風機組基礎環對基礎影響的設計分析

平功揚，王 敏

(中國電力建設工程咨詢公司，北京 100120)

風機組基礎環對基礎影響的設計分析

平功揚，王 敏

(中國電力建設工程咨詢公司，北京 100120)

塔筒的荷載通過預埋在基礎內的基礎環傳遞給基礎，基礎環和基礎是相互作用的，在設計中考慮基礎環對基礎的影響分析是必要的。本篇以某風電場風機組基礎設計分析為例通過對基礎環和基礎的接觸作用模型等進行非線性分析研究該問題。

荷載；基礎環；基礎；接觸模型。

目前，風機組基礎的計算按照《風電機組地基基礎設計規定》(試行)FD003-2007第5.0.9款的要求，“應對制造商提出的基礎環與基礎的連接設計進行復核”。意即基礎環埋入基礎內的深度和其它構造應能滿足制造商對其承載力及變形等的要求。風機組制造商一般會提出基礎環埋入基礎內的深度和基礎混凝土強度等級的要求，而對于基礎環的承載力和變形一般不提出明確要求。在保證基礎環埋入基礎內深度滿足制造商要求的同時，基礎環的承載力是否能滿足要求，基礎環和基礎是如何相互作用的、如何對基礎進行設計分析、如何保證和改善基礎環與基礎的連接強度、剛度等則需作更進一步的詳細分析。

1 工程實例

某風電場特許權項目，其風機廠家按三種極限狀態提出風機基礎設計荷載，即承載能力極限狀態(ULS)、疲勞極限狀態(FLS)和正常使用極限狀態(SLS)，分別見表1、表2、表3。

廠家同時給出了基礎設計參考圖。應業主要求我們對風機組基礎重新進行設計，基礎環埋入基礎內的深度經協商后仍按廠家要求。基礎底面、頂面的配筋按照規范的要求和給定的

表1 承載能力極限狀態荷載

表2 疲勞極限狀態荷載

表3 正常使用極限狀態荷載

公式進行了設計計算。基礎環埋入基礎內的部分應力分布和變形是否滿足要求，基礎環與基礎連接部位基礎內的配筋如何進行設計計算則采用了ANSYS接觸單元非線性分析的結果。

2 ANSYS模型介紹

基礎采用底部直徑15.6m、高3.3m的圓臺，帶基礎短柱，基礎剖面見圖1。

圖1 風機基礎剖面圖

基礎ANSYS模型的網格劃分見圖2。

圖2 風機基礎模型網格圖

基礎單元為SOLID65,鋼筋混凝土采用整體式模型，通過參數設計調整基礎內的鋼筋分布情況。混凝土材料的本構關系采用MISO模型，鋼筋采用BISO模型，均人工輸入本構關系。基礎環采用SHELL63模型，接觸單元采用CONTA170和CONTA174模型。

在模型對比分析中還采用了質量單元MASS21，定義基礎環頂面剛域施加節點荷載。

3 ANSYS模型分析

基礎模型分析主要從三個方面的參數調整來觀察接觸面應力的大小、變化和集中情況，并由此判斷設計應當改進的方向，從而調整設計構造。設計可調整的也就是這兩個方面，如果風機組生產廠家能夠提供更詳細的塔筒根部荷載狀態、變形情況等，讓模型更接近實際情況，那么結論就更接近實際受力狀態。

在基礎環和基礎的接觸受力模型中，荷載直接加在基礎環頂面，基礎環露出基礎部分將荷載從基礎頂面開始，以擴散狀態將力傳遞給基礎，基礎環同時亦承擔部分荷載，各自分擔的荷載比例(基礎接觸單元的應力)與定義的混凝土材料的BISO和MISO本構關系成一定正比。也就是說與混凝土的彈性模量和其配置的鋼筋體積率有一定正比關系。

模型分析中用于調整接觸單元應力的大小和應力集中現象的參數有混凝土的彈性模量、混凝土與基礎環接觸面的摩擦系數和基礎內的鋼筋配置情況。

通過單參數的調整分析發現，隨著混凝土材料等級的提高(彈性模量亦隨之提高)，基礎接觸單元應力集中現象有明顯改善，接觸單元的應力有下降趨勢。通過對從C20到C50七個強度等級的混凝土基礎模型的接觸單元應力分析，混凝土強度等級在C30～C40間的分析結果比較理想。

圖3 混凝土彈性模量和接觸單元應力對應分析結果

摩擦系數的調整在0.3～0.6之間，因為摩擦系數的調整沒有太多的理論依據，通過對摩擦系數0.8的模型分析發現，隨著摩擦系數的增大，接觸單元應力擴散作用明顯，據此(當然這么做是沒有依據的)可以將其廣義理解的為基礎環與基礎的錨固作用力。也就是說，基礎環在基礎內的錨固可采取多種加強模式。同時也是對基礎環自身剛度的加強，而基礎環剛度的增加能夠減小了基礎環在接觸分析中與基礎脫離的變形，增加了接觸面積，使受力傳力得到提高。

而基礎內的鋼筋配置對接觸單元的應力影響則相對較顯著。通過調整兩水平方向和豎直方向鋼筋的配筋率，或調整基礎內的體積配筋率來觀察接觸單元的應力發現，隨著配筋率的提高，接觸單元的應力集中現象有明顯改善，基礎環的變形亦有改善。當然基礎內的配筋還要同時兼顧經濟和施工可行性，模型的基礎配筋率兩個水平方向的體積配筋率按0.012～0.022，豎直方向的體積配筋率按0.008～0.012。

4 工程實例模型計算結果

本算例中，基礎環與基礎的摩擦系數仍取0.4，兩個水平方向的體積配筋率分別為0.018，豎直方向的體積配筋率為0.010。計算結果示意見圖4。

圖4 壓力云線圖

圖5 單元X向組合壓力圖

圖6 接觸應力圖

5 結論

基礎環的剛度、抗彎、抗剪等性能與基礎相比要小很多，因此應盡可能多并盡可能早地把基礎環的荷載傳遞到基礎中去，充分利用基礎各項性能的潛能，同時也會更有利于基礎環的錨固。

從模型分析比較可以得出以下三個方面的結論：

⑴ 改善基礎環與基礎的連接，可以有效提高基礎環與基礎的錨固，改善基礎應力集中現象。比如采取在基礎環上焊接拴釘等方式加強基礎環在基礎內的錨固。還有比如在基礎環上加焊環向和豎向加勁肋等。

⑵ 把基礎內的水平鋼筋體積配筋率控制在一定范圍，做到既經濟，又能達到改善基礎受力的水平。由于受模型數量和實際工程差異的影響，在此不能給出推薦值。

⑶ 在條件允許的情況下，設計考慮采用C30～40的混凝土較有利。

限于計算模型、基礎數據、實測數據等諸多方面的原因，本文給出的結論也僅僅是希望能拋磚引玉，按照結構設計要求給出一個計算方法或者計算公式才是我們的一個終極目標。

[1]FD 003-2007，風電機組地基基礎設計規定(試行)[S].

[2]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

Design Analysis of the Effects of Foundation's Circle on Foundation in Wind Generate Electrictity Units

PING Gong-yang, WANG Min
(China Power Construction Engineering Consulting Corporation, Beijing 100120, China)

The base ring embedded in the basement passes the loads from the wind turbine tower and work with the basement, but how they interact on each other and work together, and it’s necessary to calculate the effects that the base ring acts on the basement. Study will be carried out through contacting models of the base ring and the basement by non-linear analysis in this paper.

loads; base ring; basement; contacting model.

TM614

B

1671-9913(2010)02-0073-04

2010-01-29

平功揚(1972-)，男，工程師，從事電力土建設計工作。