無收縮混凝土提高風機基礎安全性分析

王雍

摘 要：分析目前陸地風電場基礎環風機基礎結構變形和受力特征弱點以及基礎破壞機理，探討性提出了采用無收縮性混凝土解決風機基礎環與基礎混凝土之間出現間隙縫問題，提高風機運行安全性，對工程界具有借鑒意義。

關鍵詞：無收縮混凝土；基礎環；風機基礎；間隙縫

中圖分類號：TU528.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0062-02

1 前言

目前全國很多陸地風電場采用基礎環風機基礎型式，不少風電場的風機基礎在運行中已發現基礎環松動等安全性問題，主要表現為基礎環與基礎混凝土之間出現間隙縫，縫面有冒灰現象，嚴重時風機塔筒偏斜，需要采取包括停機、基礎灌漿、加固等處理措施，對工程造成經濟損失。如何提高基礎環風機基礎的運行安全性，正受到工程界關注。

2 基礎環風機基礎受力破壞機理

基礎環風機基礎主要有圓形擴展式風機基礎和肋梁式風機基礎。以圓形擴展式風機基礎為例，結構形式見圖1，混凝土基礎呈圓臺形，大功率2MW及以上風機，基礎底板直徑一般達19～20m，基礎高度達3.0～3.8m，鋼制基礎環直徑一般約4.3m，鑲嵌在混凝土內，與混凝土之間屬光面接觸，基礎環上部通過螺栓與鋼制風機塔筒連接，塔筒高度一般超過80m。

塔筒上部重量和巨大彎矩荷載通過基礎環傳遞給周圍基礎混凝土，再擴展至基礎地基。由于基礎環與基礎混凝土的材料性質差異較大，變形不連續，以及基礎環對基礎混凝土的切割作用，基礎環下端法蘭周圍存在較大的應力集中。例如，對某風電場2.2MW風機基礎進行三維有限元模擬分析，結果顯示，見圖2，在極端工況設計荷載下，迎風側下法蘭的上部和背風側下法蘭的底部均會出現較大壓應力集中，壓應力值達18.4MPa，即使對于C35強度等級的混凝土來說，在極端工況下，由于巨大的局部壓應力在基礎環下法蘭周圍往復出現，該部位混凝土容易發生破壞。

同時，如果基礎環與混凝土之間混凝土施工質量原因或其它原因出現輕微間隙縫，基礎環出現松動，風機塔筒的擺幅將會增加，傳遞給基礎環的彎矩荷載也會隨之增加，基礎環下端法蘭傳遞給周圍局部混凝土的拉應力和壓應力將大幅增加，使下法蘭周圍局部混凝土加劇發生拉裂或壓碎破壞。基礎環上端表面封閉止水破壞時，雨水沿基礎環側面間隙縫下滲，下法蘭周圍磨碎的混凝土粉塵與雨水混合物形成灰漿，沿著縫隙向上部不斷冒出，當基礎環下法蘭周圍混凝土破壞嚴重或出現較大空洞時，風機塔筒將嚴重偏斜，影響工程安全。

因此，從風機基礎破壞機理過程來看，基礎環風機基礎的結構形式存在一定的弱點：（1）基礎環下法蘭周圍局部范圍內存在較大的應力集中現象，在塔筒往復擺動過程中局部混凝土容易發生破壞；（2）基礎環與混凝土之間一旦出現間隙縫，會加劇風機基礎的破壞過程。通過分析可知，風機基礎環與混凝土之間始終保持緊密的接觸握合作用，對風機基礎運行安全性具有至關重要的作用，一方面可以使基礎環的受力較均勻擴散到基礎混凝土中，減緩基礎環下法蘭周圍混凝土的應力集中；另一方面可以防止下法蘭周圍混凝土磨碎后的粉塵向上部冒出而加劇基礎的破壞過程。

采用基礎環的肋梁式風機基礎同樣具有上述結構變形和受力方面的自身弱點。

3 基礎環與混凝土間隙縫的原因

風機基礎環與基礎混凝土之間出現微小間隙縫，除了施工過程中混凝土振搗不密實原因外，最主要原因是由于混凝土存在自身干縮變形。許多混凝土材料試驗結果表明，影響混凝土干縮變形的主要因素有：

（1）水泥用量、細度、品種。水泥用量越多，水泥石含量越多，干縮越大；水泥細度越大，混凝土用水量越多，干縮越大，高標號水泥細度往往較大，使用高標號水泥的混凝土干縮較大；使用火山灰質硅酸鹽水泥時，混凝土的干縮較大。

（2）水灰比。水灰比越大，混凝土內的毛細孔隙就越多，混凝土干縮越大。

（3）骨料的規格與質量。骨料的粒徑越大，級配越好，則水與水泥用量越少，混凝土的干縮越小；骨料的含泥量及泥塊含量越多，混凝土干縮越大；針、片狀骨料含量越多，混凝土干縮越大。

（4）養護條件。施工期養護濕度高，養護時間長，則有利于推遲混凝土干縮的產生與發展；高原環境，濕度小，混凝土失水較快，養護不足時，混凝土相對干縮快，干縮變形大。

有關濕篩二級配C25混凝土的干縮試驗結果表明[1]，二級配混凝土干縮率遠大于全級配的混凝土干縮率，從該試驗結果[1]看，二級配混凝土30d、60d、90d、180d干縮率為260×10-6、 326×10-6、336×10-6、351×10-6。圓形擴展式基礎環風機基礎一般采用二級配骨料的C35或C40混凝土，水泥材料用量更多，如果施工中采用泵送混凝土，水膠比會更大，混凝土的干縮率比上述實驗結果還會增加。按照上述試驗結果，基礎環圓筒內臺柱混凝土直徑按4.3m計算， 180d干縮變形為：351×10-6×4300=1.51mm。在混凝土施工質量正常情況下，施工半年后基礎環圓筒內臺柱混凝土與基礎環內側面之間將出現約0.75mm的間隙縫。基礎環內部主要在基礎環的上、下端部布置有水平向的穿孔鋼筋，在兩端之間的混凝土內鋼筋分布稀少，鋼筋對基礎環內部混凝土塊干縮變形的約束是有限。因此，從理論上分析，基礎混凝土澆筑完成半年后，因為混凝土自身干縮變形的影響，基礎環內側與混凝土之間必然會出現一定的間隙縫，考慮分布鋼筋對混凝土一定變形約束作用，間隙縫寬度估計不低于0.25mm。同樣，基礎環外側與混凝土之間也會出現一定的間隙縫。

在工程實際中，有些工程的混凝土施工質量控制可能不理想，例如，水灰比較大，骨料偏少或質量較差，砂石含泥量高，振搗不密實，養護措施不足等，基礎環與混凝土之間的間隙縫還會明顯增大，這對風機基礎以后的運行安全性就會造成更大影響。

4 采用無收縮混凝土避免間隙縫

無收縮混凝土目前在工程界廣泛應用，在水電工程、交通橋梁以及其它工業與民用建筑中往往根據結構的需要經常采用無收縮混凝土，技術簡單，經驗成熟，施工方便。按照國家標準《混凝土外加劑應用技術規范》（50119-2013）要求和混凝土配合比試驗結果，在混凝土中添加一定劑量的膨脹劑即可實現無收縮混凝土的性能要求。根據工程經驗，C35或C40無收縮混凝土膨脹劑的添加量約為混凝土中膠凝材料用量的6%～8%，文獻[2]中進行了無收縮混凝土膨脹劑使用量的對比試驗分析，推薦膨脹劑添加量約為混凝土膠凝材料用量的8%。目前，國內生產的凝土膨脹劑的品種較多，質量較好，價格低廉，經測算每立方無收縮混凝土的造價比同強度等級常規混凝土增加約30元，工程投資增加較少。因此，基礎環風機基礎采用無收縮混凝，在技術經濟上是完全可行的，可以使混凝土的自身干縮變形完全得到補償，避免風機基礎環與基礎混凝土之間出現間隙縫。

5 結語

本文分析基礎環風機基礎結構變形和受力特征方面存在的弱點，以及發生破壞的機理過程，探討性提出了采用無收縮混凝土進行風機基礎澆筑，解決目前風機基礎環與基礎混凝土之間出現間隙縫問題。無收縮混凝土技術成熟，施工方面，增加投資較少，可以普遍應用于風電場基礎環風機基礎，對提高風機基礎運行安全性具有重要意義。

參考文獻

[1]鄭丹，李文偉，陳文耀.全級配混凝土干縮性能研究[J].長江科學院院報，2010，（2）：64-67.

[2]陳昌杰.C55無收縮混凝土配合比設計及施工控制的研究[J].建材世界，2011，（3）：37-40.endprint