基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)疲勞改善的豎錨加固方法研究

王 健,黃時(shí)雨,李嘉暉,皮本謙

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004)

隨著風(fēng)電領(lǐng)域核心技術(shù)的不斷突破，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量不斷增加，塔筒高度不斷提升，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載呈非線性劇增。 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土受到拉壓、彎剪、扭等各種荷載的復(fù)雜耦合作用，應(yīng)力集中且受力復(fù)雜[1]。部分風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)出現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)與側(cè)壁混凝土脫開(kāi),甚至基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土在疲勞工況下出現(xiàn)壓碎等問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象[2]。若風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷初期不對(duì)其進(jìn)行加固，可能會(huì)造成風(fēng)機(jī)損傷過(guò)大、無(wú)法加固，甚至倒塌的嚴(yán)重后果。

目前主流的加固方法是將基礎(chǔ)環(huán)糾偏后，灌入環(huán)氧樹(shù)脂填充基礎(chǔ)環(huán)和混凝土之間的縫隙[3]。汪宏偉等[4]提出在基礎(chǔ)承臺(tái)上方澆筑環(huán)梁的方法，結(jié)果表明下法蘭處應(yīng)力集中緩解程度有限。何敏娟等[5]提出在臺(tái)柱上部施加6根鋼梁，鋼梁與下方基礎(chǔ)通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨栓連接的加固方法。彭柱[6]提出拆除上部混凝土后在基礎(chǔ)環(huán)兩側(cè)焊接栓釘?shù)募庸趟悸?，通過(guò)增加基礎(chǔ)環(huán)與混凝土側(cè)壁的抗剪剛度來(lái)抵抗傾覆力矩。陳俊嶺等[7]在基礎(chǔ)外側(cè)布置多圈預(yù)應(yīng)力鋼絞線，同時(shí)加高澆筑混凝土臺(tái)柱。上述方法雖可從本質(zhì)上解決下法蘭處混凝土應(yīng)力集中的問(wèn)題，但工程量較大、造價(jià)較高、施工周期長(zhǎng)。

本文針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)損傷基礎(chǔ)，提出一種新的加固方法。先對(duì)其進(jìn)行灌漿加固后恢復(fù)其承載力，再通過(guò)豎向錨桿的拉壓力來(lái)抵抗上部傳來(lái)的傾覆彎矩。該方法首先在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)混凝土上均勻地鑿取豎向圓孔，在基礎(chǔ)環(huán)上的對(duì)應(yīng)位置焊接有垂直孔的連接器。錨桿下端通過(guò)灌入鉆孔的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)與原有混凝土基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)，錨桿上端穿過(guò)連接件，待UHPC達(dá)到強(qiáng)度，通過(guò)螺母施加預(yù)應(yīng)力鎖緊錨桿與連接件。此加固方法的立足點(diǎn)基于UHPC材料的引入。UHPC是一種在活性混凝土中摻入鋼纖維的水泥基材料，具有拉壓強(qiáng)度高、耐疲勞性能好等優(yōu)良性能，與普通混凝土具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，豎錨加固方法材料成本見(jiàn)表1。基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)豎錨加固方法見(jiàn)圖1。

表1 豎錨加固方法材料成本表

圖1 基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)豎錨加固方法示意圖

1 工程概況和數(shù)值模型

本文以某湖南某風(fēng)電場(chǎng)的2 MW風(fēng)機(jī)為例，輪轂高度為80 m。根據(jù)NB/T 10311-2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為乙級(jí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑場(chǎng)地為Ⅰ類。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用圓盤(pán)重力式環(huán)式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板直徑為18.4 m，基礎(chǔ)上部臺(tái)柱直徑為7.6 m，基礎(chǔ)環(huán)直徑為4.4 m，基礎(chǔ)環(huán)埋深為2 m，基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)見(jiàn)圖2。

錨桿直徑為28 mm，開(kāi)孔的直徑為300 mm。根據(jù)學(xué)者M(jìn)ostafa Tazarv[9]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和給出的式(1)和式(2)確定錨桿錨固長(zhǎng)度和混凝土開(kāi)洞深度，同時(shí)考慮到加固構(gòu)件安全性問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼筋錨固長(zhǎng)度為192 mm，開(kāi)孔深度為183 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度不能低于開(kāi)孔深度，因此錨桿錨固長(zhǎng)度和開(kāi)孔深度均取192 mm。焊縫采用兩側(cè)側(cè)向角焊縫，焊縫高度為10 mm。根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行計(jì)算，焊縫長(zhǎng)度為356 mm。

(1)

(2)

圖3為加固基礎(chǔ)三維有限元模型，主要由混凝土、基礎(chǔ)環(huán)、鋼筋籠、UHPC、錨桿和連接件構(gòu)成。基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間采用表面與表面接觸，切向接觸形式為庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.35，法向接觸形式為硬接觸。UHPC和混凝土界面采用surface-based cohesive接觸，這是一種用來(lái)模擬界面之間粘結(jié)行為的手段?？紤]到鋼筋在UHPC中的錨固性能極好，不易發(fā)生粘結(jié)破壞，兩者之間采用綁定接觸。錨桿與連接器、連接器與基礎(chǔ)環(huán)之間連接后整體性好，均采用綁定接觸。基礎(chǔ)邊界條件為基礎(chǔ)底面采用固定約束。

為了兼顧計(jì)算速度和精度，應(yīng)力集中區(qū)域網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，其他區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較粗。鋼筋籠采用T3D2桁架單元，共計(jì)38 889個(gè)單元和24 091個(gè)節(jié)點(diǎn)；其余部件均采用C3D8R實(shí)體單元，共計(jì)38 176個(gè)單元和50 886個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)豎錨加固有限元模型圖

風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，但上部傳到基礎(chǔ)的荷載可以簡(jiǎn)化為水平荷載、豎向荷載和傾覆彎矩。這3種荷載中傾覆彎矩值較大，對(duì)基礎(chǔ)的破壞性也較強(qiáng)。本文在基礎(chǔ)環(huán)頂面中心處建立參考點(diǎn)，與基礎(chǔ)環(huán)頂面建立運(yùn)動(dòng)耦合，然后將荷載施加在參考點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)上部荷載的傳遞。本文僅研究加固方法在疲勞工況下的有效性和可行性，具體荷載見(jiàn)表2。

表2 疲勞工況荷載標(biāo)準(zhǔn)值表

根據(jù)SEC-W01-1250《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組計(jì)算總說(shuō)明》，基礎(chǔ)混凝土為C40，基礎(chǔ)環(huán)和連接件采用Q345鋼，鋼筋采用HRB400鋼筋，錨桿采用HRB600鋼筋，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)材料本構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)材料本構(gòu)數(shù)據(jù)表

2 豎錨加固方法可行性分析

豎錨加固方法的可行性分析重點(diǎn)是分析錨桿、連接件和UHPC在疲勞工況下是否存在材料損傷，以及UHPC與普通混凝土之間的粘結(jié)界面是否存在粘結(jié)損傷。

圖4 錨桿疲勞工況下Mises云圖

風(fēng)電機(jī)的使用壽命為20 a，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明疲勞次數(shù)為107次，因此有必要對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。由于鋼筋的延性較好，一般用Mises應(yīng)力描述其應(yīng)力狀態(tài)。錨桿的疲勞應(yīng)力幅為138.2MPa，略大于HRB400鋼筋疲勞容許應(yīng)力幅137 MPa。由于HRB600鋼筋采用HRB400鋼筋的疲勞應(yīng)力幅值偏于安全，因此可認(rèn)為錨桿在疲勞荷載作用下滿足疲勞強(qiáng)求要求。在極端荷載作用下，主風(fēng)向上兩側(cè)錨桿已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重屈服。等效塑性應(yīng)變PEEQ是整個(gè)變形過(guò)程中塑性累積結(jié)果，當(dāng)PEEQ為0時(shí)，表明材料仍未屈服，仍處于彈性狀態(tài)。最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在主風(fēng)向受壓側(cè)錨桿處， PEEQ值為0.0130 4，加上彈性應(yīng)變0.003，已大于錨桿極限應(yīng)變0.01。主風(fēng)向受拉側(cè)錨桿PEEQ值為0.0098 5，總應(yīng)變超過(guò)錨桿極限應(yīng)變0.01，主風(fēng)向受拉壓兩側(cè)錨桿均發(fā)生斷裂。

連接件采用Q345鋼材料，同樣通過(guò)限制疲勞應(yīng)力幅避免發(fā)生疲勞破壞。連接件主要承受豎向的剪應(yīng)力和偏心彎矩帶來(lái)的正應(yīng)力，應(yīng)對(duì)其疲勞應(yīng)力幅進(jìn)行驗(yàn)算。本文參照GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]第16.2條疲勞計(jì)算，規(guī)范未對(duì)疲勞次數(shù)為107時(shí)的允許應(yīng)力幅進(jìn)行規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行折算處理。計(jì)算容許正應(yīng)力幅時(shí)，構(gòu)件與連接類別為Z8，計(jì)算得出允許應(yīng)力幅為50.8 MPa；計(jì)算容許剪應(yīng)力幅時(shí)，構(gòu)件與連接類別為J1，按規(guī)范計(jì)算得出允許剪應(yīng)力幅為33.3 MPa。在應(yīng)力云圖中正應(yīng)力為S11，剪應(yīng)力為S12。連接件在疲勞工況下正應(yīng)力和剪應(yīng)力見(jiàn)圖5。錨桿的疲勞正應(yīng)力幅為14.9 MPa，疲勞容許正應(yīng)力幅為50.8 MPa；疲勞剪應(yīng)力幅為10.9 MPa，疲勞容許剪應(yīng)力幅為34.4 MPa，均滿足要求。

圖5 連接件在疲勞工況下正應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖

在極端荷載工況下，連接件在極端荷載工況下仍處于彈性階段，連接件最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)主風(fēng)向上受壓側(cè)，最大Mises應(yīng)力為115.5 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到屈服強(qiáng)度345 MPa；最大PEEQ值為0，所有連接件均未進(jìn)入塑性。

考慮用UHPC的峰值拉壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值表征UHPC的破壞狀態(tài)，當(dāng)UHPC的壓應(yīng)變達(dá)到3 500 με時(shí)，UHPC完全遭到破壞；當(dāng)UHPC的拉應(yīng)變達(dá)到1 267 με時(shí)，此時(shí)受拉本構(gòu)平臺(tái)段已結(jié)束，認(rèn)為此時(shí)UHPC已經(jīng)完全發(fā)生破壞。通過(guò)圖6可知，錨桿加固模型在疲勞等效上限荷載作用下的拉壓應(yīng)變分別為315 με和364 με，遠(yuǎn)低于破壞拉應(yīng)變1 267 με和3 500 με，UHPC未發(fā)生材料破壞。

在極端工況下，UHPC的受拉破壞集中出現(xiàn)在主風(fēng)向受拉側(cè)錨桿錨固上端，UHPC最大拉應(yīng)變?yōu)? 009 με，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)UHPC極限拉應(yīng)變1 267 με。主風(fēng)向受壓側(cè)UHPC受拉破壞較小，拉應(yīng)變均低于UHPC極限壓應(yīng)變。UHPC與普通混凝土一樣，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，抗壓性能極好。UHPC壓應(yīng)變出現(xiàn)在主風(fēng)向兩側(cè)錨桿錨固上端附近，UHPC最大壓應(yīng)變?yōu)? 235 με，未達(dá)到最大壓應(yīng)變3 500 με，UHPC未發(fā)生受壓破壞。

基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力和豎向偏移量在主風(fēng)向兩側(cè)保持對(duì)稱，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主風(fēng)向受壓側(cè)連接件與基礎(chǔ)環(huán)焊接處。在疲勞下限和上限荷載作用下，最大Mises分別達(dá)到15.09 MPa和35.96 MPa，疲勞應(yīng)力幅為20.87 MPa，滿足疲勞強(qiáng)度要求。在極限荷載作用下，最大Mises達(dá)到155.5MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 疲勞上限工況下UHPC應(yīng)變?cè)茍D

圖7 疲勞工況下基礎(chǔ)環(huán)Mises應(yīng)力圖

ABAQUS中一般用剛度退化標(biāo)量(SDEG)來(lái)反映粘結(jié)面的破壞情況，當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力到達(dá)峰值時(shí)，此時(shí)標(biāo)志著粘結(jié)面剛度開(kāi)始退化，此時(shí)SDEG的值為0；當(dāng)粘結(jié)面粘結(jié)強(qiáng)度完全消失時(shí)，此時(shí)SDEG的值為1。通過(guò)圖8可以發(fā)現(xiàn)豎錨加固模型在上限疲勞荷載工況下，孔洞附近混凝土最大拉應(yīng)力為0.35 MPa，SDEG值均為0，粘結(jié)面未發(fā)生粘結(jié)破壞。在極端工況下，混凝土可能發(fā)生小范圍的受拉破壞，UHPC和普通混凝土粘結(jié)面雖發(fā)生極小區(qū)域的粘結(jié)破壞，但仍可以較大程度參與加固工作。

豎錨加固方法在疲勞荷載工況下具有較高的可行性，但在極端荷載工況下加固構(gòu)件會(huì)發(fā)生材料破壞?？紤]到極端工況是根據(jù)50年一遇的風(fēng)荷載進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)方法得出，出現(xiàn)概率較低，同時(shí)加固系統(tǒng)在極端荷載下破壞前可以抵抗大量的傾覆彎矩，因此該方法仍具有較高應(yīng)用價(jià)值。

圖8 疲勞上限工況下粘結(jié)面狀態(tài)圖

3 豎錨加固方法效果

本文采用直徑28 mm的高強(qiáng)錨桿，每4根錨桿逐漸遞增至32根，在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)沿環(huán)向均勻布置，利用基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土應(yīng)力集中緩解程度來(lái)反映加固效果。

本文按GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]第4.1.6節(jié)的規(guī)定取值，根據(jù)等幅度疲勞2×106次的試驗(yàn)研究結(jié)果，混凝土受拉疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)γp為0.6，混凝土受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.03 MPa。由圖9中(a)可知，在疲勞上限荷載工況下，未加固基礎(chǔ)下法蘭附近混凝土最大拉應(yīng)力為1.48 MPa，大于混凝土受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，下法蘭附近混凝土可能發(fā)生受拉疲勞破壞。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在20a內(nèi)疲勞作用統(tǒng)計(jì)次數(shù)為107次，混凝土發(fā)生受拉疲勞破壞的概率和程度進(jìn)一步加大。由圖9中(b)可知采用32根錨桿加固基礎(chǔ)在疲勞荷載上限荷載作用下，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍的拉應(yīng)力最大值僅為1 MPa，低于混凝土受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)比圖9(a)和(b)，可發(fā)現(xiàn)加固后基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土拉應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中已得到明顯緩解。壓應(yīng)力集中在基礎(chǔ)環(huán)受拉側(cè)下法蘭上部和基礎(chǔ)環(huán)受壓側(cè)下法蘭下部。在疲勞上限荷載工況下，未加固基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為3.64 MPa，未發(fā)生受壓疲勞破壞。32根錨桿加固基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為2.42 MPa，壓應(yīng)力得到降低。結(jié)果表明，豎錨加固方法可以改善下法蘭附近混凝土的應(yīng)力大小和分布，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到顯著緩解。

圖9 加固前后混凝土應(yīng)力云圖

FIB Model Code -2010《歐洲混凝土規(guī)范》[12]第7.4.1條提出了基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土抗壓疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算和耐疲勞次數(shù)的計(jì)算方法。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出C40混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度f(wàn)cd,fat為14.44 MPa，根據(jù)式(3)～(5)進(jìn)行計(jì)算應(yīng)力水平幅ΔSc。

(3)

(4)

ΔSc=Sc,max-Sc,min

(5)

式中:γEd為疲勞工況荷載安全系數(shù)，本文取1.0；ηc為混凝土壓力不均勻系數(shù)，本文取0.8。

根據(jù)式(6)～(7)計(jì)算疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的疲勞荷載數(shù)logN，當(dāng)logN1>6取logN=logN2，否則取logN=logN1，疲勞次數(shù)應(yīng)滿足logN≥7。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固前后疲勞次數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果均滿足疲勞受壓要求。未加錨桿基礎(chǔ)可以承受1018.98次受壓疲勞荷載，32根錨桿加固基礎(chǔ)可以承受1021.58次疲勞受壓荷載，抗壓疲勞性能提高了約398倍。針對(duì)已受損傷風(fēng)機(jī)，加固后可以有效提升承載力，阻止疲勞破壞的進(jìn)一步擴(kuò)展。

(6)

logN2=0.2logN1(logN1-1)

(7)

表4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固前后疲勞次數(shù)分析表

圖10反映了下法蘭處混凝土在疲勞上限荷載工況下應(yīng)力集中程度的變化趨勢(shì)。隨著錨桿數(shù)量的增加，下法蘭處混凝土拉壓應(yīng)力都明顯降低。錨桿數(shù)量為0時(shí)，下法蘭處混凝土最大拉壓應(yīng)力分別為1.48 MPa和3.64 MPa；當(dāng)錨桿數(shù)量為12根時(shí)，下法蘭處混凝土最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別減小了12.16%和14.29%；當(dāng)錨桿數(shù)量為32根時(shí)，下法蘭處混凝土最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別減小了32.43%和33.52%，此時(shí)混凝土的最大拉應(yīng)力明顯降低，已經(jīng)低于混凝土受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖10 錨桿數(shù)量與加固效果變化趨勢(shì)圖

4 結(jié) 論

采用ABAQUS商業(yè)軟件建立三維加固有限元模型，分析各個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固構(gòu)件的受力狀態(tài)和基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土應(yīng)力，得到以下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，各個(gè)構(gòu)件及構(gòu)件間粘結(jié)面在疲勞荷載作用下不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，該加固方法具有較高的可行性。

(2) 在基礎(chǔ)環(huán)周邊環(huán)向布置32根直徑為28 mm的豎向錨桿，可以使基礎(chǔ)環(huán)附近混凝土的應(yīng)力集中程度下降30%左右。在疲勞上限荷載工況下，加固后風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土的最大拉應(yīng)力已經(jīng)低于受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不會(huì)發(fā)生受拉疲勞破壞。

(3) 加固前后混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足疲勞要求，但加固后混凝土抗壓耐疲勞次數(shù)提高約398倍，對(duì)于阻止受損風(fēng)機(jī)疲勞破壞的進(jìn)一步擴(kuò)展具有重要意義。

(4) 豎錨加固方法具有施工方便、施工周期短和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，且受地域和環(huán)境影響較小。相對(duì)于其他加固方法，該方法在實(shí)際風(fēng)電工程具有較高的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。