影響風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的因素分析

周 敏，吳繼亮，陳加興，譚爭(zhēng)光

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

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，國(guó)家在政策上對(duì)其發(fā)展給予了大力支持，近年來我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。根據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模位居世界第一。在陸上風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組的塔筒與基礎(chǔ)之間主要采用基礎(chǔ)環(huán)或預(yù)應(yīng)力錨栓進(jìn)行連接，而由于基礎(chǔ)環(huán)的施工和安裝較為便捷，在目前已建成的陸上風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組的塔筒和基礎(chǔ)之間的連接大部分都采用了基礎(chǔ)環(huán)連接方式。

但采用基礎(chǔ)環(huán)連接方式的部分風(fēng)電場(chǎng)在投產(chǎn)運(yùn)行后出現(xiàn)了基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間冒灰、冒漿，臺(tái)柱表層混凝土壓碎和表面混凝土裂縫等現(xiàn)象，如圖1、圖2所示。

因基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間的錨固性能欠佳甚至失效而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組處于不安全的運(yùn)行狀態(tài)，從而引發(fā)事故，且事故數(shù)量有逐年上升的趨勢(shì)。因此，對(duì)影響風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的因素進(jìn)行分析非常必要。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)影響風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的主要因素進(jìn)行了探討，研究結(jié)果可為陸上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及加固提供參考。

圖1 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)冒灰、冒漿Fig. 1 Ash and slurry emission of wind turbine foundation

圖2 臺(tái)柱表層混凝土壓碎和表面混凝土裂縫Fig. 2 Crushed and cracked of surface concrete of abutment column

1 基礎(chǔ)環(huán)的受力特性

風(fēng)電機(jī)組采用高聳結(jié)構(gòu)，輪轂高度一般都大于等于80 m，塔筒本身承受巨大的剪力、彎矩和疲勞荷載。由于風(fēng)荷載方向、大小的不確定性，風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)環(huán)承受的荷載具有多變性、復(fù)雜性的特點(diǎn)。

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)電機(jī)組基礎(chǔ)的核心錨固構(gòu)件，其主要由上、下法蘭和中部鋼筒組成，其中，下法蘭為錨固端；鋼筒筒壁的側(cè)壁光滑，并有橢圓形的孔，用于穿孔鋼筋的徑向放置，其剖面圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)的剖面圖(單位：mm)Fig. 3 Sectional view of wind turbine foundation ring(unit：mm)

基礎(chǔ)環(huán)的材質(zhì)是鋼，性質(zhì)與混凝土材質(zhì)截然不同，在風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)混凝土之間是通過錨固作用協(xié)同工作、共同受力?；A(chǔ)環(huán)主要是通過錨固作用固定于基礎(chǔ)混凝土中，其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。

但由于基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的剛度差異大，接觸區(qū)域受力復(fù)雜，傳力路徑不明確，因此在長(zhǎng)期疲勞荷載的作用下，與基礎(chǔ)環(huán)結(jié)合的混凝土容易產(chǎn)生脫開、裂縫的現(xiàn)象；基礎(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)混凝土的深度小，基礎(chǔ)環(huán)上、下邊緣應(yīng)力集中，導(dǎo)致這部分混凝土容易被壓碎。而且受上述損傷、風(fēng)荷載引起的疲勞荷載持續(xù)作用，以及雨水侵蝕會(huì)使基礎(chǔ)環(huán)與混凝土脫開的縫隙不斷增大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)冒灰、冒漿，出現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)等現(xiàn)象[1-4]。

2 影響基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的因素分析

基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力主要由基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的抗剪力、基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土的粘結(jié)作用、基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土的抗力和穿孔鋼筋的作用力這4部分提供[5]。影響基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的直接或間接因素眾多，以下結(jié)合實(shí)際陸上風(fēng)電場(chǎng)工程對(duì)主要的影響因素進(jìn)行探討。

2.1 基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度

陸上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值一般為C30～C40，只有當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到設(shè)計(jì)值才能夠保證混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間的粘結(jié)作用力和混凝土抗壓、抗剪承載力；若混凝土強(qiáng)度等級(jí)低則混凝土容易被壓碎，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能變差。

以我國(guó)西南部某陸上風(fēng)電場(chǎng)為例。該風(fēng)電場(chǎng)共70臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間不足1年，其中52臺(tái)風(fēng)電機(jī)組存在不同程度的基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)和基礎(chǔ)冒灰、冒漿現(xiàn)象。利用鉆芯取樣法檢測(cè)該風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度值，實(shí)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度值如圖4所示。

圖4 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Fig. 4 Concrete strength of wind turbine foundation

現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣法的檢測(cè)結(jié)果表明，該風(fēng)電場(chǎng)70臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值僅為15.4 MPa，其中44.3%的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度低于15 MPa，僅5.7%的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度超過20 MPa，均未達(dá)到本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)值C35。根據(jù)計(jì)算分析，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處最大局部壓應(yīng)力為14.6 MPa，基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度會(huì)因局部壓應(yīng)力過大而被破壞，且混凝土強(qiáng)度低勢(shì)必會(huì)減小混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)和穿孔鋼筋的握裹力，同樣會(huì)降低基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)冒灰、冒漿等現(xiàn)象。

基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度會(huì)直接影響基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能，混凝土強(qiáng)度越高，基礎(chǔ)環(huán)與其的錨固性能越好。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組荷載大小不同，混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般要達(dá)到C30～C40才能滿足局部壓應(yīng)力要求，基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能才能夠得到保障。

2.2 基礎(chǔ)環(huán)埋置深度

國(guó)內(nèi)已建成的陸上單機(jī)容量為2.0 MW的風(fēng)電機(jī)組，其輪轂高度一般為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)中風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)高度和埋置深度，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 國(guó)內(nèi)已建成的陸上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)環(huán)高度和埋置深度統(tǒng)計(jì)Fig. 5 Statistics of height and buried depth of foundation ring in domestic onshore wind farms

由圖5可知，在已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的86個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)中，基礎(chǔ)環(huán)的最大高度為2.5 m，最小高度為1.8 m，平均高度約為2.3 m；基礎(chǔ)環(huán)埋置深度在1.3～2.0 m之間，平均埋置深度約為1.8 m。

我國(guó)中部地區(qū)某陸上風(fēng)電場(chǎng)共安裝了50臺(tái)2.0 MW的風(fēng)電機(jī)組，全部建成投產(chǎn)2年后，其中13臺(tái)風(fēng)電機(jī)組存在基礎(chǔ)混凝土表面開裂、基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)，以及基礎(chǔ)冒灰、冒漿的現(xiàn)象。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)環(huán)高度為1.8 m，埋置深度僅為1.345 m。根據(jù)分析計(jì)算，由于基礎(chǔ)環(huán)埋置深度過小，穿孔鋼筋的計(jì)算應(yīng)力超限，下法蘭處局部壓應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間的錨固效果欠佳。

基礎(chǔ)環(huán)的埋置深度對(duì)其錨固性能的影響較大，隨著基礎(chǔ)環(huán)埋置深度加大，穿孔鋼筋的應(yīng)力明顯減小，基礎(chǔ)下法蘭處混凝土的應(yīng)力集中問題有所改善，錨固性能會(huì)更好[6]。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組荷載大小不同，基礎(chǔ)環(huán)的埋置深度一般要達(dá)到1.5～2.0 m才能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第12.7.10條的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)插入式柱腳最小插入深度為1.5D(D為鋼管柱直徑)；而風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)的實(shí)際埋置深度僅為上述標(biāo)準(zhǔn)所要求最小插入深度的20%～30%，遠(yuǎn)低于上述標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到的值[7]。因此，僅依靠埋置深度提供錨固性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能承載力大部分需要依靠下法蘭的錨固力來提供。

研究表明，若基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度每增加60%，基礎(chǔ)環(huán)的節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力就可在原來基礎(chǔ)上提高67%，二者之間大致呈線性關(guān)系[5]；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，并明顯減小下法蘭處混凝土的應(yīng)力，從而有效緩解基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處局部混凝土應(yīng)力集中的現(xiàn)象[8]。

根據(jù)外部條件不同，陸上單機(jī)容量為2.0 MW的風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度一般在250～500 mm之間，增加下法蘭寬度對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的拉拔承載力有較大提高。因此，為了提高基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間的錨固性能，建議基礎(chǔ)環(huán)下法蘭寬度不小于400 mm。

2.4 基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋

在目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的計(jì)算方法并未明確，設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配筋。一般情況下，會(huì)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組廠家提供的基礎(chǔ)環(huán)孔洞布置，采用直徑28 mm或32 mm的三級(jí)鋼，逐孔進(jìn)行布置，單孔一般布置2根穿孔鋼筋。穿孔鋼筋的典型布置如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)環(huán)的穿孔鋼筋布置圖(單位：mm)Fig.6 Perforated steel reinforcement layout of foundation ring(unit：mm)

基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力很重要的一部分是由基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋提供的。研究表明，隨著穿孔鋼筋數(shù)量的增加，穿孔鋼筋的最大應(yīng)力會(huì)顯著降低，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)孔洞附近的混凝土應(yīng)力也會(huì)有一定程度的改善[9]。

受基礎(chǔ)環(huán)尺寸的限制，基礎(chǔ)環(huán)筒壁單排開孔數(shù)量一般在56～60個(gè)之間，相應(yīng)的穿孔鋼筋的數(shù)量也會(huì)被限制。因此，在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮在基礎(chǔ)環(huán)筒壁上開2排孔洞，如此可增加穿孔鋼筋的數(shù)量，能夠有效提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能。

2.5 基礎(chǔ)環(huán)的密封防水

通過對(duì)基礎(chǔ)環(huán)錨固出現(xiàn)問題的多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，各風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)的防水密封材料均有不同程度的損壞，甚至部分已完全脫落?；A(chǔ)環(huán)的防水密封失效后，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)電機(jī)組荷載的反復(fù)作用下，基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)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)出現(xiàn)冒灰、冒漿等問題，錨固性能大幅降低[10]。

為了避免基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的縫隙進(jìn)水，防止基礎(chǔ)環(huán)表面銹蝕，基礎(chǔ)環(huán)必須采用持久耐用、有彈性、耐紫外線輻射的密封防水材料，并應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙、施工工藝做好基礎(chǔ)的密封防水?；A(chǔ)環(huán)密封防水的典型做法如圖7所示。

圖7 基礎(chǔ)環(huán)的防水密封做法詳圖Fig. 7 Waterproof and sealing of foundation ring

2.6 其他因素

由于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)附近的鋼筋配置較為密集，在基礎(chǔ)施工過程中若混凝土振搗不密實(shí)，會(huì)造成基礎(chǔ)環(huán)附近混凝土形成孔洞，從而降低基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工屬于大體積混凝土工程，設(shè)計(jì)要求一次澆筑成型，但由于現(xiàn)場(chǎng)施工管理問題，會(huì)出現(xiàn)混凝土澆筑中斷的情況，若混凝土中斷澆筑，二次澆筑也會(huì)對(duì)混凝土的錨固性能造成一定的不利影響。

3 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)影響風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的主要因素進(jìn)行了探討，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間接觸區(qū)域的受力情況非常復(fù)雜，因此影響基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間錨固性能的因素眾多，主要因素包括基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度、基礎(chǔ)環(huán)埋置深度、基礎(chǔ)環(huán)的下法蘭寬度、基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋的配置和基礎(chǔ)環(huán)的密封防水等?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、基礎(chǔ)環(huán)埋置深度和下法蘭寬度對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能影響較大，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、加大基礎(chǔ)環(huán)埋置深度和下法蘭寬度，能夠顯著提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固承載力；增加穿孔鋼筋數(shù)量和做好基礎(chǔ)環(huán)的防水密封措施也能夠提高基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能。另外，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的施工質(zhì)量也會(huì)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的錨固性能造成一定影響。