風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)有限元分析與加固方法

祝衛(wèi)軍， 盧亦焱， 梁鴻駿

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 武漢 430072)

近年來，中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)尤其是大容量兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)組得到快速發(fā)展[1]。風(fēng)能作為一種清潔無公害的可再生能源，受到了越來越多國家和地區(qū)的重視。其中，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能開發(fā)的主要形式之一。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，截至2018年3月底，中國累計(jì)風(fēng)電并網(wǎng)容量已達(dá)到1.68億kW，待開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全性至關(guān)重要[2]。

目前，中國的陸上風(fēng)力機(jī)最主要的基礎(chǔ)形式是擴(kuò)展基礎(chǔ)。擴(kuò)展基礎(chǔ)屬于大體積現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一次澆筑成型所需的混凝土量較大。但是，由于風(fēng)電場(chǎng)大多位于偏僻的平原或山區(qū)，受道路突發(fā)故障或者天氣因素等影響，導(dǎo)致混凝土無法持續(xù)性供應(yīng)，迫使基礎(chǔ)混凝土的澆筑出現(xiàn)中斷，一次澆筑部分和二次澆筑部分之間形成較為明顯的分層面。

關(guān)于陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的加固問題研究，截至目前，已有大量相關(guān)報(bào)道。汪宏偉[3]討論了采用混凝土環(huán)梁加固風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可行性，并利用有限元方法計(jì)算了不同環(huán)梁高度情況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的應(yīng)力。陳俊嶺等[4]針對(duì)“因現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土強(qiáng)度過低導(dǎo)致的基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)開裂、壓碎和剛度降低”等問題，提出了一種“在柱墩側(cè)壁設(shè)置鋼絞線”的環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固方案，并建立有限元模型驗(yàn)證了加固方案的可行性。遲洪明等[5]針對(duì)陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)存在的承臺(tái)裂縫、防水破壞、基礎(chǔ)環(huán)溢漿等問題，采用三維有限元方法對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析，并在受力分析的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的加固方法。既有的研究成果主要集中在基礎(chǔ)開裂等問題的加固上，關(guān)于風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)的加固，中外的研究較少。席向東等[6]對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分層進(jìn)行了檢測(cè)與分析，并提出了相應(yīng)的加固方案。除此之外，尚未見其他相關(guān)報(bào)道。而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分層事故在國內(nèi)外都普遍存在，因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)在極端荷載工況下的受力和變形狀態(tài)以及加固方案等相關(guān)研究亟待開展。

現(xiàn)針對(duì)湖北省某風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分層問題，基于有限元軟件ABAQUS，建立了包括上下層混凝土、鋼筋籠、分層面插筋、基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)墊板在內(nèi)的風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)精細(xì)化有限元模型，研究了分層面上下層混凝土、鋼筋籠和分層面插筋在極端荷載工況下的受力和變形狀態(tài)。并在此基礎(chǔ)上，提出有針對(duì)性的加固方案，為今后類似工程事故的加固提供參考。

1 工程概況

湖北省某風(fēng)電場(chǎng)A13#風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)。基礎(chǔ)埋深3.0 m，基礎(chǔ)下部墊層厚度0.15 m。基礎(chǔ)圓形底板下口直徑18.4 m，上口直徑7.7 m；基礎(chǔ)底板頂面找坡，邊緣厚度1.1 m，中心區(qū)域厚度2.2 m；基礎(chǔ)芯柱直徑7.7 m，高度0.8 m?；A(chǔ)底板、芯柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面圖Fig.1 Section of the wind turbine foundation

2017年11月基礎(chǔ)底板開始澆筑。在澆筑過程中，出現(xiàn)雨雪、冰凍天氣。基礎(chǔ)底板混凝土澆筑約150 m3后，后續(xù)混凝土罐車無法到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，施工中斷。基礎(chǔ)底板一次澆筑完成后，大部分基礎(chǔ)頂面鋼筋裸露在外。澆筑中斷時(shí)，施工方按照設(shè)計(jì)說明書要求，在混凝土尚未初凝前于基礎(chǔ)底板區(qū)域插入了一定量的鋼筋。插筋為直徑20 mm的三級(jí)鋼筋，以1.2 m×1.2 m梅花形布置，鋼筋外露400 mm，插入混凝土中400 mm。基礎(chǔ)芯柱區(qū)域由于布滿了高度近2 m的密集鋼筋籠，故無法在分層面實(shí)現(xiàn)插筋。

2017年12月基礎(chǔ)底板開始二次澆筑，在澆筑施工前，施工方采用高壓水沖洗等方式對(duì)一次澆筑的底板頂面進(jìn)行了粗糙化處理，二次澆筑采用C45混凝土，其強(qiáng)度比原設(shè)計(jì)值高一個(gè)等級(jí)，共澆筑混凝土約340 m?；A(chǔ)一、二次澆筑的結(jié)合面示意圖如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)澆筑結(jié)合面示意圖Fig.2 Diagram of the stratification of the foundation

2 結(jié)合面質(zhì)量檢測(cè)

由于基礎(chǔ)施工過程中存在中斷施工和二次澆筑過程，施工過程不連續(xù)，導(dǎo)致新舊兩次澆筑的混凝土結(jié)合面處可能存在冷縫、空洞、連接薄弱等問題。因此，需要對(duì)混凝土二次澆筑的結(jié)合面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)采用鉆芯取樣的方法對(duì)基礎(chǔ)底板結(jié)合面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)[7]。將底板上部覆土開挖后，在基礎(chǔ)底板共鉆取20個(gè)直徑為70 mm的圓柱體芯樣，用于檢測(cè)基礎(chǔ)底板混凝土結(jié)合面質(zhì)量。芯樣長(zhǎng)度超過一次澆筑與二次澆筑的結(jié)合面，芯樣的典型外觀狀況如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)底板芯樣典型外觀狀況Fig.3 Typical appearance of core samples

基礎(chǔ)底板所抽取的芯樣大部分在深度1 000～1 060 mm 處發(fā)生斷裂，形成較明顯的二次澆筑結(jié)合面，現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣的結(jié)果表明兩次澆筑的結(jié)合面連接較薄弱。

3 有限元建模與計(jì)算

按照基礎(chǔ)施工圖紙，采用分離式建模方法建立了有限元模型，雖然鋼筋籠建模較為復(fù)雜，但是分離式模型的計(jì)算結(jié)果顯然更接近于真實(shí)[8]，且有利于后處理階段對(duì)鋼筋籠的單獨(dú)分析。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型的分層面位于基礎(chǔ)底板豎直段中部，下方為一次澆筑部分，上方為二次澆筑部分。

3.1 材料參數(shù)與本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型采用損傷塑性模型。該模型主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合非關(guān)聯(lián)多重硬化塑性和各向同性彈性損傷理論來表征材料斷裂過程中發(fā)生的不可逆損傷行為，且假定材料主要以拉伸開裂和壓縮破碎而破壞[9]?；炷了苄該p傷參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土塑性損傷參數(shù)Table 1 Plastic damage parameters of concrete

基礎(chǔ)環(huán)、鋼筋和分層面插筋均采用線彈性本構(gòu)模型，僅定義密度、彈性模量和泊松比等參數(shù)，不考慮塑性階段。具體的材料參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型材料參數(shù)Table 2 Material parameters of the model

3.2 相互作用與荷載施加

鋼筋籠和分層面插筋均采用內(nèi)置區(qū)域約束(embedded region)的方式模擬其與混凝土之間的相互作用[10]，不考慮相對(duì)滑移。由于基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的接觸狀態(tài)對(duì)模型的分析重點(diǎn)影響不大，為了減少計(jì)算接觸狀態(tài)所需要的迭代，提高計(jì)算效率，將基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的約束關(guān)系定義為綁定(tie)[11]。上下層混凝土之間采用平面與平面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.8。下層混凝土和混凝土墊板之間采用綁定約束(tie)，假定兩者在分析過程中不再分開。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，有限元分析時(shí)不考慮土體的變形，認(rèn)為墊層混凝土與土體之間完全固定[12]。

風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載如表3所示，其中豎向壓力Fz=4 213.22×103N，水平剪力Fxy=773.15×103N，傾覆力矩Mxy=71 459.55×106N·mm，扭矩Mz=3 465.18×106N·mm。荷載作用點(diǎn)標(biāo)高為 0.60 m，即基礎(chǔ)環(huán)頂面位置，因此將施加荷載的參考點(diǎn)設(shè)在基礎(chǔ)環(huán)頂面中心，并與基礎(chǔ)環(huán)頂面建立運(yùn)動(dòng)耦合約束(kinematic coupling)。

表3 風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)作用荷載設(shè)計(jì)值Table 3 Design value of loads acting on the wind turbine

3.3 單元選擇與網(wǎng)格劃分

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土部分、分層面插筋和基礎(chǔ)環(huán)均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8)，混凝土單元長(zhǎng)度為300 mm，插筋單元長(zhǎng)度為10 mm，基礎(chǔ)環(huán)單元長(zhǎng)度為100 mm。鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)，該單元僅可承受拉伸或壓縮荷載，單元長(zhǎng)度為400 mm。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)各部分及整體網(wǎng)格劃分如圖4～圖6所示，分層面底板區(qū)域插筋布置示意圖如圖7所示。

圖4 基礎(chǔ)環(huán)模型及其網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh model of foundation ring

圖5 鋼筋籠模型及其網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh model of steel reinforcement cage

圖6 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體模型及其網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh model of wind turbine spread foundation

圖7 分層面底板區(qū)域插筋布置示意圖Fig.7 Diagram of the steel bars inserted on the layered surface

4 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

由于研究的重點(diǎn)是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分層面在極端荷載工況下的應(yīng)力和變形狀態(tài)，所以在有限元計(jì)算結(jié)果中，主要分析與分層面直接接觸的上下層混凝土、鋼筋籠和分層面插筋等的應(yīng)力和變形結(jié)果。

4.1 上下層混凝土應(yīng)力和位移分析

上下層混凝土的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。由圖8、圖9可知，混凝土的最大壓應(yīng)力發(fā)生在基礎(chǔ)環(huán)附近，為9.611 MPa，遠(yuǎn)低于上層混凝土(C45)的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值21.1 MPa。所以，在極端荷載工況下，上、下層混凝土沒有破壞風(fēng)險(xiǎn)。下層混凝土在受拉區(qū)插筋位置處產(chǎn)生密集的小面積應(yīng)力集中，沿混凝土表面呈環(huán)向分布，但僅有內(nèi)外兩圈。這說明在極端荷載工況下，越靠近基礎(chǔ)芯柱區(qū)的插筋承受的荷載越大。因此，在設(shè)置分層面插筋時(shí)，宜內(nèi)密外疏，可進(jìn)一步改善插筋布置的合理性，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。由圖10可知，在傾覆力矩作用下，上層混凝土于受拉區(qū)產(chǎn)生明顯的拱起現(xiàn)象，導(dǎo)致上下層混凝土脫離，形成空腔。上層混凝土的局部拱起，將引起風(fēng)機(jī)塔筒的整體傾斜。塔筒重心的橫向偏移，又會(huì)進(jìn)一步加大施加在基礎(chǔ)環(huán)上表面的傾覆力矩，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行面臨更大的威脅。因此，在后期加固時(shí)，必須在空腔區(qū)增設(shè)抗拔鍵，以阻止上層混凝土在極端荷載工況下的局部拱起。

圖8 上下層混凝土豎向剖面應(yīng)力結(jié)果Fig.8 Stress on vertical section of upper and lower concrete

圖9 下層混凝土應(yīng)力結(jié)果Fig.9 Stress of lower concrete

圖10 上下層混凝土豎向剖面位移結(jié)果Fig.10 Displacement on vertical section of upper and lower concrete

4.2 鋼筋籠應(yīng)力分析

鋼筋籠應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，鋼筋籠在上下層混凝土的空腔區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力大小由空腔中部向兩邊遞減。這是由于上層混凝土在傾覆力矩作用下產(chǎn)生局部拱起，帶動(dòng)了空腔區(qū)內(nèi)的豎向鋼筋產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。鋼筋的最大應(yīng)力發(fā)生在空腔區(qū)內(nèi)，為91.92 MPa，遠(yuǎn)低于HRB400鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 MPa，鋼筋尚處彈性階段，未屈服。受拉區(qū)內(nèi)的豎向鋼筋在一定程度上抑制了上層混凝土的進(jìn)一步拱起。

圖11 鋼筋籠豎向剖面應(yīng)力結(jié)果Fig.11 Stress on vertical section of steel reinforcement cage

4.3 分層面插筋應(yīng)力和變形分析

分層面插筋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖12所示，變形計(jì)算結(jié)果如圖13所示(變形比例因子為25 000)。由于采用桁架單元模擬鋼筋籠，而桁架單元僅能承受軸向拉壓力，不能承受水平向剪力，所以極端荷載工況下分層面處產(chǎn)生的水平剪力中的大部分將由插筋承受(一小部分由上下層混凝土在分層面處產(chǎn)生的接觸摩擦抵消)。由圖12可知，分層面插筋的水平向最大應(yīng)力值位于最內(nèi)圈，達(dá)到了496.6 MPa。但是在實(shí)際工程中，鋼筋籠中密集分布的豎向鋼筋顯然可以承受大部分水平剪力，剩余的水平剪力由分層面處產(chǎn)生的摩擦和插筋共同承擔(dān)。因此，插筋的水平向最大應(yīng)力相應(yīng)會(huì)有一定程度的降低。但由于有限元計(jì)算得到的水平向最大應(yīng)力值過大，所以在后期加固時(shí)，建議在水平向應(yīng)力值較大的區(qū)域(靠近基礎(chǔ)芯柱的內(nèi)圈)增設(shè)抗剪鍵，以分擔(dān)一部分的水平剪力。由圖12、圖13可知，分層面插筋在極端荷載工況下彎折成了3段，中間段的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩端，彎折程度和應(yīng)力由內(nèi)圈向外圈遞減。這再次佐證了“分層面插筋宜內(nèi)密外疏布置”的合理性。同時(shí)，插筋彎折導(dǎo)致上、中、下段相對(duì)偏移，不在同一豎直線上。這意味著上下層混凝土在分層面處產(chǎn)生了相對(duì)滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)。為抑制上下層混凝土的這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同樣需要在彎折較嚴(yán)重的區(qū)域(靠近基礎(chǔ)芯柱的內(nèi)圈)增設(shè)抗剪鍵。

圖12 分層面插筋應(yīng)力結(jié)果Fig.12 Stress of the steel bars inserted on the layered surface

圖13 分層面插筋位移結(jié)果Fig.13 Displacement of the steel bars inserted on the layered surface

5 加固補(bǔ)強(qiáng)措施

5.1 增設(shè)抗拔鍵

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，空腔區(qū)位于受拉區(qū)基礎(chǔ)環(huán)底法蘭正下方。但由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有承受360°方向荷載的特殊性，所以在后期加固時(shí)，需環(huán)向均勻布置抗拔鍵。

在基礎(chǔ)環(huán)底法蘭內(nèi)外側(cè)增設(shè)抗拔鍵，分內(nèi)外兩圈環(huán)向布置，內(nèi)圈8個(gè)，外圈12個(gè)。

抗拔鍵施工步驟如下：

(1)在如圖14(a)所示位置用鉆孔機(jī)鉆孔，孔徑為150 mm，孔深以超過分層面400 mm為宜。

(2)同混凝土已經(jīng)初凝后插筋步驟，成孔后先清孔再洗孔。

(3)待干燥后在孔道側(cè)壁涂上一層環(huán)氧基結(jié)構(gòu)膠，再將已除銹的4根φ32鋼筋均勻環(huán)向粘貼在孔道側(cè)壁上，如圖14(b)所示。

(4)待結(jié)構(gòu)膠硬化后，往孔道內(nèi)灌入比一次澆筑混凝土等級(jí)高一級(jí)的混凝土。混凝土填滿后做擴(kuò)頂處理，如圖14(c)所示。擴(kuò)頂處理的目的是，防止雨水進(jìn)入孔道側(cè)壁銹蝕鋼筋，同時(shí)進(jìn)一步提高抗拔鍵的抗拔性能。

1為分層面；2為抗拔鍵；3為后澆混凝土；4為抗拔鋼筋；5為擴(kuò)頂部分圖14 抗拔鍵加固示意圖Fig.14 Diagram of reinforcement withanti-pull key

5.2 增設(shè)抗剪鍵

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，靠近基礎(chǔ)芯柱的內(nèi)圈插筋彎折變形較為明顯，彎折處的水平向應(yīng)力值也較大。因此，應(yīng)主要在基礎(chǔ)底板斜坡段靠近基礎(chǔ)芯柱的內(nèi)圈區(qū)域增設(shè)抗剪鍵，同樣分內(nèi)外兩圈環(huán)向均勻布置，內(nèi)圈10個(gè)，外圈15個(gè)。

抗剪鍵施工步驟如下：

(1)在如圖15(a)所示位置用鉆孔機(jī)鉆孔，孔徑為100 mm，孔深以超過分層面300 mm為宜。

(2)同混凝土已經(jīng)初凝后插筋步驟，成孔后先清孔再洗孔。

(3)往孔道內(nèi)灌入30 mm厚的混凝土(作為內(nèi)置型鋼的保護(hù)層)，再將預(yù)制好的十字形型鋼居中放入孔道內(nèi)，型鋼長(zhǎng)度以超過分層面400 mm為宜。

(4)再次灌入混凝土，直至填滿孔道。

抗剪鍵剖面和立面詳圖如圖15(b)和圖15(c)所示。

1為分層面；2為抗剪鍵；3為內(nèi)置十字形型鋼；4為后澆混凝土圖15 抗剪鍵加固示意圖Fig.15 Diagram of reinforcement with shear key

5.3 加固效果

按照如上方法加固風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)之后，隨即進(jìn)行了塔筒的吊裝并投入使用，目前風(fēng)機(jī)已經(jīng)安全運(yùn)行1年多，加固方案經(jīng)驗(yàn)證具有一定的可靠性。

6 結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)機(jī)分層基礎(chǔ)的有限元分析，可得出如下結(jié)論。

(1)在極端荷載工況下，上層混凝土在基礎(chǔ)環(huán)底法蘭下方拱起，與下層混凝土脫離形成空腔?？涨粎^(qū)內(nèi)豎向鋼筋產(chǎn)生拉應(yīng)力，但未屈服，豎向鋼筋在一定程度上抑制了上層混凝土的進(jìn)一步拱起。分層面插筋在分層面水平剪力的作用下產(chǎn)生彎折變形，變形程度和水平方向應(yīng)力值由內(nèi)圈到外圈遞減。上下層混凝土之間發(fā)生了相對(duì)滑移。

(2)分層面插筋宜內(nèi)密外疏布置。

(3)加固應(yīng)考慮提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分層面抗拔性能和抗剪性能，在基礎(chǔ)環(huán)底法蘭內(nèi)外側(cè)各增設(shè)一圈抗拔鍵，在基礎(chǔ)底板靠近基礎(chǔ)芯柱的內(nèi)圈區(qū)域增設(shè)兩圈抗剪鍵。