陸上風電預制裝配式基礎臺柱剪力鍵受力特性研究

張立英，郝華庚，何延福，王海軍，王獻文，曾 聰

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.華能隴東能源有限責任公司，甘肅 慶陽 745000；3.天津大學水利工程智能建設與運維全國重點實驗室，天津 300350；4.天津大學建筑工程學院，天津 300350；5.華能吉林發電有限公司，吉林 長春 130012；6.東北電力大學，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來，隨著對可再生能源需求的增加和環境保護意識的提高，風電行業發展迅速[1]。風能作為一種可再生能源，被廣泛應用且是未來能源發展的重要方向之一[2-3]。通過風力發電可以減少對傳統能源的依賴，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，且設備在運行過程中對環境的影響較小[4]。相較于海上風電，陸上風電的建設成本較低，投資回報周期較短，使得陸上風電成為可再生能源領域的熱門選擇[4]。

目前陸上風電基礎形式包括重力式擴展基礎、樁基礎、巖石錨桿基礎、梁板基礎、預應力筒型基礎等[5]。其中，梁板基礎具有經濟性好、結構簡單和易于維護等優點，但存在配筋復雜，模板支撐難度大以及施工周期長等問題[5-6]。為充分發揮梁板式基礎的優勢，并解決限制其推廣應用中面臨的技術問題，諸多學者參考裝配式建筑及橋梁結構的特點，開展了各類型裝配式梁板基礎結構的相關研究[7-10]。郝華庚等[11]提出了一種預制裝配式風電梁板基礎，為加強裝配式基礎臺柱間的連接，基礎臺柱間設有剪力鍵，用以強固連接，進而提高整體結構的穩定性。在鋼混結構中，剪力鍵是一種用于傳遞剪切力的連接裝置[12-13]，承擔著傳遞水平力和剪力的重要作用通常用于連接混凝土構件的水平面，如梁與柱、梁與梁等[14-15]。

本文以新型預制裝配式梁板基礎為研究對象，采用理論分析和數值模擬，對該基礎臺柱剪力鍵部分受力特性進行了研究。

1 臺柱剪力鍵介紹

結合既有裝配式基礎結構受力特點，并綜合考慮運輸施工的便捷性，郝華庚等[11]提出了新型陸上風電預制裝配式單塊雙肋板梁板基礎結構。每塊預制基礎體積為22.55 m3(約56.375 t)，單臺基礎C40混凝土用量約360.84 m3(約902.1 t)，鋼筋用量約45.28 t；同機位擴展基礎C40混凝土用量515.47 m3，鋼筋用量52.46 t。兩者相比，新型陸上風電預制裝配式單塊雙肋板梁板基礎混凝土用量減少了30.00%，鋼筋用量減少了34.69%。同時，混凝土預制件采用工場批量化室內預制，可較大幅度地降低造價、保證質量并提高效率。單臺基礎由16塊扇形雙肋板預制塊體組成，臺柱中部設有環向預應力鋼絞線，臺柱間設有剪力鍵，基礎結構形式如圖1所示。

為防止基礎結構在剪切力作用下發生滑動或分離，同時增加連接件的整體強度和穩定性、增加結構的抗剪能力，在臺柱間設置有剪力鍵，剪力鍵布置如圖2所示。

圖2 剪力鍵布置

在實際施工過程中，剪力鍵通過在基礎臺柱之間進行灌漿來實現，即首先需要在臺柱之間預留有一定寬度和深度的縫隙，后將風電高強灌漿材料注入縫隙中。施工過程中需要注意灌漿材料的選擇和灌漿質量的控制，以確保剪力鍵的有效性和可靠性。在灌漿過程中，需要確保灌漿材料充分填充縫隙，使其與臺柱之間形成緊密的粘結。為了保證灌漿的質量，需采用振動棒或其他工具來排除空氣和雜質，以確保灌漿材料的均勻性和密實性。

2 理論計算

為明確基礎臺柱剪力鍵抗剪承載力是否滿足要求，通過美國AASHTO規范[16-17]、Rombach論文中的建議公式[18]以及修正后AASHTO規范建議公式[19]3種計算方式進行理論計算。剪力鍵尺寸如圖3所示。

圖3 剪力鍵尺寸(單位：mm)

根據《高聳結構設計標準》7.3.5可知[20]，在計算圓形、環形基礎底板強度時，取基礎外懸中點處的基底最大壓力p作為基底均布荷載，即

(1)

式中，N為作用效應基本組合上部結構傳至基礎的軸力設計值(不包括基礎底板自重及基礎底板上的土重)，kN；M為作用效應基本組合上部結構傳至基礎的力矩設計值，kN·m；A為基礎底板的面積，m2；I為基礎地板的慣性矩，m4；R為基礎底板半徑，m；r為環形臺柱半徑，m。

由公式(1)求得基礎底部均布應力為94.36 kPa，由于單塊預制基礎底面積為19.26 m2，則單塊預制基礎的剪力為1 817.48 kN，單塊單側剪力為908.74 kN。

2.1 計算方式一

根據美國AASHTO規范[16-17]，接縫面的抗剪承載力包括剪力鍵提供的抗剪貢獻以及接觸部分的混凝土提供的摩擦貢獻2部分。抗剪承載力計算公式為

(2)

式中，Ak為剪力鍵根部面積；Asm為接觸部分的混凝土面積；fck為混凝土標準抗壓強度；σn為接縫面平均壓應力水平。

由式(2)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為965.60 kN，預制塊單側布置6個剪力鍵，則預制塊單側剪力鍵的抗剪承載力為5 793.6 kN。

V設計=1.1×908.74=999.61 kN<5 793.6 kN，基礎單塊單側剪力設計值小于式(2)算得基礎預制塊單側抗剪承載力，滿足要求。

2.2 計算方式二

根據Rombach論文中的建議公式[18]可得

Vu=0.14Akfc+0.65Ajointσn

(3)

式中，Vu為抗剪承載力；Ajoint為截面總面積，Ajoint=Ak+Asm；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。

由式(3)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為555.5 kN，則預制塊單側剪力鍵的抗剪承載力為3 333.2 kN。V設計=1.1×908.74=999.61 kN<3 333.2 kN，說明基礎單塊單側剪力設計值小于式(3)算得基礎預制塊單側抗剪承載力，滿足要求。

2.3 計算方式三

沿用美國AASHTO規范建議公式并進行修正[19]，考慮剪應力分布不均勻系數修正后的抗剪承載力計算表達式為

(4)

式中，k值反應了剪力鍵中剪應力的峰值效應，參考相關論文及計算，本次計算取k=1.06。

由公式(4)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為915.3 kN，則預制塊單側剪力鍵的抗剪承載力5 491.8 kN。V設計=1.1×908.74=999.61 kN<5 491.8 kN，說明基礎單塊單側剪力設計值小于公式(4)算得基礎預制塊單側抗剪承載力，滿足要求。

通過上述3種剪力鍵理論計算方法可知，剪力鍵所承受的內力均小于其抗剪承載力，因此剪力鍵不會發生破壞或變形，陸上風電預制裝配式基礎臺柱剪力鍵的抗剪承載力滿足要求。

3 三維數值仿真模擬

采用ABAQUS有限元軟件，建立基礎-臺柱剪力鍵灌漿-土體的原型有限元模型，有限元模型如圖4所示。基礎及臺柱剪力鍵灌漿部分均采用3D實體單元(C3D8R)模擬，基礎材料為C40混凝土，臺柱剪力鍵灌漿部分材質為風電高強C110混凝土。基礎底部土體采用彈性地基進行模擬，土體底部采用全約束，土體側向采用反對稱邊界條件。

圖4 剪力鍵有限元示意

在實際施工過程中，需對臺柱部分進行灌漿處理，即剪力鍵及基礎臺柱中間的縫隙部分均為高強混凝土。在數值模擬中，臺柱剪力鍵灌漿部分與臺柱之間采用綁定接觸進行模擬。基礎上覆土重力為18 352.69 kN，在基礎法蘭頂部耦合一個加載點以施加風機荷載，所施加荷載分別為：水平荷載626.979 kN；豎向荷載4 035 kN；彎矩荷載63 142.9 kN·m。

3.1 基礎應力及臺柱剪力鍵部分位移云圖

基礎及臺柱剪力鍵灌漿部分的混凝土拉、壓應力云圖如圖5所示。

圖5 基礎及臺柱剪力鍵灌漿部分的混凝土有限元計算結果

基礎材質為C40混凝土，臺柱剪力鍵灌漿部分材質為C110風電高強灌漿料。由圖5可知：該工況下基礎最大拉應力為2.36 MPa，小于C40混凝土ftk=2.39 MPa；基礎最大壓應力為14.20 MPa，小于C40混凝土fck=26.8 MPa，基礎強度滿足要求。該工況下臺柱剪力鍵灌漿部分最大拉應力為3.07 MPa；剪力鍵灌漿部分最大壓應力為15.67 MPa，由于C110灌漿料一天強度可達30～50 MPa以上，故臺柱剪力鍵灌漿部分的強度滿足要求。

3.2 基礎及剪力鍵灌漿部分剪力結果

提取主風向所對的單塊預制基礎的有限元計算結果，其剪力有限元計算結果如圖6所示，單塊預制基礎的剪力為1 645.0 kN。

圖6 單塊基礎單側剪力有限元計算結果

提取主風向所對的單塊預制基礎兩側臺柱剪力鍵灌漿的有限元計算結果，如圖7所示。臺柱上部剪力鍵的剪力值大于下部剪力鍵，是由于荷載及支撐條件的不同所導致的。由上至下6層剪力鍵剪力值分別為583.5、576.0、559.6、470.3、456.0、450.9 kN，單個剪力鍵剪力有限元結果平均值為516.07 kN。

圖7 臺柱剪力鍵灌漿部分剪力有限元計算結果

3.3 理論計算與有限元結果對比

單塊預制基礎的剪力及單個剪力鍵的剪力理論理論計算值以及有限元計算結果見表1。

表1 理論計算與有限元分析結果對比 kN

由表1可知，單塊預制基礎及單個剪力鍵的剪力有限元結果均小于理論計算結果，均在合理范圍之內，滿足強度要求。單塊預制基礎的剪力結果誤差為9.51%；基于3種理論計算方法的單個剪力鍵的剪力值相較于有限元結果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲備，平均具有1.32倍的安全儲備，平均具有1.32倍的安全儲備。

4 結 論

本文通過理論計算及有限元分析明晰了陸上風電預制裝配式基礎臺柱剪力鍵部分的受力特性，得出主要結論如下：

(1)通過美國AASHTO規范、Rombach論文中的建議公式以及修正后AASHTO規范建議公式3種方式進行理論計算可知，陸上風電預制裝配式基礎臺柱剪力鍵受力滿足要求，結構設計合理。

(2)通過數值模擬可知，基礎及臺柱剪力鍵的受力均滿足強度要求。

(3)單塊預制基礎及單個剪力鍵的剪力有限元結果均小于理論計算結果。單塊預制基礎的剪力結果誤差為9.51%；基于3種理論計算方法的單個剪力鍵的剪力值相較于有限元結果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲備。