(chǔ)環(huán)主要通過(guò)錨固作用固定于鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁光滑，下法蘭為錨固端，基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土配置有多種形式的鋼筋，起到約束、抗拔、抗沖切及抗拉的效果，同時(shí)基礎(chǔ)環(huán)還配有徑向的穿孔鋼筋。根據(jù)基礎(chǔ)環(huán)的構(gòu)造特點(diǎn)，基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力主要由基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的粘結(jié)作用、基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土的抗力、基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的抗剪力和穿孔鋼筋的作用力四部分提供?；A(chǔ)環(huán)與混凝土的粘結(jié)作用、側(cè)壁混凝土的抗力主要與混凝土強(qiáng)度等級(jí)、基礎(chǔ)環(huán)埋置深度等有關(guān)，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的抗剪承載力主要與下法蘭尺寸有關(guān)[1-3]。

圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面圖(單位：mm)

2 提高基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的措施

影響基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間錨固性能的因素較多，主要包括基礎(chǔ)環(huán)埋置深度、基礎(chǔ)環(huán)下法蘭尺寸、基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度、基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的配置和基礎(chǔ)密封防水等。針對(duì)影響基礎(chǔ)環(huán)與混凝土錨固性能的主要因素，以下結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)對(duì)提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的主要措施進(jìn)行探討。

2.1 增加基礎(chǔ)環(huán)埋置深度

國(guó)內(nèi)已建成陸上風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量2.0 MW的機(jī)組，輪轂高度一般為80～100 m，基礎(chǔ)環(huán)外徑一般在4.2～4.6 m之間，本文統(tǒng)計(jì)了已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的86個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)環(huán)埋置深度，如圖4所示。

圖4 國(guó)內(nèi)已建成的陸上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)環(huán)埋置深度圖(單位：m)

由圖4可知，基礎(chǔ)環(huán)埋置深度一般在1.3～2.0 m之間，平均埋置深度約1.8 m。我國(guó)中南部某陸上風(fēng)電場(chǎng)，單機(jī)容量為2.0 MW，基礎(chǔ)環(huán)原設(shè)計(jì)總高度為1.8 m，基礎(chǔ)環(huán)埋入混凝土深度僅為1.35 m，如圖5所示，基礎(chǔ)環(huán)埋置深度僅為規(guī)范所要求錨固深度的1/5，且遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)環(huán)的平均埋置深度1.8 m。經(jīng)過(guò)分析，基礎(chǔ)環(huán)埋置深度偏小，存在錨固失效的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)與廠家溝通，修改了基礎(chǔ)環(huán)尺寸，將基礎(chǔ)環(huán)高度增加到2.0 m，基礎(chǔ)環(huán)埋入混凝土深度增加到1.55 m，如圖6所示。

圖5 原基礎(chǔ)環(huán)高度圖(單位：mm)

圖6 基礎(chǔ)環(huán)加高后尺寸圖(單位：mm)

由圖5及圖6可知，基礎(chǔ)環(huán)埋置深度由1.35 m增加到了1.55 m，單個(gè)基礎(chǔ)環(huán)的重量增加1.1 t，直接費(fèi)用增加不到1萬(wàn)元，通過(guò)增加基礎(chǔ)環(huán)埋置深度，可增加了基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的粘結(jié)力、混凝土側(cè)壁抗力，減小穿孔鋼筋的應(yīng)力，改善了基礎(chǔ)下法蘭處應(yīng)力集中問(wèn)題[4]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)環(huán)埋置深度增加0.2 m，混凝土側(cè)壁提供的抗力增加約60%，可較大提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能，降低了基礎(chǔ)環(huán)錨固出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，僅對(duì)基礎(chǔ)冒灰、冒漿進(jìn)行灌漿處理，灌漿處理費(fèi)用每臺(tái)約8萬(wàn)元，若基礎(chǔ)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的破壞，如混凝土低強(qiáng)，那應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，加固單臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)費(fèi)用約25萬(wàn)元，在對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行灌漿和處理過(guò)程中，造成了風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)損失，單臺(tái)2 MW的機(jī)組每天發(fā)電損失約0.7萬(wàn)元。綜上所述，基礎(chǔ)環(huán)高度適當(dāng)增加，在費(fèi)用增加較少的前提下，較大地提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能，同時(shí)避免了因基礎(chǔ)環(huán)錨固出現(xiàn)問(wèn)題造成的較大經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 增加基礎(chǔ)環(huán)下法蘭尺寸

因加工制作、運(yùn)輸條件、重量、成本等因素的限制，基礎(chǔ)環(huán)一般不宜過(guò)高，基礎(chǔ)環(huán)高度在1.8～2.5 m之間，埋入混凝土的錨固深度為1.3～2.0 m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨入混凝土的深度僅為規(guī)范要求錨固深度的1/5～1/3，遠(yuǎn)低于規(guī)范值[5]，因此，僅依靠埋置深度來(lái)提供錨固力是不夠的，大部分錨固承載力需要依靠基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的錨固力來(lái)提供。陸上單機(jī)容量為2.0 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)的下法蘭寬度一般位于220～400 mm之間，增加下法蘭寬度，能夠降低基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的峰值應(yīng)力，明顯減小下法蘭處混凝土的應(yīng)力，有效緩解局部混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象?；A(chǔ)環(huán)下法蘭寬度對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的拉拔承載力有較大提高，增加基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度能夠顯著提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能[6]。

我國(guó)中部地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭原設(shè)計(jì)寬度僅為277 mm，如圖7所示，經(jīng)過(guò)復(fù)核，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處局部壓應(yīng)力過(guò)大，超出混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，與廠家進(jìn)行溝通后，將基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度修改為327 mm，如圖8所示。

圖7 原基礎(chǔ)環(huán)下法蘭尺寸圖(單位：mm)

圖8 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭加寬后尺寸圖(單位：mm)

由圖7及圖8可知，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度由277 mm增加到了327 mm，單個(gè)基礎(chǔ)環(huán)的重量增加0.6 t，直接費(fèi)用增加約0.54萬(wàn)元，通過(guò)增加基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處局部壓應(yīng)力明顯減小，提高了基礎(chǔ)環(huán)的拉拔承載力，基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能得到較大提高[4]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度增加50 mm，基礎(chǔ)環(huán)的極限抗彎承載能力提高約20%，由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度，可在直接費(fèi)用增加較少的前提下，較明顯地提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能。

2.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)環(huán)構(gòu)造措施

基礎(chǔ)環(huán)高度一般在1.8～2.5 m之間，基礎(chǔ)環(huán)本身的高度由于多方面因素的限制而無(wú)法進(jìn)一步加高，為了提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能，可考慮在基礎(chǔ)環(huán)上焊接多排多列栓釘或橫向、豎向加勁肋，在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上焊錨筋等構(gòu)造措施，如圖9及圖10所示，這樣既可提高鋼與混凝土的摩擦系數(shù)，加強(qiáng)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的粘結(jié)作用，又可提高基礎(chǔ)環(huán)自身剛度，基礎(chǔ)環(huán)剛度的提高能減小基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的脫開(kāi)變形，增大接觸面積，從而提高基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的錨固性能。

圖9 基礎(chǔ)環(huán)壁焊接栓釘圖

圖10 基礎(chǔ)環(huán)壁焊接加勁肋及下法蘭焊接錨筋圖

在基礎(chǔ)環(huán)高度受限的情況下，通過(guò)在基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁焊接栓釘、加勁肋以及在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上焊接錨筋等構(gòu)造措施，能夠切實(shí)提高基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的錨固性能。

2.4 設(shè)置雙層穿孔鋼筋

基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋能夠提供抗剪力，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)有一定的約束作用，基礎(chǔ)環(huán)錨固承載力很重要的一部分是由基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋提供，研究表明，穿孔鋼筋數(shù)量增加，穿孔鋼筋的最大應(yīng)力顯著降低，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)孔洞附近的混凝土應(yīng)力也有一定的改善[7]。

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁一般采用開(kāi)單排孔，160 mm×85 mm橢圓形孔均勻布置，共60個(gè)孔，如圖11所示。穿孔鋼筋一般采用直徑28 mm或者32 mm的三級(jí)鋼，逐孔進(jìn)行布置，單孔一般布置兩根穿孔鋼筋。由于加工制作、運(yùn)輸?shù)葪l件的限制，基礎(chǔ)環(huán)的外徑一般不超過(guò)4.6 m，單排開(kāi)孔的數(shù)量被限制，因此穿孔鋼筋的數(shù)量也被限制。為了增加基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的數(shù)量，可考慮在基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁開(kāi)2排橢圓孔，如圖12所示，從而大大增加基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的數(shù)量。

圖11 基礎(chǔ)環(huán)壁開(kāi)單排孔圖

圖12 基礎(chǔ)環(huán)壁開(kāi)雙排孔圖

在基礎(chǔ)環(huán)外徑尺寸受限的情況下，通過(guò)在基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁開(kāi)2排均布的橢圓形孔洞，能夠大大增加基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的數(shù)量，從而提高穿孔鋼筋對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的約束作用，改善基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的錨固性能。

2.5 其他措施

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固出問(wèn)題的風(fēng)電場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：各風(fēng)電場(chǎng)普遍存在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)值的情況，有的基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度甚至低于C15；各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防水密封材料均有不同程度的損壞，部分已完全脫落。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值一般為C35或C40，混凝土強(qiáng)度是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受荷載的基礎(chǔ)，也是提供混凝土與鋼筋粘結(jié)力的保證，若混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，勢(shì)必減小混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)和穿孔鋼筋的握裹力，減小混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間的摩擦力，從而影響基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能?；A(chǔ)防水密封失效后，雨水就會(huì)沿著基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的縫隙進(jìn)入基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部，在風(fēng)機(jī)荷載的反復(fù)作用下，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的粘結(jié)摩擦力逐漸喪失，混凝土強(qiáng)度和耐久性降低，導(dǎo)致基礎(chǔ)冒灰冒漿等問(wèn)題，錨固性能大打折扣[8]。因此，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土澆筑質(zhì)量，確?；炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)應(yīng)采取持久耐用、有彈性、耐紫外線輻射的密封防水材料進(jìn)行密封，嚴(yán)格按照相關(guān)要求做好基礎(chǔ)密封防水，提高混凝土施工質(zhì)量和做好基礎(chǔ)密封防水措施有利于提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)受力復(fù)雜，影響基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的因素較多，本文就提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)錨固性能的措施進(jìn)行了探討，結(jié)果表明：增加基礎(chǔ)環(huán)埋置深度和下法蘭寬度以及加強(qiáng)基礎(chǔ)環(huán)構(gòu)造措施對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能有顯著提高；增加基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋數(shù)量、提高混凝土施工質(zhì)量和做好基礎(chǔ)密封防水措施等也有利于提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量、輪轂高度及葉輪直徑增加，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)載荷也越來(lái)越大，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的局部壓應(yīng)力、抗拔力、沖切力逐漸增大，常規(guī)C35或C40混凝土已難以抵抗，基礎(chǔ)環(huán)連接方式可采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨栓代替，預(yù)應(yīng)力錨栓的抗疲勞和錨固性能更優(yōu)[9]。