基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷的模擬及水平度研究

皮本謙?李嘉暉?王健?鄭瀟

摘 要：基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的損傷是基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)發(fā)生安全事故的主要原因。針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的損傷，利用ABAQUS有限元軟件建立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的三維有限元模型，計算風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)在基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效、基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展、基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土空腔擴(kuò)展這三種情況下的水平度。結(jié)果表明：隨著基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效和基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫的擴(kuò)展，基礎(chǔ)環(huán)水平度都有一定程度的增加，但未超過規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，此時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)雖有損傷，但尚能正常運行;隨著基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土空腔的擴(kuò)展，基礎(chǔ)環(huán)水平度呈幾何式增長，基礎(chǔ)環(huán)最大水平度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范所允許的數(shù)值，此時風(fēng)機(jī)不能正常運行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);基礎(chǔ)環(huán)水平度;風(fēng)機(jī)損傷;有限元模擬

中圖分類號：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0033-05

Abstract： The damage of foundation ring fan foundation is the main cause of safety accident of foundation ring fan. Aiming at the damage of fan foundation， a three-dimensional finite element model of fan foundation was established by using ABAQUS finite element software to calculate the damage of fan foundation ring， such as gradual failure of foundation ring concrete bond， expansion of concrete crack on side wall of foundation ring and expansion of concrete cavity at flange under foundation ring levelness under three working conditions. The results show that： with the gradual failure of the foundation ring concrete bond and the expansion of the concrete cracks on the side wall of the foundation ring， the levelness of the foundation ring increases to a certain extent， but it does not exceed the value specified in the specification. At this time， although the fan foundation is damaged， the fan can still operate normally; with the expansion of the concrete cavity at the lower flange of the foundation ring， the levelness of the foundation ring increases geometrically， and the foundation ring is the most stable The large levelness far exceeds the value allowed by the specification， and the fan can not operate normally at this time.

Keywords： fan foundation;foundation ring levelness;fan damage;finite element simulation

我國陸上風(fēng)機(jī)多數(shù)采用基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)。基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由鋼制基礎(chǔ)環(huán)和鋼筋混凝土組成?；A(chǔ)環(huán)作為預(yù)埋在基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部的鋼制部分，是基礎(chǔ)和鋼塔連接的過渡構(gòu)件，也是鋼塔筒與基礎(chǔ)連接的關(guān)鍵構(gòu)件?；A(chǔ)環(huán)設(shè)上下法蘭，其中上法蘭用于連接上部風(fēng)機(jī)鋼筒，下法蘭用于連接基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的水平度是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工控制的重要參數(shù)，基礎(chǔ)環(huán)的水平度直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運行?！讹L(fēng)力發(fā)電機(jī)組 裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）規(guī)定基礎(chǔ)環(huán)水平度不得超過3 mm[1]。

關(guān)于基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，大量研究者集中研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的損傷機(jī)理和基礎(chǔ)的疲勞損傷演變過程。例如，呂偉榮和朱峰等基于國內(nèi)外大量的研究及工程事故調(diào)查結(jié)果，提出了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷破壞過程：由初始裂隙→疲勞、沖擊及雨水侵蝕致裂隙擴(kuò)展，搖擺加大影響使用→裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展致形成局部“杠桿”受力機(jī)制，直至傾覆[2]。呂偉榮還與何瀟錕等通過對國內(nèi)多臺問題風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場勘查和基礎(chǔ)環(huán)水平度、混凝土強(qiáng)度及基礎(chǔ)環(huán)下法蘭視頻探測等，分析了插環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的風(fēng)致疲勞損傷[3]。張家志等運用通用有限元分析軟件ANSYS，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的簡化模型試驗進(jìn)行基于面面接觸的非線性有限元模擬與分析，并對其內(nèi)部鋼板表面的應(yīng)變分布以及鋼-混凝土的滑移黏結(jié)等性能進(jìn)行研究[4]。周新剛等利用有限元方法分析在各種工況下基礎(chǔ)的應(yīng)力及變形，并根據(jù)計算結(jié)果分析風(fēng)機(jī)塔筒預(yù)埋筒環(huán)法蘭盤上側(cè)混凝土破壞的原因。破壞調(diào)查、檢測及計算分析表明，在極端荷載作用下，筒環(huán)與混凝土之間的黏結(jié)力喪失，導(dǎo)致筒環(huán)法蘭盤上側(cè)的混凝土受到較大的應(yīng)力作用，使混凝土發(fā)生剪切和疲勞破壞，筒環(huán)與混凝土基礎(chǔ)之間發(fā)生明顯的滑動位移，塔筒的振動加大，最終引起風(fēng)機(jī)報警停機(jī)[5]?？得骰⒌纫餐ㄟ^有限元方法分析了基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的局部應(yīng)力情況，對可能導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生損傷的原因進(jìn)行了研究[6]。艾騰騰等在ABAQUS有限元軟件中引入內(nèi)聚力黏結(jié)單元，對鋼-混凝土的黏結(jié)滑移過程進(jìn)行模擬[7]。

本文通過建立基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效、基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展、基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土空腔擴(kuò)展這三種模型來模擬基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的疲勞損傷演變過程，以了解風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷對基礎(chǔ)環(huán)水平度造成的影響。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)

根據(jù)湖南某風(fēng)力發(fā)電場提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計說明書以及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸示意圖建立有限元模型，基礎(chǔ)模型尺寸如圖1所示?；A(chǔ)環(huán)直徑為4.4 m，基礎(chǔ)混凝土臺柱直徑為8 m，基礎(chǔ)下部直徑為19.8 m，基礎(chǔ)環(huán)的埋置深度為2 m?；A(chǔ)環(huán)和混凝土都采用8節(jié)點線性六面體實體單元，鋼筋采用桁架單元。

1.2 計算荷載工況及材料參數(shù)

本文只考慮正常運行工況下的組合極限值，具體荷載值見表1。采用C35混凝土作為基礎(chǔ)的主體混凝土，基礎(chǔ)環(huán)鋼材采用Q345，基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋采用HRB400。具體材料參數(shù)見表2?；A(chǔ)混凝土采用ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型，通過對材料彈性剛度的折減來實現(xiàn)對混凝土在拉、壓應(yīng)力下的損傷引起的強(qiáng)度和剛度退化。對基礎(chǔ)混凝土單元進(jìn)行劃分，形成六面體，采用掃掠劃分，基礎(chǔ)各組成部位網(wǎng)格均為環(huán)向?qū)R分布，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型經(jīng)多次修改后收斂。

2 不同模型數(shù)值設(shè)置

2.1 基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效模型設(shè)置

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)-混凝土間的黏結(jié)力逐漸失效是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷的起因。本文利用ABAQUS有限元軟件中的非線性彈簧單元來模擬基礎(chǔ)環(huán)-混凝土間的黏結(jié)力，在建立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)三維模型時，在基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)混凝土連接面對應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點上采用三個非線性彈簧單元來模擬基礎(chǔ)環(huán)-混凝土之間的黏結(jié)滑移，分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用。在ABAQUS有限元分析中，非線性彈簧單元的布置流程為：首先，將基礎(chǔ)環(huán)部件與基礎(chǔ)混凝土部件的網(wǎng)格進(jìn)行精確化一一對應(yīng);其次，利用軟件中的Python二次開發(fā)功能批量布置線性彈簧單元;最后，在提交Job后生成的inp文件中將線性彈簧的參數(shù)替換成非線性彈簧的參數(shù)。布置完的非線性彈簧單元如圖2所示。

本文利用ABAQUS有限元軟件中非線性彈簧單元來模擬基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間的黏結(jié)力，利用非線性彈簧單元逐漸減少來模擬基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁黏結(jié)力逐漸消失的過程。在基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間一一對應(yīng)的節(jié)點上添加全部非線性彈簧單元來模擬基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的理想黏結(jié)狀態(tài)。然后，逐漸減小非線性彈簧單元的布置區(qū)域，假設(shè)失效區(qū)域以每200 mm高度向下擴(kuò)展，對失效區(qū)域采用庫侖摩擦接觸方式來模擬基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間黏結(jié)損失后的接觸情況，直至基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間全部為庫倫摩擦接觸方式。因為基礎(chǔ)環(huán)埋置在混凝土的高度為2 m，將基礎(chǔ)環(huán)和混凝土的網(wǎng)格劃分為200 mm的高度后，共形成11層非線性彈簧單元，所以一共形成12種工況來分析基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)高度對結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展模型設(shè)置

隨著基礎(chǔ)環(huán)-混凝土間黏結(jié)力的完全失效，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受到上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的彎矩荷載作用，會導(dǎo)致在主風(fēng)向上的表面混凝土產(chǎn)生微小裂縫，然后在往復(fù)疲勞荷載作用下，裂縫會擴(kuò)展至下法蘭處。本文采用挖空基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土來模擬基礎(chǔ)環(huán)出現(xiàn)裂縫和裂縫從表面混凝土擴(kuò)展至下法蘭處混凝土。圖3為基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展圖，裂縫范圍為基礎(chǔ)環(huán)環(huán)向，裂縫寬度為2 mm，裂縫深度從0 m以200 mm遞增至2 m，共分為11種工況。

2.3 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處空腔擴(kuò)展模型設(shè)置

隨著基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展至下法蘭處，此時下法蘭處受拉側(cè)混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中，說明主風(fēng)向上的下法蘭處混凝土最先出現(xiàn)混凝土空腔，隨后空腔區(qū)域面積逐漸向兩側(cè)擴(kuò)大。在此期間，下法蘭處受壓側(cè)混凝土也將出現(xiàn)空腔。圖4為基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土空腔示意圖。混凝土空腔高度為100 mm，寬度與基礎(chǔ)環(huán)下法蘭翼緣寬度一致，空腔區(qū)域沿基礎(chǔ)環(huán)環(huán)向。將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中心周圍的空腔面積的弧度設(shè)置為30°，以模擬混凝土的初始空腔面積。隨著基礎(chǔ)環(huán)下部翼緣上部的混凝土空腔面積在作用于對稱軸線兩側(cè)的荷載方向上的擴(kuò)展，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中心周圍的空腔面積增加到60°、90°、120°、150°、180°，以模擬空腔范圍的擴(kuò)展。

3 不同模型數(shù)值模擬分析

3.1 基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效對基礎(chǔ)環(huán)水平度的影響

《風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）規(guī)定基礎(chǔ)環(huán)水平度不得超過3 mm[1]，基礎(chǔ)環(huán)水平度由基礎(chǔ)環(huán)受拉側(cè)頂面最大豎向位移和受壓側(cè)頂面最大豎向位移相加而得。

基礎(chǔ)環(huán)頂面最大豎向位移、基礎(chǔ)環(huán)水平度與黏結(jié)高度的關(guān)系分別如圖5和圖6所示。從圖上可知，隨著基礎(chǔ)環(huán)-混凝土之間的黏結(jié)力逐漸消失，基礎(chǔ)環(huán)受拉側(cè)頂面最大豎向位移逐漸由0.771 4 mm增加至0.787 6 mm，基礎(chǔ)環(huán)受壓側(cè)頂面最大豎向位移逐漸由0.829 1 mm增加至0.847 5 mm;基礎(chǔ)環(huán)水平度由1.595 2 mm增加至1.635 1 mm?？梢?，當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)-混凝土之間的黏結(jié)力完全消失時，基礎(chǔ)環(huán)的最大水平度未超過3 mm，此時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尚處于健康狀況。

3.2 基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展對基礎(chǔ)環(huán)水平度的影響

基礎(chǔ)環(huán)頂面最大豎向位移、基礎(chǔ)環(huán)水平度與裂縫深度的關(guān)系如圖7和圖8所示。

從兩幅圖可知，隨著基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫深度的不斷增加，基礎(chǔ)環(huán)受拉側(cè)頂面最大豎向位移由0.787 6 mm線性增加到0.803 5 mm，基礎(chǔ)環(huán)受壓側(cè)頂面最大豎向位移逐漸由0.847 5 mm增加至0.859 3 mm;基礎(chǔ)環(huán)水平度由1.635 1 mm增加至1.662 8 mm。可見，隨著基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫逐漸加深，基礎(chǔ)環(huán)的水平度未超過3 mm，此時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土雖有損傷，但風(fēng)機(jī)仍可以正常運行。

3.3 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處空腔擴(kuò)展對基礎(chǔ)環(huán)水平度的影響

圖9和圖10分別為基礎(chǔ)環(huán)頂面最大豎向位移和水平度隨著下法蘭處受拉側(cè)混凝土空腔由30°增加到180°的變化圖。從圖9和圖10可知，隨著基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處受拉側(cè)混凝土空腔的逐漸增大，基礎(chǔ)環(huán)受壓側(cè)頂面最大豎向位移由0.867 6 mm線性增加至1.042 0 mm，基礎(chǔ)環(huán)受拉頂面最大豎向位移受到下法蘭處受拉側(cè)混凝土空腔增大的影響，由0.829 2 mm幾何式增長至2.625 0 mm;基礎(chǔ)環(huán)水平度也由1.696 8 mm增加至3.667 0 mm。此時基礎(chǔ)環(huán)水平度已超過《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）所規(guī)定的3 mm，說明風(fēng)機(jī)已經(jīng)不能正常運行。

圖11和圖12分別為基礎(chǔ)環(huán)頂面最大豎向位移和水平度隨著下法蘭處兩側(cè)混凝土空腔由30°增加到180°的變化圖。從圖11和圖12可知，隨著基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處兩側(cè)混凝土空腔的逐漸增大，基礎(chǔ)環(huán)受拉側(cè)頂面最大豎向位移由0.868 7 mm幾何式增長至2.762 0 mm，基礎(chǔ)環(huán)受壓側(cè)頂面最大豎向位移由0.901 5 mm幾何式增長至3.097 0 mm;基礎(chǔ)環(huán)水平度由1.770 2 mm幾何式增長至5.85 9 mm。此時基礎(chǔ)環(huán)水平度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3 mm，故可認(rèn)為當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)大范圍空腔時，風(fēng)機(jī)已不能運行。

4 結(jié)論

通過上述研究，可得出以下結(jié)論。

①在基礎(chǔ)環(huán)-混凝土黏結(jié)逐漸失效和基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁混凝土裂縫擴(kuò)展兩種基礎(chǔ)損傷模型中，基礎(chǔ)環(huán)最大水平度均未超過《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）所規(guī)定的3 mm，說明這兩種工況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尚處于健康狀況。

②隨著基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處兩側(cè)混凝土空腔逐漸增加，基礎(chǔ)環(huán)頂面最大豎向位移和基礎(chǔ)環(huán)水平度都呈幾何式增長，此時基礎(chǔ)環(huán)水平度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了3 mm，風(fēng)機(jī)已不能運行。

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