基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)的豎錨加固方法研究

劉哲鋒，王健，黃時雨，徐志杰，李代軍

（1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410004；2.湖南華電郴州風(fēng)力發(fā)電有限公司，湖南郴州 423000）

0 引言

風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)致水平荷載和自重荷載會通過基礎(chǔ)環(huán)傳遞到下部基礎(chǔ)上。風(fēng)電機組基礎(chǔ)具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特點；同時，基礎(chǔ)環(huán)和混凝土兩種材料之間的強度差異導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與混凝土側(cè)壁脫開后粘結(jié)力消失，完全依靠側(cè)壁間摩擦力和基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的咬合作用來抵抗荷載，導(dǎo)致下法蘭處混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中，混凝土在反復(fù)疲勞作用下磨損后形成空腔[1]；同時基礎(chǔ)環(huán)的水平度發(fā)生偏差，嚴(yán)重影響上部結(jié)構(gòu)的安全性。

目前主流的加固方法是將基礎(chǔ)環(huán)糾偏后在基礎(chǔ)臺柱頂面鉆孔，灌入環(huán)氧樹脂填充基礎(chǔ)環(huán)和混凝土之間的縫隙以恢復(fù)承載力。這種方法可以立即產(chǎn)生加固效果，但由于基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的傳力機制沒有改變，在短時間內(nèi)可能會再次產(chǎn)生縫隙和應(yīng)力集中，且無法用這種方法二次加固[2]。為了能夠有效解決基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處應(yīng)力集中的問題，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多嘗試，并提出了一些新的加固方法。Minjuan He[3]采用外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)，在基礎(chǔ)臺柱頂部設(shè)置鋼梁，并在梁的兩側(cè)對稱布置預(yù)應(yīng)力地腳螺栓。彭柱[4]提出在糾偏后破拆混凝土臺柱上部，在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外焊接栓釘?shù)募庸谭桨浮hen J[5]在基礎(chǔ)臺柱外側(cè)施加多圈鋼絞線并加高臺柱，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)。上述方法均可以有效降低基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土的應(yīng)力集中，起到了較好的加固效果，但存在工程量大、施工周期長和造價較高等問題。

本文針對基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)，提出了一種在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)布置豎向錨桿的加固方法，能有效降低基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近的混凝土應(yīng)力集中，同時具有造價低和施工方便的特點。本文還利用有限元軟件ABAQUS進行力學(xué)分析，驗證了該方法的可行性和有效性。

1 豎錨加固方法

在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)的混凝土上均勻鉆圓孔，并在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)的相應(yīng)位置焊接帶豎孔的連接件（圖1）。高強錨桿下端通過鉆孔灌入超高性能混凝土（UHPC）與原有混凝土基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)，錨桿上端穿過連接件，待UHPC達到強度，通過螺母施加預(yù)應(yīng)力鎖緊錨桿與連接件。

圖1 基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機豎錨加固方法Fig.1 The reinforcement method with vertical anchor bolts of the wind turbine foundation with the inserted ring

UHPC是一種在活性混凝土中加入鋼纖維的復(fù)合材料，具有拉壓強度大和耐疲勞性能好等優(yōu)異性能[6]，同時與普通混凝土的粘結(jié)性能較好[7]。

2 數(shù)值建模

2.1 工程概況

本文以湖南某風(fēng)電場2 MW風(fēng)機基礎(chǔ)為研究對象，該機組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計級別為2級，建筑場地為Ⅰ類。風(fēng)機采用圓盤形重力式基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)（圖2），基礎(chǔ)底板直徑為18.4 m，基礎(chǔ)上部臺柱直徑為7.6 m，基礎(chǔ)環(huán)直徑為4.4 m，基礎(chǔ)環(huán)在混凝土基礎(chǔ)中的埋深為2 m。

圖2 基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)剖面圖Fig.2 The section of the wind turbine foundation with the inserted ring

2.2 數(shù)值模型

考慮到模型的計算量，對連接件部分進行了簡化處理。圖3為風(fēng)機基礎(chǔ)豎錨加固有限元模型。基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間采用表面與表面接觸，切向采用庫倫摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.35，法向接觸作用為硬接觸；UHPC和混凝土界面采用cohesive接觸模擬界面粘結(jié)。

圖3 風(fēng)機基礎(chǔ)豎錨加固有限元模型Fig.3 The finite element model of the wind turbine foundation reinforced by vertical anchor bolts

由于鋼筋（帶肋）和UHPC粘結(jié)強度很高，因此建模不考慮鋼筋在UHPC中發(fā)生粘結(jié)破壞，模型中兩者采用綁定連接。錨桿與連接件、連接件與基礎(chǔ)環(huán)之間連接均采用綁定連接。實體網(wǎng)格采用C3D8I非協(xié)調(diào)單元，鋼筋籠采用T3D2桁架單元，基礎(chǔ)底部采用固結(jié)。

2.3 材料與荷載

由于基礎(chǔ)環(huán)下法蘭應(yīng)力集中區(qū)域的混凝土通常是在正常運行荷載的反復(fù)作用下產(chǎn)生損傷，因此本文僅考慮風(fēng)機正常運行工況。表1為主要的荷載信息。

表1 疲勞工況和正常運行荷載工況下最不利組合極限值Table 1 The standard value of load under normal operation condition

根據(jù)風(fēng)機生產(chǎn)廠家《風(fēng)力發(fā)電機組計算總說明》，基礎(chǔ)混凝土為C40，基礎(chǔ)環(huán)和連接件采用Q345鋼，鋼筋采用HRB400鋼筋。風(fēng)機基礎(chǔ)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)機基礎(chǔ)材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 The physical and mechanical parameters of materials of the wind turbine foundation

2.4 分析設(shè)置

模型中開孔直徑和錨桿直徑設(shè)為定值，開孔直徑為300 mm，高強錨桿直徑為25 mm。文獻[8]通過試驗研究了帶肋鋼筋與UHPC，UHPC與普通混凝土的粘結(jié)強度，并根據(jù)研究結(jié)果得出式（1）和式（2），用以計算帶肋鋼筋的錨固長度Lb和孔洞的開孔深度Ld。Lb和Ld的計算結(jié)果與鋼筋直徑、開孔直徑以及材料強度有關(guān)。

式中：db為鋼筋直徑；dd為開孔直徑；fs為錨桿屈服強度；混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值；為UHPC軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），（2），同時考慮到安全性，在計算結(jié)果上乘以1.35的安全系數(shù)，得出Lb為165 mm，Ld為150 mm。由于Lb不得低于Ld，因此Lb和Ld均取為165 mm。角焊縫長度根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[9]進行計算，焊縫長度為300 mm。

研究表明，直徑d為25 mm的帶肋錨桿與UHPC粘結(jié)面的粘結(jié)強度為30～50 MPa，當(dāng)Lb達到5d以上時，不會發(fā)生錨桿拔出破壞[10]。本文中Lb為6.6d，可不考慮錨桿與UHPC的粘結(jié)破壞。

因此，針對豎錨加固方法的可行性，分析重點是錨桿、連接件和UHPC是否會發(fā)生材料破壞，以及UHPC與普通混凝土的粘結(jié)界面是否會發(fā)生粘結(jié)破壞。針對豎錨加固方法的有效性，分析重點是環(huán)周布置錨桿數(shù)量的變化對加固效果的影響，加固效果可以從基礎(chǔ)環(huán)下法蘭混凝土拉應(yīng)力減小幅度和基礎(chǔ)環(huán)豎向偏移量減小幅度兩個方面來論述。

3 計算結(jié)果分析

3.1 豎錨加固方法的可行性分析

目前針對HRB600鋼筋抗疲勞能力的研究較少，因此本文參照GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[11]中4.2.6條關(guān)于HRB400鋼筋規(guī)定的疲勞應(yīng)力幅值，根據(jù)疲勞應(yīng)力比值出疲勞應(yīng)力幅限值。圖4為錨桿在疲勞工況下的Mises應(yīng)力云圖。錨桿的最小Mises應(yīng)力為96.8 MPa，最大Mises應(yīng)力為234.2 MPa，疲勞應(yīng)力幅為137 MPa，正好達到HRB400鋼筋疲勞應(yīng)力幅限值137 MPa。由于HRB600鋼筋采用HRB400鋼筋的疲勞應(yīng)力幅值，是偏于安全的，因此認(rèn)為錨桿在疲勞荷載作用下滿足疲勞強求要求。

圖4 錨桿在疲勞工況下的Mises應(yīng)力云圖Fig.4 Mises stress cloud diagram of anchor rod under fatigue conditions

由于風(fēng)荷載具有方向性，連接件出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置同樣出現(xiàn)在主風(fēng)向X方向。計算結(jié)果中連接件的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力位置均出現(xiàn)主風(fēng)向豎向平面內(nèi)，即XY平面內(nèi)，正應(yīng)力為S11，剪應(yīng)力為S12。圖5為連接件在疲勞工況下的正應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖。由圖5可知，錨桿的疲勞正應(yīng)力幅為24.9 MPa，疲勞容許正應(yīng)力幅為50.8 MPa，疲勞剪應(yīng)力幅為33 MPa，疲勞容許正應(yīng)力幅為33.3 MPa，均滿足疲勞強度要求。

圖5 連接件在疲勞工況下正應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖Fig.5 Contours of normal stress and shear stress of connectors under fatigue conditions

圖6為錨桿、基礎(chǔ)環(huán)和連接件的Mises和PEEQ應(yīng)力云圖。圖6（a）中錨桿最大Mises應(yīng)力為369.9 MPa，小于錨桿的屈服強度600 MPa，基礎(chǔ)環(huán)和連接件的Mises應(yīng)力為127.1 MPa，小于材料屈服強度345 MPa。PEEQ是整個變形過程中塑性累積的結(jié)果，當(dāng)PEEQ為0時，表明材料仍未屈服，仍處于彈性狀態(tài)。計算結(jié)果表明，錨桿、連接件和基礎(chǔ)環(huán)的PEEQ值為0，表明部件仍處于彈性狀態(tài)，均未發(fā)生材料破壞。

圖6 錨桿、基礎(chǔ)環(huán)和連接件Mises和PEEQ應(yīng)力云圖Fig.6 The Mises and PEEQ stress nephogram of anchor bolts，the inserted ring and connectors

ABAQUS中通常用DAMAGET和DAMAGEC損傷系數(shù)來表示混凝土的損傷情況。當(dāng)損傷系數(shù)數(shù)值為零時，表示未發(fā)生損傷；當(dāng)數(shù)值達到1時，表示材料完全失效。圖7為UHPC受壓損傷DAMAGEC和受拉損傷DAMAGET云圖。由圖7（a）可知，DAMAGEC值為0，表明UHPC并未發(fā)生受壓損傷。由圖7（b）可知，僅在極小部分區(qū)域發(fā)生輕微的受拉損傷，最大數(shù)值為0.000 39，此時UHPC剛剛經(jīng)過彈性階段，尚未達到強度峰值。

圖7 UHPC受壓損傷DAMAGEC和受拉損傷DAMAGET云圖Fig.7 DAMAGEC and DAMAGET nephogram of UHPC

圖8為UHPC和混凝土界面接觸應(yīng)力CPRESS和剛度退化標(biāo)量SDEG云圖。

由圖8（a）可知，UHPC和混凝土之間的最大接觸應(yīng)力為1.36 MPa，低于界面實際粘結(jié)強度2.39 MPa，具有較高的安全富余。軟件中一般使用剛度退化標(biāo)量SDEG來表示粘結(jié)面的失效破壞程度。粘結(jié)面未發(fā)生破壞時，SDEG值為0。當(dāng)粘結(jié)面發(fā)生完全破壞時，SDEG值為1。由圖8（b）可知，所有UHPC和混凝土粘結(jié)面的SDEG值均為0，表明UHPC和混凝土粘結(jié)面并未發(fā)生粘結(jié)破壞。

圖8 UHPC和混凝土界面接觸應(yīng)力CPRESS和剛度退化標(biāo)量SDEG云圖Fig.8 CPRESS and SDEG nephogram of the interface of UHPC and concrete

3.2 豎錨加固方法的有效性分析

建模重點分析環(huán)周布置錨桿數(shù)量的變化對加固效果的影響。錨桿數(shù)量從12根開始，逐漸遞增至28根。圖9為錨桿數(shù)量與加固效果變化趨勢曲線。

圖9 錨桿數(shù)量與加固效果變化趨勢Fig.9 The changing trend of the number of anchor bolts and the effect of reinforcement

由圖9（a）可知：隨著錨桿數(shù)量的增加，基礎(chǔ)環(huán)豎向偏移量和下法蘭處混凝土最大應(yīng)力均明顯降低；風(fēng)機基礎(chǔ)未加錨桿時，下法蘭處混凝土最大拉、壓應(yīng)力分別為2.75 MPa和6.26 MPa；當(dāng)錨桿數(shù)量增加至12根時，下法蘭處混凝土最大拉、壓應(yīng)力分別降低了14.67%和13.47%；當(dāng)錨桿數(shù)量增加至28根時，下法蘭處混凝土最大拉、壓應(yīng)力分別降低了31.55%和30.34%。

由圖9（b）可知：基礎(chǔ)環(huán)的豎向偏移量隨著錨桿數(shù)量的增加幾乎呈線性降低；風(fēng)機基礎(chǔ)未加錨桿時，豎向總偏移量為1.42 mm；當(dāng)錨桿數(shù)量為12根時，豎向總偏移量降低了12.08%；當(dāng)錨桿數(shù)量為28根時，豎向總偏移量降低了24.87%。

4 結(jié)論

本文以2 MW風(fēng)機為對象，通過有限元建模探討正常運行工況下豎錨加固方法對基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)加固的可行性與有效性，得到以下結(jié)論。

①采用豎錨加固方法后，錨桿、連接件和基礎(chǔ)環(huán)處于彈性范圍，UHPC未發(fā)生受壓損傷，僅產(chǎn)生極小的受拉損傷，但未對其強度產(chǎn)生影響。鋼筋和UHPC，UHPC與混凝土粘結(jié)面接觸良好，未發(fā)生粘結(jié)破壞。豎錨加固方法具備可行性。

②在基礎(chǔ)環(huán)周邊布置28根及以上直徑為25 mm的高強錨桿時，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土最大拉應(yīng)力降低了30%以上，基礎(chǔ)環(huán)豎向偏移量降低了約25%，加固效果良好。