風機基礎的連接特性分析及加固

陳春華

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051)

0 前言

為獲得穩定、充足的風能，需要通過塔筒將風力發電機組(以下簡稱風機)支撐在高度為50～100 m 的高空。塔筒與基礎連接的方式一般是在基礎中預埋基礎環，然后采用法蘭進行連接。風機基礎屬于鋼—混凝土組合結構，在不同方向風荷載的往復作用下，其受力特性十分復雜，尤其是基礎環與鋼筋混凝土基礎之間的細部連接，更為復雜。目前風機基礎雖然有專門的設計規范，但并未涉及基礎環連接細部的設計方法［1］，以下討論某工程，由于連接部位的質量問題，使基礎環產生了過大的位移，進行加固處理的方法。

1 工程概況

某風電場位于云南西部山區，海拔在2 300 m～2 800 m 之間，場區面積約18.0 km2，共安裝26 臺單機容量為1.5 MW 的風機。風機輪轂高度為65 m，塔架為鋼塔筒。地基持力層為強風化和中風化灰巖，地基承載力特征值為300 kPa?；A采用擴展式鋼筋混凝土基礎，混凝土強度等級C35，鋼筋強度等級HRB400。基礎斷面見圖1。

圖1 風機基礎斷面圖

3 臺風機基礎環與混凝土臺柱之間產生了不同程度的相對位移，臺柱頂面基礎環附近混凝土出現裂紋、松動和破裂現象。為尋求安全的加固方案，對基礎環的錨固機理及受力特性進行了以下研究。

2 基礎環與混凝土連接特性

2.1 基礎環的錨固機理

在目前的風機基礎結構設計中，基本都在基礎環底部設端板、在環壁開孔中架設穿孔鋼筋等剪力構件，同時在臺柱周圍設置環向箍筋提高混凝土對鋼環的約束作用，從而加強鋼環在混凝土中的錨固作用，見圖1。

在風機基礎中，混凝土對鋼環的錨固作用，由以下幾部分組成:混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產生的吸附力或者化學粘結力，其抗剪強度取決于水泥的性能和型鋼表面的粗糙程度;周圍混凝土對型鋼的摩阻力，它取決于混凝土發生收縮或者在荷載作用下對鋼環產生的法向壓應力，以及二者之間的摩擦系數等;型鋼表面粗糙不平與混凝土之間的機械咬合作用以及端板的抗剪力。

考慮相對錨固長度la/r 與混凝土強度ft，粘結強度可由公式(1)表達［5］:

在混凝土性能相同的條件下，要提高粘結強度，需要增加基礎環的埋置深度或者在鋼板表面采取加強措施，如設置抗剪連接件。

研究表明［3－4］，鋼環與混凝土之間的粘結滑移主要分為三個特征階段:無滑移階段、上升階段和下降階段。在無滑移階段，由受力端區域的化學粘結力抵抗外荷載，當交界面上的化學粘結力被剪斷，形成內裂縫，即出現相對滑移，進入上升階段。上升階段前期，受力端附近區域存在相對滑移，此處粘結應力主要是摩擦阻力，其余未產生相對滑移的區域主要是化學粘結力。隨著荷載的增加，基礎環與混凝土之間的化學粘結力逐漸減弱，滑移逐步向鋼環錨固端發展，此時受力端交界面上混凝土的開裂促進了粘結滑移的發展，當達到峰值應力時，進入下降段，荷載達到粘結破壞的極限荷載，相對滑動進一步滲透，化學粘結力徹底喪失，承載能力突然下降，滑移速度加快，最后發生粘結錨固破壞。

除了粘結強度外，端板也可以有效約束混凝土與鋼環之間的相對滑移。端板與混凝土之間的受拔承載力主要取決于混凝土的局部抗壓強度。端板處局部受壓承載力可參照《混凝土結構設計規范》(GB50010－2010)計算，見公式(2)［5－6］:

式中各參數意義詳見規范6.6.1 條。

2.2 基礎環附近鋼筋混凝土受力

對某1.5 MW 風機基礎進行了三維非線性有限元分析，并考慮了基礎環與混凝土之間的接觸［2］。分析結果顯示，上風側基礎環端板下方存在局部拉應力區，最大值為7.66 MPa，但范圍較小;在下風側基礎環附近均為壓應力，其中端板下方壓應力值較大，最大值達到－6.43 MPa。

正常使用工況下基礎環的接觸狀態(nearcontact 表示具有相互分離的趨勢，sliding 表示具有滑移的趨勢，sticking 表示處于粘著狀態)。分析表明，上風向一側基礎環與外部混凝土脫開，上部最大脫開距離為0.02 mm，從上至下逐漸減小;基礎鋼環上部與內部混凝土脫開，最大脫開距離為0.01 mm，從上至下脫開距離逐漸減小。下風向一側基礎環下部與外側混凝土出現大面積的滑移現象。

通過鋼筋應力分析得出豎向鋼筋應力的分布情況為:在上風向一側與基礎環底同一標高處(圖1 中B、D 點)拉應力最大，達到85 MPa;其次是臺柱與底板交界處(圖1 中A 點)，為48 MPa;再次為臺柱頂面(圖1 中E、C 點)，為35 MPa，其余位置鋼筋應力較小。

3 風機基礎的加固措施

3.1 基礎異常原因分析

現場調查發現，出現異常的基礎混凝土多處呈蜂窩狀，骨料之間孔隙較多，為施工過程中混凝土振搗不密實所致。經鉆芯取樣檢測，混凝土強度等級僅為C20～C25，未達到設計要求。從基礎環的錨固機理和受力特性分析，在質量達標的前提下，基礎環的錨固深度是足夠的。出問題的原因在于混凝土強度和密實度未達到要求，基礎環與基礎之間的化學粘結力較弱而被剪斷，同時接觸面上摩阻力和咬合力也較小，不足以抵抗風荷載作用下產生的剪力。這樣，多余的剪力就要由基礎環的端板來承擔，在其附近的混凝土中產生很大的壓應力，使局部混凝土受壓破壞。此外，由于基礎環的遮擋，其下的混凝土質量更難以保證，甚至可能存在空洞。在風荷載的反復作用下，沿接觸面的裂縫繼續發展，摩阻力進一步降低，端板附近的混凝土破壞范圍逐漸擴大，基礎環的位移也就不斷加大。

除臺柱頂面基礎環附近混凝土出現裂縫和剝離現象外，其他部位未發現貫穿性裂縫，在鋼筋應力較大的基礎環底部位置和臺柱與底板交界處也未產生裂縫開展的情況，由此判斷，基礎其他部位尚未遭到破壞，只對基礎環周圍進行加固處理。

3.2 基礎加固措施

用高強度灌漿材料充填基礎環周圍的裂縫，提高混凝土的強度和粘結能力。灌漿材料選用高強環氧樹脂，要求其固化后達到以下要求:

1)抗壓強度不低于35 MPa，抗拉強度不低于5 MPa;

2)樹脂能與基礎環和混凝土有效粘接;

3)具有一定的彈性和適應變形的能力，在擠壓作用下不發生脆性破壞;

4)固化時間不宜太長。

樹脂的添加物除固化劑、稀釋劑外，還需添加改性劑和填料。漿液灌注前先確定配方比例，然后根據配方做小樣實驗，配方達到設計要求后再進行施工。

基礎加固的施工工序為:施工準備→布孔、鉆孔→清孔→安裝灌漿塞、連接灌漿泵→灌漿→封面、整平。

灌漿完成后對基礎外露表面用環氧砂漿封閉，并粘貼碳纖維布保護。

經過以上處理后，風機重新投入運行已有將近1 年時間，現場反映運行狀況良好，沒有出現再次開裂的情況。

4 結束語

風機基礎環與混凝土的連接是基礎設計的重點和難點，本文討論了基礎環的錨固機理和受力特性。由于基礎環附近受力十分復雜，對于缺乏經驗的新型基礎，建議采用有限元法進行分析設計。本文提出采用化學灌漿法對病害風機基礎進行加固，取得較好的效果。

［1］風電機組地基基礎設計規定(試行)(FD003－2007)［S］.北京:水利水電規劃設計總院，2007;32－38.

［2］張迪.風力發電機組基礎三維非線性有限元分析［D］.華北水利水電學院，2011:15－25.

［3］劉燦，何益斌.勁性混凝土粘結性能的試驗研究［J］.湖南大學學報，2002;29 (3):169－173.

［4］楊勇，趙鴻鐵，薛建陽，等.型鋼混凝土粘結—滑移本構關系理論分析［J］.工業建筑，2002，32 (3):60－63.

［5］孔德偉.風機基礎鋼環與混凝土錨固機理分析與試驗［D］.湖南科技大學，2012:12－15.

［6］混凝土結構設計規范(GB50010－2010) ［S］.北京:建筑工業出版社，2010:77－80.