風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及混凝土強(qiáng)度影響分析

陳加興，譚爭光，周 敏

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

隨著國內(nèi)風(fēng)電項目大規(guī)模建設(shè)，近年來出現(xiàn)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度缺陷問題的現(xiàn)象越來越多。同時隨著風(fēng)電場運行時間加長，暴露出這種問題的風(fēng)電場數(shù)量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，問題越來越嚴(yán)重?；炷翉?qiáng)度是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最重要的指標(biāo)，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)能否安全運行。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)出現(xiàn)強(qiáng)度缺陷后，基礎(chǔ)處于不安全狀態(tài)，風(fēng)機(jī)因此不能正常運行，給風(fēng)電場運行維護(hù)造成很大的困擾[1]。由于缺少對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度缺陷問題的研究，難以采取有效的應(yīng)對措施。

本文采用有限元模擬分析計算方法，結(jié)合實際工程案例，對某低強(qiáng)度混凝土風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，研究其可能產(chǎn)生的破壞機(jī)理，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固處理設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，可供同類工程參考。

1 結(jié)構(gòu)計算分析

1.1 計算模型

本文以某工程基礎(chǔ)環(huán)式重力圓形擴(kuò)展風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為研究對象，采用大型通用有限元軟件ABAQUS提供的混凝土彈塑性斷裂模型及鋼筋單元[2]，模型坐標(biāo)系X軸為水平方向，且下風(fēng)向為正；Z軸為鉛直方向，并以豎直向上為正；Y軸正方向由右手法則確定；坐標(biāo)系原點位于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部圓心處。由上部結(jié)構(gòu)傳遞至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的荷載在基礎(chǔ)環(huán)頂部簡化為豎向荷載、水平荷載和彎矩，于基礎(chǔ)環(huán)頂面圓心處建立荷載參考點RP，風(fēng)機(jī)載荷均通過該參考點加載；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上覆土壓力采用均布壓力方式施加在斜坡混凝土表面，等效覆土壓力為0.037 3 MPa。模型不考慮地下水情況。

模型單元分為混凝土、鋼筋及金屬基礎(chǔ)環(huán)三大組。其中混凝土與金屬基礎(chǔ)環(huán)均采用C3D8R單元，兩者通過綁定方式連接；鋼筋采用T3D2單元[3]，鋼筋采用Embedded方式嵌入至基礎(chǔ)混凝土中以實現(xiàn)混凝土與鋼筋間的聯(lián)合受力特性，主要結(jié)構(gòu)鋼筋位置示意圖如圖1所示。整個模型共153 966個單元，其中C3D8R單元共計118 960個，T3D2單元共計35 006個。邊界條件方面，除底部采用全約束外，其余均為自由邊界。模型內(nèi)主要考慮鋼筋、整體及基礎(chǔ)環(huán)單元網(wǎng)格[4]如圖2所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要結(jié)構(gòu)鋼筋分布圖

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元整體模型

同時考慮在不同計算工況下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為大體積混凝土可能進(jìn)入塑性區(qū)，乃至開裂破壞，為保證計算結(jié)果的真實性，將混凝土設(shè)置為損傷塑性模型[5-6](CDP模型)，其塑性本構(gòu)按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2010)》取值。混凝土、金屬基礎(chǔ)環(huán)以及鋼筋材料參數(shù)[7]如表1所示。

表1 基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)材料參數(shù)

1.2 計算方案與說明

本文對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行靜力分析，分析不同荷載工況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，同時考慮混凝土不同強(qiáng)度等級對其分布狀態(tài)的影響，正常運行工況及極端荷載工況荷載如表2所示，采用正交法則設(shè)計計算方案，并以“計算工況+混凝土強(qiáng)度等級”的方式進(jìn)行命名(正常運行工況取為Z，極端荷載工況取為J)。例如方案J35，即計算工況為極端荷載工況，且基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C35，其余方案以此類推。

表2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)荷載

考慮到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的破壞大多在極端荷載工況作用下發(fā)生，本文僅對極端荷載工況進(jìn)行計算分析?？紤]到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力特性，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建立共節(jié)點模型及接觸模型分別進(jìn)行計算分析。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土的損傷程度由損傷值dt表示，dt值在0到1之間變化，0代表沒有損傷，1代表完全損傷。以C35混凝土為例，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa，當(dāng)混凝土所受拉應(yīng)力達(dá)到2.2 MPa后，即意味著混凝土進(jìn)入損傷階段[8]，并且其損傷因子隨塑性應(yīng)變增加而逐漸增大至1。

1.3 共節(jié)點模型計算

本文采用表2中極端荷載工況荷載進(jìn)行計算，以J35方案為例，在極端荷載工況下，繞Y軸力矩My為負(fù)值且幅值水平提高，因此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)呈現(xiàn)自X軸正向向負(fù)向傾覆態(tài)勢，位移最大值提高到0.478 mm；鋼筋應(yīng)力方面，在極端荷載工況下，鋼筋Mises應(yīng)力進(jìn)一步提高，最大值達(dá)到113 MPa，最值位于12號穿孔鋼筋頂部基礎(chǔ)環(huán)附近。

混凝土受壓損傷方面，對于J20～J30方案，在X正半側(cè)基礎(chǔ)環(huán)外壁混凝土出現(xiàn)小范圍受壓損傷區(qū)，主要分布于10、12號穿孔鋼筋附近，且基本僅沿豎向擴(kuò)展，詳見圖3所示,其中受壓損傷擴(kuò)展距離為損傷因子超過0.1的受壓區(qū)域豎向長度。隨著基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級的提高，受壓損傷區(qū)發(fā)生位置由33號穿孔鋼筋處逐漸上移至10、12號穿孔鋼筋附近。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級提高至C35及以上時，受壓塑性區(qū)完全消失。

圖3 各計算方案混凝土塑性損傷分布云圖

混凝土受拉損傷方面，各種計算方案中除在臺柱混凝土頂部基礎(chǔ)環(huán)附近出現(xiàn)錐形受拉損傷塑性區(qū)外，在基礎(chǔ)環(huán)底部內(nèi)外側(cè)也出現(xiàn)較大范圍的水平受拉塑性區(qū)。隨著基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級的提高，混凝土抗拉強(qiáng)度提高，進(jìn)而分擔(dān)更多荷載，因此混凝土受拉塑性區(qū)范圍以及內(nèi)部鋼筋應(yīng)力均出現(xiàn)降低趨勢，各方案受拉塑性區(qū)結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 極端荷載工況下各方案混凝土塑性區(qū)范圍及鋼筋應(yīng)力最值統(tǒng)計匯總表

本文對該計算工況下豎向擴(kuò)展方向上水平受拉開裂區(qū)面積進(jìn)行匯總整理可知，極端荷載作用下的臺柱混凝土頂部塑性區(qū)在豎向深度為0.2～0.3 m處達(dá)到最大值，而后隨擴(kuò)展深度的增加而逐漸減??；而當(dāng)擴(kuò)展深度達(dá)到1.3～1.4 m時，僅有J20、J25方案存在部分塑性區(qū)；當(dāng)擴(kuò)展深度達(dá)到基礎(chǔ)環(huán)附近時，各方案均存在較大面積的塑性區(qū)，最大面積達(dá)到了5.71 m2。同時，提高混凝土強(qiáng)度等級可以有效降低風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土塑性區(qū)面積，例如在擴(kuò)展深度為0.3 m處，各方案相較C20方案，水平塑性區(qū)縮減幅度分別達(dá)到17.1%、31.9%、51.7%及59.0%，表明當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C35時即具有明顯抑制效果，而再提高至C40時，抑制效果沒有進(jìn)一步明顯改變。

1.4 接觸模型計算

由上述共節(jié)點模型計算結(jié)果可知，極端荷載工況下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與內(nèi)外側(cè)混凝土間產(chǎn)生較大區(qū)域受拉損傷區(qū)，實際工程中可能表現(xiàn)為基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土脫開。因此為進(jìn)一步研究極端荷載對基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可能作用模式，以1.1節(jié)模型為基礎(chǔ)，建立風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接觸模型[9]，兩者法向基礎(chǔ)面間相互作用包括切向接觸力(摩擦應(yīng)力)和法向應(yīng)力(與接觸面垂直)，摩擦特性采用經(jīng)典莫爾-庫倫模型，法向接觸選擇“硬”接觸。

各方案混凝土最小主應(yīng)力分布云圖如圖4所示(右側(cè)為X軸正半側(cè)受壓損傷區(qū)局部放大圖)。以J20方案為例，考慮基礎(chǔ)環(huán)與混凝土脫開后，在X軸正半側(cè)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭位置混凝土出現(xiàn)受壓損傷破壞區(qū)，同時由于My彎矩作用，負(fù)半側(cè)下法蘭底部混凝土出現(xiàn)一定范圍受壓損傷區(qū)。綜合其他方案計算結(jié)果，可以認(rèn)為，混凝土強(qiáng)度提高可明顯抑制受壓損傷區(qū)擴(kuò)展情況，當(dāng)強(qiáng)度等級取C35及以上時，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部將不再出現(xiàn)受壓損傷破壞區(qū)。

圖4 極端荷載工況風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土最小主應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

另一方面，在極端載荷作用下，基礎(chǔ)環(huán)存在明顯傾覆變形，導(dǎo)致周圍混凝土存在大范圍受拉損傷區(qū)。如圖5所示為不同方案中混凝土最大主應(yīng)力分布云圖，由圖可知，混凝土強(qiáng)度等級取為C20時，X軸正半側(cè)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍及基礎(chǔ)環(huán)頂部內(nèi)外側(cè)、X軸負(fù)半側(cè)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍均出現(xiàn)大范圍受拉損傷區(qū)，尤其以X軸正半側(cè)塑性區(qū)范圍最為顯著，豎直方向幾乎延伸至墊層混凝土；提高混凝土強(qiáng)度等級可明顯改善結(jié)構(gòu)受力情況，有效縮減受拉塑性區(qū)范圍，并且當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級提高至C35及以上時，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)擴(kuò)展情況基本穩(wěn)定。

圖5 極端荷載工況風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土最大主應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

1.5 計算結(jié)果分析

共節(jié)點模型計算結(jié)果顯示，低強(qiáng)度混凝土(C20～C30)基礎(chǔ)受壓塑性區(qū)集中于X軸正半側(cè)基礎(chǔ)環(huán)外壁。基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級提高至C35及以上時，受壓塑性區(qū)消失；各計算方案中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在X軸正半?yún)^(qū)出現(xiàn)受拉塑性損傷區(qū)，并且除頂部錐形受拉塑性區(qū)外，在基礎(chǔ)環(huán)底部內(nèi)外側(cè)也存在較大面積受拉塑性區(qū)。提高混凝土強(qiáng)度等級可以有效降低風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土塑性區(qū)面積；鋼筋應(yīng)力最大值為110 MPa左右，有較大安全裕度。

接觸模型計算結(jié)果顯示，對于低強(qiáng)度混凝土(C20～C30)方案，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上下表面混凝土均出現(xiàn)較明顯的混凝土受壓破壞區(qū)?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級提高至C35及以上時，受壓破壞區(qū)消失。同時，對于各計算方案，混凝土的受拉損傷破壞區(qū)和共節(jié)點模型的規(guī)律性一致，即隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，受拉損傷破壞區(qū)逐漸減小，尤其是當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高至C35及以上時，受拉損傷區(qū)的范圍明顯減小。

考慮到混凝土與基礎(chǔ)環(huán)間的受力狀態(tài)應(yīng)介于共節(jié)點和接觸模型之間，綜合兩種模型計算結(jié)果進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級在C35及以上時，可以有效避免受壓損傷區(qū)的出現(xiàn)，但不能從根本上消除受拉損傷區(qū)?？紤]到鋼筋是主要受拉承載體且其整體應(yīng)力水平不高，因此結(jié)構(gòu)的安全程度較好。

2 結(jié) 語

本文結(jié)合實際工程案例，通過對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，分析不同強(qiáng)度等級風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土在極端荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，得出低強(qiáng)度混凝土風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)將產(chǎn)生局部受壓破壞和受拉破壞的不良后果，并提出了可能產(chǎn)生破壞的區(qū)域，可供風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固設(shè)計進(jìn)行參考。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是關(guān)系到風(fēng)機(jī)能否安全穩(wěn)定運行的至關(guān)重要的因素，而混凝土強(qiáng)度又是直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)能否安全運行的最重要的指標(biāo)。因此，本文認(rèn)為應(yīng)充分重視風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度缺陷問題，并及時進(jìn)行處理。