FLAC3D用于重力式風電機組基礎加固前分析

吳勇，李紅有，劉金全

（龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司，北京 100034）

FLAC3D用于重力式風電機組基礎加固前分析

吳勇，李紅有，劉金全

（龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司，北京 100034）

某臺風電機組運行數年后預埋鋼環與基礎混凝土脫開，為分析基礎內部應力狀態并為基礎加固提供意見，采用FLAC3D三維有限差分軟件，建立考慮混凝土基礎、預埋式基礎環、土體共同作用的整體模型。計算結果表明，基礎環與基礎臺柱（以下簡稱“臺柱”）頂面接觸處、臺柱與底板交界處、基礎環底法蘭下延長線與底板底面交界處應力較大；加固階段若增大臺柱半徑，臺柱與底板交界處應力將減小，但基礎底板由基礎環沖切引起的拉應力未減小；臺柱半徑大小不是基礎環與基礎脫開的決定因素。

風電機組基礎；基礎加固；三維快速拉格朗日方法(FLAC3D)

0 引言

重力式基礎是最常見的陸上風電機組基礎型式，上部風電機組塔筒與鋼筋混凝土基礎之間大多通過預制鋼制基礎環連接?，F行風電機組基礎設計規范中并沒有考慮基礎環脫開、沖切、局部受壓作用而對基礎的構造、配筋做詳細規定，需要設計者對此做專門研究[1]。越來越多的研究人員采用數值分析的方法研究這一問題，對基礎設計提出了一些建議。

某風電場一臺風電機組運行數年后，基礎環與風電機組基礎之間產生一道約10mm的縫隙并伴隨風電機組轉動“一張一合”，見圖1。風電機組基礎混凝土等級C30，基礎底板半徑5.5m，底板厚1.1m，臺柱半徑2.11m，臺柱高0.9m，見圖2。基礎環內外表面均勻分布共300根長15cm的Φ20光圓錨釘，底板上部位置有60根 25徑向穿孔鋼筋。

圖1 接觸面開裂

圖2 風電機組基礎尺寸

1 FLAC3D的主要特點

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美國Itasca公司研發推出的連續介質力學分析軟件，是該公司旗下最知名的軟件之一[2]。作為有限差分軟件，相對其它有限元軟件，在算法上，FLAC3D是一個利用顯式有限差分方法對巖土工程進行分析和設計的三維連續介質程序。FLAC3D求解中使用顯式差分方法，不形成剛度矩陣，可節約計算機存儲空間，減少運算機時，提高求解速度，便于在計算機上實現非線性大變形問題的求解。

2 計算模型及參數

采用FLAC3D三維有限差分軟件，建立考慮鋼筋混凝土基礎、基礎環、土體共同作用的整體模型。基礎與下臥土體、基礎與基礎環之間采取接觸面單元作用，基礎與土體之間接觸面允許脫開；基底土體為較完整風化巖，且不是應力分析主體，為加速收斂，不考慮塑性變形。基于對稱性，取整體模型一半分析，計算模型見圖3。模型三維尺寸為20m×10m×10m，模型的邊界條件為：在對稱面上施加對稱邊界條件，豎向邊界約束水平方向位移，底面約束三個方向的位移，上表面邊界自由。

單元網格采用不均勻網格，基礎環及基礎環附近周圍網格較密，遠處網格稀疏。鋼筋混凝土基礎采用整體式建模，本構模型參數見表1。鋼筋混凝土及基礎環的體積模量K、剪切模量G由彈性模量E、泊松比γ換算得到，E、γ參考《混凝土結構設計規范》[3]和FLAC3D手冊[2]；風化巖模型參數參考相關手冊[4]和算例。

3 基礎頂面荷載

風電機組廠家提供的上部風電機組傳至塔筒底部的正常荷載和極限荷載見表2（不包含安全系數），荷載坐標系見圖4。將豎向荷載Fz和水平面合彎矩Mres乘以1.35的安全系數[1]（假設合彎矩沿X軸正方向，見圖5），再通過積分計算折算為應力邊界條件施加在基礎環上法蘭頂面。

4 計算結果

計算了正常荷載和極端荷載兩種工況，基礎最大主應力、最小主應力云圖見圖6－圖9。令X軸正方向為右側。在左側基礎環與臺柱頂面接觸處、左側臺柱與底板交界處、右側基礎環底法蘭下延長線與底板底面交界處有較大拉應力；在右側基礎環與臺柱頂面接觸處、右側臺柱與底板交界處有較大壓應力。為便于闡述，將上述拉、壓應力較大區域編為1－5號，見圖10。1處即為基礎環與混凝土基礎脫開處，分析基礎環脫開原因，即在超載情況下此處拉應力超過錨釘錨固力。通過核算2－5處配筋，滿足應力要求。

表1 本構模型參數

圖3 整體有限差分模型

表2 正常荷載和極限荷載

圖4 載荷坐標系

圖5 基礎頂面合彎矩示意

圖6 正常荷載工況最大主應力δmax=3.076MPa

圖7 正常荷載工況最小主應力δmin=4.97MPa

下一步采取基礎臺柱加固措施，擬鑿除基礎環外圍臺柱后，在底板上植筋，重新澆筑外圍臺柱混凝土，新的臺柱半徑擬采用2.61m。為研究新基礎應力分布情況，重新建模分析，正常荷載和極端荷載兩種工況下，基礎最大主應力、最小主應力云圖見圖11－圖14。

圖8 極端荷載工況最大主應力δmax=8.195MPa

圖9 極端荷載工況最小主應力δmin=16.104MPa

圖10 基礎主要拉、壓應力區

5 結語

圖11 正常荷載工況最大主應力δmax=3.25MPa

圖12 正常荷載工況最小主應力δmin=4.17MPa

圖13 極端荷載工況最大主應力δmax=9.65MPa

圖14 極端荷載工況最小主應力δmin=11.34MPa

與原基礎應力云圖對比可知，在正常荷載和極端荷載工況下，2、5區域拉、壓應力顯著減小，3處拉應力基本不變，1、4處拉、壓應力反而增大?？梢娕_柱半徑增大并不能減小基礎底板拉應力，僅對臺柱與底板交界處應力有顯著改善?；A環內外表面分布的300根光圓錨釘相當于現在陸上大功率風機基礎的基礎環的“穿孔鋼筋”，起到錨固作用。因此筆者建議用帶肋鋼筋代替光圓錨釘，鋼筋型號和錨固長度參考土釘墻計算公式，鋼筋與混凝土粘結力可由現場試驗確定；臺柱半徑滿足鋼筋錨固長度即可[5]。

由上文分析可以得出以下結論：

（1）基礎環與臺柱頂面接觸處、左側臺柱與底板交界處、右側基礎環底法蘭下延長線與底板底面交界處有較大拉應力，是風電機組基礎設計時需要特別注意的地方；

（2）基礎環與混凝土基礎脫開原因為超載情況下，局部應力超過了基礎環與臺柱頂面接觸處的錨固力；

（3）增大臺柱半徑，臺柱與底板兩側交界處應力減?。挥苫A底板底面的拉應力未減??；臺柱半徑滿足鋼筋錨固長度即可，不是基礎環與基礎脫開的決定因素。

[1]水電水利規劃設計總院. 風電機組地基基礎設計規定（試行） FD 003-2007 [S].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2]陳育民,徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]中國建筑科學研究院.GB50010-2010混凝土結構設計規范[M].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[4] 常士驃,張蘇民.工程地質手冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[5]王學文,等. 對單墩P&H無張力新型風電機組基礎的對比研究[J].風能, 2012(1):70-72.

Analysis of Gravity Type Wind Turbine Foundation Based on FLAC3Dbefore Foundation Reinforcement

Wu Yong, Li Hongyou, Liu Jinquan
(Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering & Consulting Co., Ltd., Beijing 100034, China)

A wind turbine separated from the concrete foundation ather running for several years. In order to analyze the state of stress and give advice to foundation reinforcement, analysis of 3 Dimensions (FLAC3D) was applied to create the model consist of reinforced concrete, embedded steel ring and soil. The calculation results illustrated that the stress of the following regions are relatively large:the contact boundary of steel ring and top surface of the foundation pillar, the contact boundary of the foundation pillar and plate,the junction of the extension line of the bothom fl ange of the steel ring and the foundation plate. Increasing the pillar radius caused the decrease of stress of the contact boundary of the foundation pillar and plate, while the tensile stress of foundation plate caused by the steel punching was not decreased. The size of pillar radius is not the determinant of base ring and base o ff.

wind turbine foundation; foundation reinforcement; FLAC3D

TM614

A

1674-9219(2013)11-0108-05

2013-09-12。

吳勇（1987-），男，江蘇贛榆人，碩士，主要從事巖土工程及風電機組基礎設計、研究工作。