基礎(chǔ)不均勻沉降對插環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力性能的影響研究

摘 要：【目的】研究基礎(chǔ)不均勻沉降對插環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力性能的影響?！痉椒ā恳院夏筹L(fēng)場2.0 MW插環(huán)式風(fēng)機(jī)為例，建立Abaqus模型，在塔頂施加正常運(yùn)行工況、極端運(yùn)行工況及疲勞工況荷載，設(shè)定基礎(chǔ)傾斜度值，分析基礎(chǔ)受力特性與應(yīng)力分布情況?！窘Y(jié)果】在正常運(yùn)行及疲勞工況荷載作用下，基礎(chǔ)不均勻沉降對基礎(chǔ)受力性能影響較小，在極端運(yùn)行工況荷載作用下，基礎(chǔ)不均勻沉降使基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力分布呈沿環(huán)向發(fā)展規(guī)律，對基礎(chǔ)受力性能影響顯著?！窘Y(jié)論】基礎(chǔ)不均勻沉降使風(fēng)電機(jī)組塔頂側(cè)移及傾覆彎矩顯著增大，對基礎(chǔ)混凝土受力性能產(chǎn)生不利影響，尤其是在極端運(yùn)行工況下。因此應(yīng)進(jìn)行定期巡檢，確?；A(chǔ)沉降不超規(guī)范限值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；不均勻沉降；有限元模擬；應(yīng)力分布

中圖分類號：TU476；TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.013

Study on the Impact of Uneven Settlement on the Load-Bearing

Performance of Wind Turbine Foundations with Embedded Ring

GUO Di LI Pengfei LI Jianping

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the impact of uneven settlement on the load-bearing performance of wind turbine foundations with embedded ring. [Methods] Taking a 2.0 MW turbine with embedded ring in a wind farm in Hunan as an example， the Abaqus model was established. The normal operation condition， extreme operation condition and fatigue condition load were applied on the top of the tower. The inclination value of the foundation was set， and the stress characteristics and distribution of the foundation were analyzed. [Findings] Under normal and fatigue conditions， uneven settlement minimally affects foundation performance. However， under extreme conditions， the uneven settlement of the foundation makes the stress distribution of the foundation concrete develop along the circumferential direction， which has a significant influence on the mechanical performance of the foundation. [Conclusions] Uneven settlement increases lateral displacement and overturning moments at the wind turbine tower top， detrimentally affecting concrete's structural capacity， especially in extreme conditions. Regular inspections are vital to ensure settlement remains within acceptable limits.

Keywords： wind turbine foundation; uneven settlement; finite element simulation; stress distribution.

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)塔頂結(jié)構(gòu)會發(fā)生側(cè)移，并形成附加偏心力矩，使基礎(chǔ)有發(fā)生損傷甚至加劇損傷的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T 51121—2015）［1］的有關(guān)規(guī)定，從風(fēng)機(jī)建設(shè)開始到地基沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)之前，都需要對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測或定期檢測?！讹L(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）［2］規(guī)定在完成風(fēng)機(jī)插環(huán)吊裝程序后，應(yīng)用專業(yè)水平儀進(jìn)行插環(huán)上表面平整度檢驗(yàn)。為保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行，規(guī)范要求觀測所得插環(huán)上法蘭水平度不得大于3 mm。對于基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降的情況，按《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10311—2019）［3］規(guī)定的公式[tanθ=s1?s2bs]計(jì)算所得傾斜度，分別為風(fēng)機(jī)輪轂高度H>120 m時(shí)傾斜度限值為3‰、風(fēng)機(jī)輪轂高度90 m<H≤120 m時(shí)傾斜度限值為4‰、風(fēng)機(jī)輪轂高度70 m<H≤90 m時(shí)傾斜度限值為5‰、風(fēng)機(jī)輪轂高度H≤70 m時(shí)傾斜度限值為6‰，隨塔筒高度的增加，傾斜度與沉降規(guī)定值變小。在實(shí)際工程中，為保證風(fēng)機(jī)沉降值及傾斜度不超規(guī)范限值，風(fēng)電場應(yīng)每年組織人員進(jìn)行巡檢，但檢測結(jié)果存在虛測、漏測，從而危害風(fēng)機(jī)安全，給風(fēng)場造成不必要的損失。

目前，國內(nèi)外對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降相關(guān)研究較為欠缺。邢占清等［4］在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，由于地層不均勻、設(shè)計(jì)方案不合理、施工工藝不當(dāng)?shù)仍?，都會造成建筑物產(chǎn)生不均勻沉降或沉降過大。徐亞洲等［5］發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)傾斜的缺陷對塔頂峰值位移在一定程度上有放大作用，使得風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠度下降，進(jìn)而危害風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全。現(xiàn)有針對基礎(chǔ)受力性能分析的研究考慮更多的是基礎(chǔ)擴(kuò)容加固、大容量風(fēng)機(jī)、土體-結(jié)構(gòu)相互作用等在特定工況下對基礎(chǔ)受力特性的分析，目前尚未涉及基礎(chǔ)不均勻沉降對基礎(chǔ)受力性能的影響研究。

本研究基于湖南某風(fēng)場2.0 MW風(fēng)機(jī)建立整體有限元模型，對基礎(chǔ)設(shè)定不同傾斜度值，以分析基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降的情況。根據(jù)相關(guān)的荷載報(bào)告資料，分別考慮3種荷載工況（正常運(yùn)行工況、極端運(yùn)行工況、疲勞工況）進(jìn)行有限元分析，研究基礎(chǔ)在各荷載工況下基礎(chǔ)不均勻沉降對基礎(chǔ)受力性能的影響。

1 工程概況與有限元風(fēng)機(jī)模型

1.1 工程概況

湖南郴州某風(fēng)場的2.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組，地處丘陵，海拔900～1 500 m，年平均風(fēng)速7.5 m/s。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命20 a，機(jī)艙和發(fā)電機(jī)總重量84.4 t，輪轂高度80 m，切入風(fēng)速3.0 m/s，額定風(fēng)速10.5 m/s，切出風(fēng)速25.0 m/s。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式為圓形臺柱重力拓展基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)等級為乙級臺柱式重力拓展基礎(chǔ)，安全等級為二級，具體參數(shù)如圖1所示。

1.2 荷載工況及模型材料參數(shù)

本研究將葉輪、輪轂、機(jī)艙等塔筒上部結(jié)構(gòu)等效為施加在有限元模型塔頂?shù)囊粋€(gè)質(zhì)量塊，選用剛性耦合將該質(zhì)量塊耦合于塔頂約束點(diǎn)。將塔頂上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向重力荷載Fy、水平荷載Fx施加到該約束點(diǎn)上。對風(fēng)機(jī)模型整體自重施加重力荷載。根據(jù)風(fēng)場提供的荷載報(bào)告，具體荷載工況見表1。

該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)類型屬于插環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)插環(huán)作為連接件連接上部塔筒及混凝土基礎(chǔ)部件。該基礎(chǔ)主體為圓形拓展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級選用C40，墊層選用C15混凝土，基礎(chǔ)插環(huán)鋼材強(qiáng)度等級選用Q345，基礎(chǔ)部分鋼筋籠采用HRB400鋼筋。各材料具體參數(shù)見表2。

1.3 Abaqus有限元模型

根據(jù)該風(fēng)場提供的資料，基于Abaqus有限元分析軟件建立塔筒-基礎(chǔ)耦合模型。將塔頂上部結(jié)構(gòu)（葉輪、機(jī)艙、輪轂）等效為一個(gè)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊與塔筒、各級塔筒之間及塔筒與基礎(chǔ)插環(huán)之間均采用綁定約束連接，基礎(chǔ)插環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間接觸關(guān)系為摩擦接觸（摩擦因數(shù)為0.35），鋼筋籠與基礎(chǔ)整體采用內(nèi)置區(qū)域連接。塔筒、基礎(chǔ)混凝土、基礎(chǔ)插環(huán)均采用C3D8R單元，鋼筋籠采用T3D2單元。

塔筒、基礎(chǔ)插環(huán)及鋼筋籠均屬于鋼材，可通過鋼材對應(yīng)的材料屈服應(yīng)力定義塑性。對于基礎(chǔ)部分C40混凝土選用對應(yīng)的混凝土損傷模型，底部C15混凝土墊層選用相應(yīng)的彈性本構(gòu)模型。

基礎(chǔ)傾斜示意如圖2所示。風(fēng)機(jī)傾斜度一般包括基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的傾斜δ1、基礎(chǔ)環(huán)安裝誤差導(dǎo)致的傾斜δ2、風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中基礎(chǔ)內(nèi)部損傷導(dǎo)致的傾斜δ3。本研究僅考慮基礎(chǔ)不均勻沉降所引起的傾斜度。δ1分別取值為 0‰、1‰、3‰、5‰、7‰、10‰，基于建立的有限元模型，分別施加正常運(yùn)行工況、極端運(yùn)行工況及疲勞工況下的荷載（豎向重力荷載為Fy、水平荷載Fx、合力矩Mz）至塔頂耦合約束點(diǎn)上。

2 有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 塔頂側(cè)移及附加彎矩

塔頂側(cè)移隨傾斜度的變化如圖3所示，傾覆彎矩如圖4所示。分析可知，在3種不同荷載工況作用下，風(fēng)機(jī)塔頂側(cè)移及傾覆彎矩都會隨基礎(chǔ)傾斜度的增加呈不斷上升趨勢，極端工況下影響最大。在傾斜度10‰時(shí)塔頂側(cè)移可達(dá)2.243 m，增加0.844 m，傾覆彎矩達(dá)7.42×104 kN·m，增加2 240 kN·m。基礎(chǔ)不均勻沉降對風(fēng)機(jī)側(cè)移及傾覆彎矩的影響較大。

2.2 基礎(chǔ)插環(huán)受力性能分析

各工況下基礎(chǔ)插環(huán)Mises應(yīng)力如圖5所示。由圖5可知，在3種荷載工況作用下，隨著基礎(chǔ)傾斜度的增大，基礎(chǔ)插環(huán)Mises應(yīng)力不斷增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在插環(huán)背風(fēng)側(cè)上法蘭。這種趨勢在極端運(yùn)行工況下更為明顯。極端運(yùn)行工況下傾斜度插環(huán)應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知，隨著基礎(chǔ)傾斜度的不斷增大，插環(huán)應(yīng)力區(qū)域分布未發(fā)生明顯變化。

2.3 基礎(chǔ)混凝土受力性能分析

各工況下基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力變化的情況如圖7所示。由圖7可知，基礎(chǔ)混凝土最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別位于背風(fēng)側(cè)下法蘭底部區(qū)域及迎風(fēng)側(cè)下法蘭內(nèi)側(cè)區(qū)域，在正常運(yùn)行及疲勞工況下發(fā)展趨勢較為接近，都隨基礎(chǔ)傾斜度的增大呈上升趨勢，應(yīng)力分布區(qū)域未發(fā)生明顯變化。在極端運(yùn)行工況下，混凝土最大拉應(yīng)力隨基礎(chǔ)傾斜度的增大呈逐漸下降趨勢，最大壓應(yīng)力呈上升趨勢，此時(shí)混凝土的應(yīng)力分布區(qū)域發(fā)生變化。極端運(yùn)行工況下基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力如圖8所示。由圖8可知，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)下法蘭底部區(qū)域，隨著基礎(chǔ)傾斜度的增大沿環(huán)向向內(nèi)發(fā)展，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)下法蘭內(nèi)側(cè)區(qū)域，隨著基礎(chǔ)傾斜度的增大沿環(huán)向向外發(fā)展。

3 結(jié)論

本研究利用Abaqus有限元模型仿真模擬，分析了湖南某風(fēng)場2.0 MW陸上風(fēng)機(jī)在3種荷載工況作用下，基礎(chǔ)不均勻沉降對基礎(chǔ)受力性能影響，具體結(jié)論如下。

①基礎(chǔ)不均勻沉降對塔頂側(cè)移及基礎(chǔ)傾覆彎矩的影響顯著；在3種不同運(yùn)行工況荷載作用下，插環(huán)Mises應(yīng)力隨傾斜度的增大而增大。

②在正常運(yùn)行及疲勞工況荷載作用下，基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力隨著基礎(chǔ)傾斜度的增大，呈現(xiàn)上升趨勢，應(yīng)力分布區(qū)域未發(fā)生明顯變化；在極端運(yùn)行工況荷載下，基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力分布區(qū)域呈現(xiàn)沿環(huán)向發(fā)展的規(guī)律，基礎(chǔ)不均勻沉降對基礎(chǔ)混凝土的受力性能影響較大，應(yīng)確?；A(chǔ)沉降相關(guān)指標(biāo)不超規(guī)范限值。

參考文獻(xiàn)：

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