預應力風機基礎與風機機組塔架連接分析

丁同光 李 武

(1.大唐新疆發電有限公司風電項目籌建處，新疆 烏魯木齊 830011; 2.北京中水恒信環境科技發展有限公司，北京 100076)

0 引言

目前風機塔架底部同風機基礎連接段的連接方式有L法蘭直接連接基礎環，T法蘭直接與基礎混凝土或者基礎環相連。L法蘭與基礎環連接是可行的，但其與混凝土相互連接已經被證明是存在安全隱患的。T法蘭既可以同基礎環相互連接也可以同混凝土相連接。由于T法蘭同混凝土相互連接更具有經濟優勢，也是未來風機基礎連接方案的發展方向。本文通過介紹使用泰普預應力錨桿與T形法蘭連接形式的預應力風機基礎的計算方法和有限元驗證，再次驗證了T形法蘭在預應力風機基礎上應用的優勢。

1 塔基法蘭與地基混凝土連接結構設計

1.1 荷載分析

由于基礎是一個系統，應該考慮基礎的不同部分，因此在分析受力時其荷載需考慮周全。相關基礎荷載由下列各項組成:

豎向荷載:

彎矩:

式中:γG——豎向力;

γF——水平力矩分項系數;

Fz——豎向力;

Fres——水平力;

Mres——水平力矩;

eF——從塔底座法蘭到基礎底面的距離(見圖1)。

1.2 隔離體荷載

錨件沿塔架殼體直徑圓周均勻分布，錨件上荷載的計算通過提取出一個錨件(T)的小段以及帶有塔架殼體于法蘭塔架段的隔離體來進行分析。對于T形法蘭隔離體是指包含兩個錨件的小段。

已知每段地塔架殼體內的極限荷載(每小段):

其中，Na為隔離體數目;D為法蘭平均直徑。

由于彎矩作用，塔架法蘭在迎風側受拉而在背風側受壓，所以每小段的總荷載為(此處向上為正):

迎風側:

背風側:

錨件為后張，在已知錨件與混凝土的彈簧剛度時，可計算由錨件承受的部分外荷載。

1.3 法蘭下方及錨件內的應力

1.3.1 塔架T形法蘭下受拉側的應力

計算灌漿和其正下方的混凝土內的應力時，其簡易方法將使用式(7):

其中，Aeff為受壓灌漿或混凝土的有效面積;Pa為錨件的預應力。

灌漿:

混凝土:

其中，wT為法蘭的寬度;Dt為塔架的平均直徑;Na為隔離體的數量;do為塔架法蘭螺栓孔直徑;da為錨桿的直徑;tg為法蘭下灌漿的厚度;α為應力分布角度，45°。

1.3.2 塔架T形法蘭下受壓側的應力

T形法蘭受壓側下方的灌漿及混凝土的應力計算與受拉側不同。由于外荷載的方向與錨桿力的方向相同，因此要考慮外荷載對錨桿應力的損失的影響。

其中，σPtd′為外荷載引起的法蘭下方灌漿及混凝土的應力，其計算公式為:

其中，σPa′為受壓側錨件內荷載引起的法蘭下方灌漿及混凝土的應力，其計算公式為:

2 有限元驗證

2.1 坐標系及極限荷載

為了驗證以上計算，現采用某1500風力發電機組配套T法蘭進行有限元模擬。基礎荷載的計算數據采用極限荷載工況下塔基法蘭處的荷載數據(不含放大倍數)，見表1。

表1 極限荷載工況下塔基法蘭處的荷載

坐標系采用GL規范坐標系，坐標系如圖2所示。

圖1 基礎靜荷載

圖2 荷載坐標系

2.2 法蘭及基礎尺寸數據

基礎半徑為2.5 m，高度為2.85 m的混凝土圓柱體。其各部分的尺寸數據詳見圖3。

圖3 T形法蘭與基礎連接結構尺寸數據圖

2.3 有限元驗證

極限荷載工況下T法蘭與混凝土連接的有限元分析模型如圖4所示，泰普風電專用預應力錨桿分布于法蘭內外兩圈，各60根。在法蘭與灌漿料接觸面的圓心處設置參考點RP-1，并采用Coupling方式耦合到塔筒壁上，參考點RP-1作為外荷載加載的點;而參考點RP-2位于高度為1 m的塔筒段的頂端圓心處，并與塔筒段上表面耦合，參考點RP-2用來計算塔筒在外荷載作用下的傾斜角度。

圖5顯示的是在極限荷載作用下T形法蘭與基礎連接的整體Mises應力云圖，錨桿中施加的預緊力為500 kN，圖形顯示的變形系數為1。整個模型中最大應力為374.6 MPa，產生于錨桿中。

圖4 T形法蘭與基礎連接的三維有限元模型

圖5 T形法蘭與基礎連接的Mises應力圖

圖6給出了T形法蘭與灌漿的應力云圖，從圖6中并沒有看出法蘭與灌漿之間發生明顯的脫開。而T法蘭發生脫開主要為內外圈螺栓中間的位置，因此圖7提取了法蘭以及灌漿接觸面上受拉端內外圈螺栓之間的位移曲線。從圖7中可以看出法蘭與灌漿接觸面上的位移均為負值，而且完全重合，說明法蘭與混凝土之間沒有發生脫開，滿足要求。

圖8是灌漿在極限荷載工況下的應力云圖，圖8中可以看出灌漿受到的最大應力為32.8 MPa，遠遠低于灌漿的抗壓強度80 MPa，因此灌漿的強度也滿足要求。

圖6 T形法蘭與灌漿應力云圖

圖7 T法蘭與灌漿接觸面上內外螺栓之間的位移曲線

圖8 灌漿應力云圖

除了法蘭與基礎之間的連接不能產生脫開外，塔架沿高度方向的水平位移不能超過2 mm/m，通過提取塔筒1 m處圓心位置的參考點RP-2的位移曲線圖可以得到水平位移為0.225 mm，此結果滿足要求(見圖9)。

圖9 參考點RP-2的位移曲線圖

3 結語

通過理論計算分析和有限元結果驗證，可以得出如下結論:

文中采用的T形法蘭與基礎之間連接的理論設計方案是正確的，能夠滿足極限荷載工況下的要求，并且與有限元驗證結果相符。

[1] IEC 61400-1 Ed.3.0:Wind turbines-Part 1:Design requirements，2003.

[2] EN 1992-1-1:Design of concrete structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings，2004.

[3] EN 1993-1-1:Design of steel structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings.2005.

[4] EN 1997-1-1:Geotechnical design-Part 1:General rules，2004.

[5] Petersen，C.:Stahlbau.Braunschweig:Vieweg ＆ Sohn，1998.