風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土裂縫數(shù)值分析及加固方案研究

陳加興 何吉 譚爭光

摘 要：風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)完整是風(fēng)機能夠安全運行的重要保障。但是，近年來風(fēng)機基礎(chǔ)頻繁出現(xiàn)混凝土開裂的現(xiàn)象。由于實際工程中難以量化判斷裂縫對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的危害程度，因此難以提出合理的加固方案。采用有限元數(shù)值分析方法對風(fēng)機基礎(chǔ)裂縫進行結(jié)構(gòu)受力分析，研究裂縫對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響，并據(jù)此提出加固方案，能夠為實際工程提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機基礎(chǔ);混凝土裂縫;加固方案;數(shù)值分析;有限元

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0098-05

Abstract： The structural integrity of the Fan Foundation is an important guarantee for the safe operation of the fan. However， the concrete cracking of the fan foundation occurs frequently in recent years. It is difficult to quantify the damage degree of the cracks to the fan foundation structure in practical engineering.Therefore it is difficult to put forward a reasonable reinforcement scheme. In this paper， the finite element numerical analysis method is used to analyze the structure stress of the Fan Foundation crack， and the influence of the crack on the fan foundation structure is studied.

Keywords： wind turbine foundation;concrete crack;reinforce scheme;numerical analysis;finite element1

隨著國內(nèi)風(fēng)電項目大規(guī)模建設(shè)，近年來風(fēng)機基礎(chǔ)出現(xiàn)混凝土裂縫的現(xiàn)象越來越多，其中最常見的是混凝土臺柱裂縫。隨著風(fēng)電場運行時間加長，暴露出這種問題的風(fēng)電場數(shù)量明顯增加，問題越來越嚴重。風(fēng)機基礎(chǔ)是關(guān)系到風(fēng)機能否安全穩(wěn)定運行的重要因素，而風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土裂縫可能對基礎(chǔ)安全運行造成不良影響[1]。實際工程實踐中，很多時候難以判斷混凝土裂縫具體的危害性，也難以采取有效的處理措施。采用有限元數(shù)值分析方法對風(fēng)機基礎(chǔ)裂縫進行結(jié)構(gòu)受力分析，研究混凝土裂縫對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可能造成的影響，并據(jù)此提出加固方案，可以為實際工程提供參考。

1 裂縫成因分析

風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土作為大體積混凝土，其產(chǎn)生裂縫的原因有很多種，主要為結(jié)構(gòu)裂縫、沉降裂縫、溫度裂縫及表面干縮裂縫等[2]。

1.1 結(jié)構(gòu)裂縫

結(jié)構(gòu)裂縫是指因結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，進而影響結(jié)構(gòu)安全的裂縫，如基礎(chǔ)環(huán)附近配筋不足引起的拉裂。

1.2 沉降裂縫

沉降裂縫是指因地基不均勻沉降而引起的結(jié)構(gòu)開裂，如不均勻地基未經(jīng)妥善處理而引起基礎(chǔ)混凝土底部開裂。

1.3 溫度裂縫

溫度裂縫是指在混凝土施工過程中因未采取有效的溫控措施，使得混凝土內(nèi)部和表面溫差過大而造成的混凝土拉裂。

1.4 干縮裂縫

干縮裂縫是指混凝土表面因養(yǎng)護不到位等原因使得混凝土表面失水干縮而拉裂。

4種裂縫中，結(jié)構(gòu)裂縫和沉降裂縫會對風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全造成不良影響，需要慎重對待;而溫度裂縫和干縮裂縫一般不會影響風(fēng)機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全，但會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和表觀質(zhì)量。

2 裂縫影響分析

運用風(fēng)機基礎(chǔ)有限元模型及數(shù)值計算理論，對風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土裂縫進行結(jié)構(gòu)受力分析，進而分析裂縫對風(fēng)機基礎(chǔ)的影響。

2.1 計算理論與方法

采用大型通用有限元軟件ABAQUS提供的混凝土塑性損傷（Concrete Plastic Damage，CPD）模型[3]。開裂前混凝土采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。當混凝土受拉開裂后，通過損傷指標對混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，以描述混凝土的卸載剛度隨損傷增加而降低的特性。

對于鋼筋，采用鏈桿單元模擬[4]。當嵌入混凝土單元后，程序自動耦合自由度。嵌入式鋼筋模型依據(jù)鋼筋和混凝土的位移協(xié)調(diào)，分別求出混凝土和鋼筋對單元剛度矩陣的作用，然后組合起來形成綜合單元剛度矩陣。混凝土和鋼筋的粘結(jié)滑動和暗銷作用都通過引入混凝土的拉伸硬化進行模擬。

2.2 計算模型

主要結(jié)構(gòu)鋼筋位置示意圖如圖1所示。風(fēng)機基礎(chǔ)有限元整體模型如圖2所示[5]。

考慮到實際工程中經(jīng)常產(chǎn)生環(huán)向及徑向兩種裂縫，分別建立臺柱混凝土徑向裂縫缺陷模型和臺柱環(huán)向裂縫缺陷模型。模型模擬裂縫深度為20 cm，其中徑向裂縫貫穿臺柱混凝土表面，并呈放射狀分布，裂縫間隔為45o，而環(huán)向裂縫位于上臺表面中部。

臺柱混凝土徑向裂縫有限元模型及環(huán)向裂縫有限元模型如圖3所示。考慮到裂縫的存在將破壞風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，影響周圍混凝土強度，因此調(diào)整該區(qū)域塑性損傷模型取值，具體如圖4所示。

2.3 混凝土損傷分析

圖5為臺柱混凝土表面最大主應(yīng)力云圖。可以發(fā)現(xiàn)，由于裂縫區(qū)域混凝土材料強度降低，最終分擔載荷也較小，因此其應(yīng)力分布發(fā)生了明顯改變。當徑向裂縫存在時，在X軸正半?yún)^(qū)，最大主應(yīng)力沿環(huán)向出現(xiàn)分段現(xiàn)象;當環(huán)向裂縫存在時，其最大主應(yīng)力分布在裂縫處，沿徑向存在分層現(xiàn)象。但是，兩種模型中，對于裂縫深度以下的基礎(chǔ)混凝土，應(yīng)力分布則基本與無裂縫計算方案保持一致。

圖6和圖7分別為徑向和環(huán)向裂縫模型中混凝土受拉塑性區(qū)分布圖，可知風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中受拉破壞情況與無裂縫計算方案基本一致，無明顯差異。匯總兩者受拉塑性區(qū)擴展深度和水平最大擴展距離，結(jié)果如表1所示。表1水平最大擴展距離中，上下數(shù)據(jù)分別代表基礎(chǔ)環(huán)頂部和底部的塑性區(qū)水平最大擴展距離。

對比基礎(chǔ)方案可以發(fā)現(xiàn)，豎向及水平向最大擴展距離也與無裂縫計算方案相同。受壓破壞方面，臺柱裂縫缺陷下基礎(chǔ)混凝土未出現(xiàn)受壓破壞情況。

進一步匯總水平受拉塑性開裂區(qū)面積分布情況，如圖8所示。可以看出，徑向及環(huán)向裂縫方案中混凝土塑性開裂區(qū)面積幾乎一致。此外，對比無裂縫方案，可以認為當前裂縫分布模式和深度（20 cm）下，上臺表面裂縫對混凝土塑性區(qū)分布情況影響不明顯。

2.4 基礎(chǔ)環(huán)及鋼筋應(yīng)力分析

圖9為徑向和環(huán)向裂縫模型中基礎(chǔ)環(huán)Mises應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)臺柱混凝土不同裂縫形式并未對基礎(chǔ)環(huán)產(chǎn)生明顯影響，其應(yīng)力分布情況與最值均與完整無裂縫方案基本一致。

鋼筋受力方面，匯總兩種缺陷模型中主要鋼筋Mises應(yīng)力最大值，如表2所示。由表2可知，豎向/徑向鋼筋并未對鋼筋應(yīng)力分布狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，原因在于此類鋼筋應(yīng)力最值一般分布在穿越基礎(chǔ)環(huán)或混凝土塑性區(qū)附近，而該區(qū)域位置主要由載荷條件決定，因此混凝土表面裂縫缺陷對其影響很小。對于環(huán)向鋼筋，在徑向裂縫缺陷模型中，徑向裂縫區(qū)域變形增大，導(dǎo)致穿越該區(qū)域的鋼筋應(yīng)力有所提高。例如，臺柱表層16#環(huán)向鋼筋，其應(yīng)力分布一定程度上呈現(xiàn)分段現(xiàn)象，且最大應(yīng)力值達到6.83 MPa，較之于完整無裂縫方案提高了21.8%。

2.5 計算結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過對比混凝土塑性損傷區(qū)范圍及基礎(chǔ)環(huán)、鋼筋應(yīng)力情況，可以得出以下結(jié)論。

①在極端荷載作用下，當前臺柱表面裂縫模式和深度幾乎不改變混凝土受拉塑性區(qū)的分布形式，依然以基礎(chǔ)環(huán)下法蘭為界分為頂部錐形受拉塑性區(qū)和底部水平受拉塑性區(qū);受拉及受壓損傷區(qū)擴展情況基本不受裂縫影響，各水平受拉塑性區(qū)面積與無裂縫方案基本一致，受壓塑性區(qū)擴展距離及分布位置與無裂縫方案一致;裂縫的存在會使得臺柱混凝土表面應(yīng)力重分布，考慮徑向裂縫時，在環(huán)向上主應(yīng)力存在分段現(xiàn)象，而考慮環(huán)向裂縫時，裂縫內(nèi)外側(cè)存在應(yīng)力分層現(xiàn)象。

②鋼筋應(yīng)力部分，對于主要豎向/徑向鋼筋，由于其應(yīng)力分布情況主要與混凝土塑性區(qū)有關(guān)，最大值基本位于穿越基礎(chǔ)環(huán)位置，因此當前臺柱表面裂縫模式和深度并未對其產(chǎn)生明顯影響;徑向裂縫區(qū)域混凝土強度較弱，使得穿越該區(qū)域的環(huán)向鋼筋應(yīng)力明顯提高，如16#鋼筋，但對于混凝土內(nèi)部的環(huán)向鋼筋，表面裂縫的影響十分有限。

綜合而言，當前臺柱混凝土表面裂縫缺陷模式對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)混凝土及內(nèi)部鋼筋受力情況影響不明顯。

3 裂縫處理方案

通過上述分析，可認為臺柱表面徑向及環(huán)向裂縫（深度不大于20 cm）基本不影響結(jié)構(gòu)整體安全。但是，實際工程中表面裂縫的出現(xiàn)可能造成內(nèi)部鋼筋銹蝕，進而造成結(jié)構(gòu)整體剛度降低等問題，需要引起重視，及時進行閉縫加固處理。對于縫寬不超過0.2 mm的裂縫，建議采用表面封閉修補方案;對于縫寬超過0.2 mm的裂縫，為了保證內(nèi)部灌漿密實，建議采取裂縫鉆孔灌漿修補方案[6-7]。

3.1 表面封閉修補方案

3.1.1 混凝土表面處理。除去混凝土表面抹灰層，用圓盤式磨光機或鋼絲刷除去裂縫兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)疏松、劣質(zhì)的混凝土，再用壓縮空氣除去混凝土碎屑和粉層，最后用丙酮或工業(yè)酒精擦洗干凈。

3.1.2 涂膠。用刮刀將修補封口膠涂抹在裂縫兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)，并沿裂縫方向反復(fù)壓抹，使膠液盡可能滲入裂縫和混凝土表面。待膠液干后，再涂刷第二層。

3.1.3 表面修飾。待修補膠固化后，用磨光機磨平表面，用丙乳砂漿對裂縫修補部位表面進行修飾。

3.2 鉆孔灌漿修補方案

采用環(huán)氧膠材灌漿，灌漿設(shè)備采用高壓電動灌漿泵，灌漿方式采用打孔埋管灌漿法。工藝流程如下：鉆孔—清孔—埋設(shè)灌漿針頭（灌漿咀）—縫面封閉（封口膠）—試漏—灌漿（灌縫膠）—拆咀封孔—灌漿后效果檢查—縫面處理。

4 結(jié)語

通過建立風(fēng)機基礎(chǔ)臺柱混凝土裂縫缺陷模型，研究臺柱表面徑向及環(huán)向裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)受力特性的影響。經(jīng)過模擬計算分析，認為風(fēng)機基礎(chǔ)臺柱表面徑向及環(huán)向裂縫（深度不大于20 cm）基本不影響結(jié)構(gòu)整體安全，但可能造成內(nèi)部鋼筋銹蝕進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度降低，仍需引起重視，及時進行閉縫處理。

參考文獻：

[1]馬人樂，黃冬平.風(fēng)電結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2014（4）：1-4.

[2]徐佰峰.風(fēng)機基礎(chǔ)裂縫控制要點分析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2020（6）：58-60.

[3]聶建國，王宇航.ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型用于模擬結(jié)構(gòu)靜力行為的比較研究[J].工程力學(xué)，2013（4）：59-67.

[4]遲洪明，史卜濤.風(fēng)機基礎(chǔ)三維有限元分析及加固方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019（1）：1015-1018.

[5]徐州，洪洋，張正鵬.基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)力學(xué)性能研究[J].中國水運，2021（2）：55-56.

[6]趙斌，肖亞萌，劉艷.某風(fēng)電場基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)破壞機理分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2020（7）：133-136.

[7]張峰，李清石，胡輝.基于基礎(chǔ)環(huán)的風(fēng)機基礎(chǔ)缺陷加固處理分析[J].機械化工，2020（12）：174-175.