風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土受力機(jī)理分析及基礎(chǔ)加固

謝冰冰， 袁 凌,2,3， 王小虎， 張林中， 寧紅超

(1.國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司， 北京 100039； 2.風(fēng)電設(shè)備及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 保定 071000；3.國(guó)家能源潮汐海洋能發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100039)

陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)形式基本可分為基礎(chǔ)環(huán)式和預(yù)拉錨栓式，其中基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)用歷史較長(zhǎng)技術(shù)較為成熟，但其中也存在一系列共性問(wèn)題[1]，其中較為顯著的有：混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間產(chǎn)生間隙，間隙越大風(fēng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)荷載對(duì)基礎(chǔ)混凝土的破壞性也越強(qiáng)；由于混凝土上表面被破壞，其防水密封也隨之被破壞，雨水沿基礎(chǔ)環(huán)側(cè)面下滲，與磨碎的混凝土混合形成灰漿，造成“返水冒漿”，其間接加速了混凝土的破壞進(jìn)程；基礎(chǔ)環(huán)周邊鋼筋被剪斷，導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間黏結(jié)性降低。

針對(duì)上述問(wèn)題，學(xué)者們對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。理論方面：鄧友生等[2]系統(tǒng)地闡述了中外風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算方法的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展，并指出風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)研究和應(yīng)用中存在的問(wèn)題；劉梅梅等[3]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了基礎(chǔ)環(huán)形式、高度及配筋對(duì)混凝土應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的影響；李大均等[4]通過(guò)有限元ABAQUS計(jì)算了基礎(chǔ)環(huán)不同埋深和下法蘭不同寬度下的基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及基礎(chǔ)環(huán)位移等；李大勇等[5-6]分別對(duì)砂土中陸地風(fēng)電空心錐形基礎(chǔ)水平承載力的影響因素及山區(qū)風(fēng)電臨坡圓形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)對(duì)坡體變形的影響進(jìn)行了分析；康明虎等[7]采用了有限元方法分析了基礎(chǔ)環(huán)附近混凝土的局部受力情況，并討論了混凝土的損傷原因；范洪軍等[8]主要針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)分析。基礎(chǔ)加固治理方面：汪宏偉[1]采取注漿方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固，并詳細(xì)闡述了具體施工工序，這是目前常見(jiàn)的加固方式；陳俊嶺等[9]提出了對(duì)臺(tái)柱側(cè)壁設(shè)立鋼絞線(xiàn)的加固方法，但此方法因鑿除臺(tái)柱混凝土保護(hù)層，破壞了原有結(jié)構(gòu)。

綜上所述，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)破壞損傷機(jī)理的研究方法主要集中在數(shù)值計(jì)算方法，這一方法可以精確計(jì)算，但大多數(shù)針對(duì)特定工程實(shí)例；目前加固主要針對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行注漿處理，但在動(dòng)荷載作用下混凝土容易反復(fù)出現(xiàn)裂縫，實(shí)際效果不理想。目前基礎(chǔ)加固方法均是從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，力學(xué)理論分析較為欠缺，若要從根本上解決基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)混凝土開(kāi)裂等問(wèn)題，首先必須弄清楚混凝土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，但目前鮮有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的研究成果。因此很有必要深入地研究基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的受力狀態(tài)，其具有重要的理論和實(shí)際工程價(jià)值。

主要對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行解析，提出改善混凝土應(yīng)力場(chǎng)的解決方案，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。首先采用半逆解法對(duì)基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行求解；其次，因外側(cè)圍壓對(duì)混凝土裂紋擴(kuò)展的抑制作用，將外側(cè)圍壓考慮進(jìn)去，進(jìn)一步對(duì)混凝土的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)進(jìn)行求解；最后將二者進(jìn)行對(duì)比分析，從理論上研究圍壓對(duì)混凝土裂紋擴(kuò)展的抑制作用，對(duì)工程防治提出合理建議。

1 基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土所受非均勻作用力形式

1.1 基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土災(zāi)害

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土開(kāi)裂及返水冒漿等災(zāi)害如圖1所示。基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的裂縫若不及時(shí)處理，在風(fēng)機(jī)復(fù)雜動(dòng)荷載作用下裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)風(fēng)機(jī)整體傾覆的后果。

圖1 基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土破壞形式

出現(xiàn)上述災(zāi)害的原因，部分是混凝土強(qiáng)度達(dá)不到要求以及施工質(zhì)量不高造成的。但上述災(zāi)害作為共性問(wèn)題存在時(shí)，就需要對(duì)基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的受力機(jī)理進(jìn)行深入分析，從根源上找到治理災(zāi)害的解決方案。

1.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)荷載傳遞

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)塔筒傳遞至基礎(chǔ)的荷載非常復(fù)雜，一般有豎向荷載、橫向荷載、彎矩等。在啟停時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)在風(fēng)向方向前后擺振，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)啟停時(shí)前后擺振

此時(shí)塔筒傳遞給基礎(chǔ)的荷載對(duì)基礎(chǔ)的沖擊作用是很大的，基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土必然會(huì)受到不均勻的徑向應(yīng)力從而導(dǎo)致應(yīng)力集中(圖3)，極有可能使混凝土壓碎、破裂，繼而產(chǎn)生裂縫。

圖3 基礎(chǔ)混凝土受到非均勻作用力

1.3 非均勻作用力形式的討論

對(duì)于非均勻的徑向壓力，目前沒(méi)有明確的分布曲線(xiàn)，常用一些函數(shù)曲線(xiàn)近似表示荷載分布規(guī)律的不均勻性[10]。如采用倍角余弦曲線(xiàn)的非均勻徑向壓力分布，即

q=0.5qtopβ(1+cos2θ)

(1)

也有采用單角正弦函數(shù)分布，即

q=qtopβsinθ

(2)

吳慶良等[10]為了克服式(1)、式(2)在θ=0°、90°處荷載為零的缺點(diǎn)，又提出式(3)：

q=qtop(1+msin2θ)

(3)

式中：q為作用在筒體外側(cè)非均勻壓力；qtop為圓形頂點(diǎn)處的壓力；β為荷載分布規(guī)律的不均勻性系數(shù)；θ為環(huán)向角度；m為荷載非均勻程度系數(shù)。

侯鵬翔[11]提出了不均勻荷載的分布，即

q=qtop(1+βsinα)/(1+β)

(4)

式(4)中：α為環(huán)向夾角。

參考上述研究，并結(jié)合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力情況，提出基礎(chǔ)環(huán)周邊非均勻的徑向壓力的分布形式如式(5)及圖4所示。

圖4 不同k值時(shí)非均勻力的分布形式

q=q0(1+kcos2θ)

(5)

式(5)中：q0表示不均勻徑向壓力的最小點(diǎn)處的壓力；k∈(0，1)表示風(fēng)機(jī)擺振程度，擺振幅值越大k值越大；θ∈[0,2π]。

2 應(yīng)力場(chǎng)位移場(chǎng)解析

2.1 混凝土應(yīng)力場(chǎng)解析

混凝土周邊處的非均勻作用力的函數(shù)形式(圖4)為

q=q0(1+kcos2θ)，k∈(0,1),θ∈(0,2π)

(6)

可展開(kāi)為

(7)

式(7)中：σ′r與σ″r分別為分均勻作用力q的應(yīng)力分量，按疊加法可將q分解為

(8)

2.1.1 問(wèn)題(1)的解

σ′r、σ′θ所對(duì)應(yīng)的問(wèn)題是混凝土內(nèi)邊界所受均勻作用力，a為基礎(chǔ)環(huán)外半徑，b為臺(tái)柱混凝土外半徑，r為半徑變量，邊界條件為

(9)

(τ′rθ)r=a=0

(10)

(σ′r)r=b=0

(11)

(τ′rθ)r=b=0

(12)

由拉梅方程得出各個(gè)應(yīng)力分量可表示為

(13)

(14)

τ′rθ=0

(15)

式中：A、C為相對(duì)應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)；邊界條件(τ′rθ)r=a=0及(τ′rθ)r=b=0已自動(dòng)滿(mǎn)足，代入其余兩項(xiàng)即可，即將式(9)、式(10)分別代入式(13)得

(16)

(17)

(18)

(19)

τ′rθ=0

(20)

2.1.2 問(wèn)題(2)的解

采用半逆解法思路，邊界條件為

在對(duì)觀測(cè)過(guò)程中的涉及到的各項(xiàng)資料進(jìn)行整理時(shí)，應(yīng)當(dāng)在表中填入觀測(cè)日期、觀測(cè)標(biāo)高等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，完成對(duì)月沉降率，以及沉降量的計(jì)算，最終依據(jù)數(shù)據(jù)，繪制沉降過(guò)程曲線(xiàn)圖。

(21)

(τ″rθ)r=a=0

(22)

(σ″r)r=b=0

(23)

(τ″rθ)r=b=0

(24)

若要滿(mǎn)足邊界條件，則應(yīng)力函數(shù)φ中應(yīng)當(dāng)含有cos2θ因子，而σ″r和τ″rθ都是變化的且與r有關(guān)，則φ是也r的函數(shù)。故可假設(shè)應(yīng)力函數(shù)為φ=f(r)cos2θ，應(yīng)力函數(shù)需滿(mǎn)足相容方程λ=1.1。可得

(25)

化簡(jiǎn)并整理得

(26)

式(26)通解為

f(r)=Ar4+Br4+C+D/r2

(27)

式(27)中：B、D為相對(duì)應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)，將式(23)代入應(yīng)力函數(shù)，得

φ=(Ar4+Br4+C+D/r2)cos2θ

(28)

將式(21)代入如下應(yīng)力分量：

徑向應(yīng)力為

(29)

環(huán)向應(yīng)力為

(30)

切向應(yīng)力為

(31)

整理得

σ″r=-(2B+4C/r2+6D/r4)cos2θ

(32)

σ″θ=(12Ar2+2B+6D/r4)cos2θ

(33)

τ″rθ=(6Ar2+2B-2C/r2-6D/r4)sin2θ

(34)

根據(jù)邊界條件求解積分常數(shù)，將式(21)～式(24)代入式(32)、式(34)，得A=B=0，C=-q0ka4/4，D=q0ka4/12。

將其再代入式(32)～式(34)，得

(35)

(36)

(37)

將式(18)～式(20)與式(35)～(37)分別對(duì)應(yīng)疊加，即可得到混凝土周邊處有非均勻作用力條件下的應(yīng)力場(chǎng)解析為

(38)

(39)

(40)

2.2 圍壓作用下混凝土應(yīng)力場(chǎng)

鋼筋與混凝土之間具有可靠的黏結(jié)性能，二者才能共同作用抵御外界的各種荷載。趙衛(wèi)平等[12-13]主要研究了橫向壓力對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，研究結(jié)果表明：橫向壓力在影響鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的諸因素中起著至關(guān)重要的作用，但橫向壓力過(guò)大也會(huì)造成鋼筋混凝土界面應(yīng)力集中的不利影響，因此橫向壓力存在一個(gè)上限值，其上限值一般取0.4fck，其中fck為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

文獻(xiàn)[12-13]中的橫向壓力可簡(jiǎn)化為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱混凝土外側(cè)的圍壓，在臺(tái)柱混凝土外側(cè)施加圍壓p示意圖如圖5所示。

圖5 圍壓p作用在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱混凝土外側(cè)

臺(tái)柱混凝土在幾何尺寸上可歸類(lèi)為厚壁圓筒模型，施加圍壓p后臺(tái)柱混凝土應(yīng)力場(chǎng)的解析可直接參考拉梅方程解析過(guò)程，其臺(tái)柱混凝土的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力及切向應(yīng)力表達(dá)式如下。

臺(tái)柱混凝土的徑向應(yīng)力：

(41)

臺(tái)柱混凝土的環(huán)向應(yīng)力：

(42)

臺(tái)柱混凝土的切向應(yīng)力：

τrw=0

(43)

2.3 考慮圍壓作用下臺(tái)柱混凝土總應(yīng)力場(chǎng)

考慮圍壓作用下臺(tái)柱混凝土總的應(yīng)力場(chǎng)為式(38)～式(40)分別與式(41)～式(43)進(jìn)行疊加，可得臺(tái)柱混凝土總的應(yīng)力場(chǎng)。

總的徑向應(yīng)力：

(44)

總的環(huán)向應(yīng)力：

(45)

總的切向應(yīng)力：

(46)

2.4 位移場(chǎng)解析

臺(tái)柱混凝土應(yīng)力場(chǎng)求出后依據(jù)幾何關(guān)系和本構(gòu)關(guān)系求出臺(tái)柱混凝土的位移解。幾何關(guān)系如下。

徑向應(yīng)變：

(47)

環(huán)向應(yīng)變：

(48)

式(48)中：ur為徑向位移。

切向應(yīng)變：

(49)

本構(gòu)方程為

(50)

(51)

式中：E為材料彈性模量；v為材料泊松比。

(52)

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

西北山區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)2.3 MW風(fēng)機(jī)，其主要基礎(chǔ)參數(shù)：基礎(chǔ)環(huán)外半徑2 150 mm，高度2 000 mm；臺(tái)柱外半徑4 300 mm；基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》(FD 003—2007)[14]，混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取fck=26.8 MPa，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取ftk=2.39 MPa。實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱混凝土開(kāi)裂破碎等基本都發(fā)生在基礎(chǔ)環(huán)周邊較小范圍內(nèi)，取k=0.5，q0=1.3 MPa，符合實(shí)際情況。

3.1 不考慮圍壓p作用時(shí)應(yīng)力場(chǎng)

首先沿徑向方向進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 臺(tái)柱混凝土沿徑向方向應(yīng)力場(chǎng)

由圖6可知，臺(tái)柱混凝土其徑向應(yīng)力σr為正值(壓應(yīng)力)，且角度θ由0°增大至90°時(shí)其應(yīng)力值逐漸減小；環(huán)向應(yīng)力σθ為負(fù)值(拉應(yīng)力)，且θ由0°增大至90°時(shí)其應(yīng)力值逐漸增大；因此σr最大值在0°位置處，σθ最大值在90°位置，且二者的絕對(duì)值均沿著徑向方向而變小。

由于臺(tái)柱混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取ftk=2.39 MPa，由圖6可知，在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)500 mm范圍內(nèi)臺(tái)柱混凝土環(huán)向拉應(yīng)力值均超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，其徑向壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；據(jù)此可認(rèn)為基礎(chǔ)環(huán)周邊臺(tái)柱混凝土的破壞是由環(huán)向拉應(yīng)力引起的。因此應(yīng)該重點(diǎn)研究基礎(chǔ)環(huán)外500 mm范圍內(nèi)臺(tái)柱混凝土的應(yīng)力場(chǎng)。

分別選取徑向距離r=2 250、2 350、2 450、2 550 mm 處0°～360°范圍的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 不同r處混凝土應(yīng)力場(chǎng)

3.2 考慮圍壓p作用時(shí)應(yīng)力場(chǎng)

為研究圍壓p對(duì)臺(tái)柱混凝土應(yīng)力場(chǎng)的影響，選取r=2 250 mm處徑向應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ，考慮圍壓p=0.9 MPa前后分別將其值進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 圍壓p作用前后混凝土應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

分析圖8(a)可以看出，施加圍壓p后徑向壓應(yīng)力σr變大，但其增量較小；圖8(b)中可以看出，施加圍壓p后環(huán)向拉應(yīng)力σθ顯著變小，由原來(lái)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值變?yōu)樾∮诳估瓘?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可以顯著改善混凝土由拉應(yīng)力產(chǎn)生的破壞。

3.3 徑向位移場(chǎng)

圖9為施加圍壓p前后r=2 150 mm任一角度的徑向位移μr的對(duì)比結(jié)果。

圖9 圍壓p作用前后μr的對(duì)比

圖9結(jié)果顯示：施加圍壓p使基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的徑向位移μr變小，抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生。

4 工程解決方案

工程中施加圍壓p方案：采用兩個(gè)半圓鋼環(huán)，鋼環(huán)內(nèi)徑r要略小于基礎(chǔ)臺(tái)柱外半徑R，厚度為t，高度等于臺(tái)柱高度，兩個(gè)半圓鋼環(huán)之間通過(guò)法蘭螺栓連接，安裝過(guò)程中通過(guò)不斷擰緊螺栓達(dá)到施加圍壓的目的，其示意圖及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示。參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下。

圖10 鋼環(huán)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

步驟1先確定厚度t：如圖10所示，鋼環(huán)的拉應(yīng)力f應(yīng)小于等于相對(duì)應(yīng)鋼材的抗拉強(qiáng)度，可表示為

(53)

式(53)中：R為基礎(chǔ)臺(tái)柱外半徑；fy鋼材抗拉強(qiáng)度。

以Q235鋼材為例，其抗拉強(qiáng)度375 MPa≤fy≤500 MPa，取其最小值fy=375 MPa,p=0.9 MPa，R=4 300 mm，代入式(53)可得：t≥10.32 mm，取t=11 mm。

步驟2鋼環(huán)內(nèi)半徑r。鋼環(huán)施加圍壓后的應(yīng)變?chǔ)趴杀硎緸?/p>

(54)

鋼環(huán)拉應(yīng)力σ=f為

(55)

取Q235彈性模量E=200 GPa，將式(54)、式(55)代入本構(gòu)方程σ=Eε可得鋼環(huán)內(nèi)半徑，其表達(dá)式為

(56)

上述為鋼環(huán)厚度及內(nèi)半徑的設(shè)計(jì)步驟，其高度取基礎(chǔ)臺(tái)柱高度。鋼環(huán)設(shè)計(jì)分為2段，實(shí)際中應(yīng)考慮制作、施工安裝等工序選取合適的尺寸進(jìn)行分段，但其參數(shù)計(jì)算過(guò)程是一致的。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)風(fēng)電工程中常見(jiàn)的基礎(chǔ)混凝土開(kāi)裂、冒漿等問(wèn)題，深入剖析了基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的受力機(jī)理，解析了混凝土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，有廣泛的適用性。

(2)考慮在基礎(chǔ)臺(tái)柱混凝土外側(cè)施加圍壓p，經(jīng)過(guò)實(shí)例計(jì)算可知：①施加圍壓p后，臺(tái)柱混凝土的徑向壓應(yīng)力σr有小幅度增大，但仍遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；②施加圍壓p后，臺(tái)柱混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力σθ顯著減小，由原來(lái)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值變?yōu)樾∮诳估瓘?qiáng)度設(shè)計(jì)值，消除或降低了由混凝土因拉應(yīng)力產(chǎn)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)；③施加圍壓p后，基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的徑向位移也變小了，可以抑制裂縫的擴(kuò)展；④施加圍壓p后，改善了混凝土和鋼筋的黏結(jié)性能，提高了二者的機(jī)械咬合力。

(3)提出了一種在工程中適用的施加圍壓的實(shí)現(xiàn)方案，并給出了參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程。