基礎環式風機基礎周期荷載損傷特征分析

桂鑫保, 葉祖洋*, 熊宇軒

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院, 武漢 430081; 2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室, 武漢 430081)

陸上風電結構包括基礎承臺、塔筒、機艙、輪轂及葉片。風電基礎承臺是風電結構的重要組成部分,其穩定性對保障風力發電機組的正常運行至關重要[1-3]。風機基礎混凝土由于長期受到靜荷載和活荷載的聯合作用,出現了不同程度的損傷問題。因此,為保證風力機能夠在設計年限內正常安全運行,對比分析混凝土承臺靜力荷載以及周期效應對結構整體性能的影響至關重要。

目前陸上風機的數值模擬與實驗主要研究考慮靜力荷載作用下的風機基礎損傷特征。袁萬等[4]利用ABAQUS軟件建立塔筒-基礎-地層模型,對整體結構進行結構靜力分析,發現基礎承臺應力呈非線性,且在基礎環中部容易出現屈服變形。陸征然等[5]通過建立風機基礎有限元模型,結合概率密度演化方法,分析混凝土結構的可靠性,得出增加風機基礎抗疲勞的方法。史卜濤等[6]分析帶栓釘基礎環式風機基礎在極限荷載作用下的損傷特征,得出基礎環與混凝土之間的脫開距離和范圍。然而,風機有別于一般建筑結構,其在運行過程中不僅受到上部結構的靜荷載作用,還長期受到風荷載、葉片轉動等周期性荷載影響。在中國部分地區[7-10]均出現一定數量的風機塔筒差異運動,事實表明,在長期的循環荷載作用下,基礎環下法蘭處混凝土出現一定程度的損傷破碎,導致其剛度下降,基礎承載力降低。

為了探究周期荷載作用對基礎混凝土損傷的影響,吳建福等[11]通過三軸試驗研究不同周期循環荷載對混凝土力學性能的影響,并分析混凝土的損傷特征;孫浩等[12]通過開展低周往復荷載試驗,研究鋼管混凝土的開裂特征,揭示混凝土墩柱的界面滑移和約束規律;徐禮華等[13]通過單軸循環加載試驗,研究混凝土的受力性能,并分析循環荷載下的應力-應變曲線。針對混凝土在周期循環荷載下的損傷特征,大多數采用混凝土試樣開展實驗研究。

現根據內蒙古某49.5 MW風電場項目的情況,運用有限元分析方法和能量等價原理,建立基礎環式風機基礎混凝土塑性損傷(concrete damaged plasticity,CDP)模型,考慮周期性荷載作用,對比分析靜力荷載與周期性荷載作用下,基礎應力、損傷變化規律,為風機基礎設計、加固提供依據。

1 風機基礎的有限元模型

1.1 風機基礎工程概況

本項目為內蒙古哈達圖49.5 MW風電場,風機型號為UP77/1500。該工程項目為一期項目,風機位點分布于草原,場地類別為Ⅱ類,基礎類型為現澆鋼混結構。基礎屬于圓形擴展式基礎,底部直徑16.4 m,頂部直徑為6 m,總高度3.2 m,采用C35混凝土;基礎環部分埋置于混凝土承臺內部,總高度為2.16 m,直徑為2 m,上翼緣厚80 mm,下翼緣厚66 mm,埋深1.66 m,材料為HRB335,基礎混凝土承臺保護層厚度為50 mm。基礎環式風機基礎剖面與配筋圖如圖1所示。

1.2 建立有限元模型

首先,通過計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)建模軟件建立基礎環式風機基礎的基本部件,包括基礎混凝土、基礎環、鋼筋骨架,為方便風機基礎施加荷載,建立部分塔筒模型。其中,基礎混凝土、基礎環以及部分塔筒模型均為三維可變形的實體單元。承臺網格劃分方式按照掃略方式、中心軸算法進行劃分,對圓形進行網格劃分時,掃略方式、中性軸算法可以有效對模型進行均勻劃分,方便模型結果的收斂,網格尺寸控制在160 mm,承臺劃分節點總數63 670個,單元總數56 840個,基礎承臺網格模型如圖2所示。鋼筋骨架由各種環向鋼筋、豎向鋼筋和穿孔鋼筋裝配而成,均采用三維可變形線單元,鋼筋骨架有限元模型如圖3所示。

圖2 基礎環式風機的基礎承臺網格模型Fig.2 Grid model of foundation bearing table of foundation ring wind turbine

圖3 鋼筋骨架有限元模型Fig.3 Finite element model of rebar skeleton

1.3 材料參數

基礎采用C35混凝土。C35混凝土塑性參數如表1所示,C35混凝土和鋼材彈性參數如表2所示。鋼筋采用理想的彈塑性體,通過二折線模型定義鋼材塑性參數。

表1 混凝土塑性參數Table 1 Plastic parameters of concrete

表2 材料彈性參數Table 2 Elastic parameters of materials

在有限元中,基于無損材料彈性余能與有損材料彈性余能相同的能量等價假設[14]具有較好的計算結果。本文研究采用CDP模型,該模型規定混凝土未到達屈服應力前為彈性階段,彈性階段視為無損傷狀態,不需要進行參數設置,只需輸入非彈性階段的應力應變曲線。其損傷參數按照混凝土結構設計規范[15]取值。取值公式為

(1)

式(1)中:εpl為壓縮或拉伸狀態下的塑性應變;εin/ck為壓縮或拉伸非彈性應變;d為損傷因子;σ為無損材料名義應力;E0為無損材料彈性模量。

C35混凝土的壓縮塑性損傷參數如表3所示。

表3 C35混凝土壓縮損傷參數Table 3 Compression damage parameters of C35 concrete

C35混凝土的拉伸塑性損傷參數如表4所示。

表4 C35混凝土拉伸損傷參數Table 4 Tensile damage parameters of C35concrete

1.4 單元類型、接觸類型及邊界條件

在初始分析步設置模型各部件的連接形式,基礎環與基礎混凝土之間通過兩者表面接觸關系進行相互作用,在表面與表面接觸時,法向行為定義為硬接觸,切向行為定義為摩擦系數為0.35的摩擦接觸。實際工程中,塔筒與基礎環之間通過一圈緊密的螺栓連接,因此,在模擬過程中,通過綁定約束連接塔筒與基礎環。鋼筋骨架與基礎混凝土直接通過Embedded Region的約束方式內置于混凝土中。鋼筋采用兩節點三維桁架單元(T3D2)線單元,此單元類型只承受壓縮和拉伸作用;同時,為了有效解決完全積分單元導致的過剛和撓度偏小的問題,基礎其他各部件均采用沙漏控制的實體八節點六面體減縮積分單元(C3D8R)。由于整個模型未考慮地層的影響,直接將風機基礎的底面進行固定約束,保證整個基礎底面的穩固,基礎側面U1=U3=0。模型邊界條件如圖4所示。

圖4 基礎邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of foundation boundary conditions

1.5 荷載工況

由于基礎環式風機上部結構受力復雜,為簡化荷載作用,將上部受力作用分為豎向重力荷載、水平的風力荷載和彎矩。通過在塔筒上部建立參考點,并將參考點與塔筒上截面進行耦合約束,再將作用力施加在參考點上,以達到荷載施加的目的。

2 計算結果分析

2.1 靜力荷載工況分析

靜力荷載采用極限荷載工況進行分析,工況如表5所示。靜力荷載作用下的基礎環式風機基礎結構響應計算結果如表6所示,拉伸損傷云圖如圖5所示。

表5 風機運行荷載工況Table 5 Operating load of wind turbine

表6 靜力荷載下基礎混凝土承臺應力和損傷Table 6 Stress and damage of foundation concrete cap

圖5 靜力荷載作用下拉伸損傷云圖Fig.5 Diagram of tensile damage under static load

根據表6可知,在極限荷載工況下,混凝土承臺最大拉應力為2.294 MPa,大于C35混凝土最大拉應力設計值為2.2 MPa。由于結構設計原因,承臺在下法蘭受拉處會出現一定范圍的拉伸損傷,出現集中的拉伸損傷區,造成基礎環與基礎混凝土脫開,形成空腔,破壞結構形態。由圖5可知,在主風向下法蘭處,出現一處錐形損傷區域,并且損傷范圍會在下法蘭處以平面形式,向基礎中部擴展,背風向在荷載作用下產生小范圍的、主要為平面擴展的拉伸損傷區,面積約為0.3 m2,相較于主風向損傷小。損傷最大處為頂部向下1.6 m處,最大值為0.932,向上擴展0.4 m,向中部擴展1.2 m,損傷面積約為3.35 m2,此區域損傷值均大于0.85,在1.4 m深度,拉伸損傷位置近似對稱,但基礎環內測混凝土損傷程度較大,損傷值為0.6。

混凝土承臺壓縮損傷云圖如圖6所示。根據表6可知,混凝土承臺最大壓應力為17.990 MPa,小于C35混凝土壓應力最大設計值26.6 MPa。由圖可知,在靜力荷載工況作用下,混凝土承臺只在主風向基礎環下法蘭內測混凝土產生小范圍的受壓損傷,面積約為0.15 m2,且最大壓縮損傷為0.208,基礎承臺的壓縮損傷較小。

圖6 靜力荷載作用下壓縮損傷云圖Fig.6 Diagramof compression damage under static load

基礎位移云圖如圖7所示。在主風向,基礎結構在基礎環內側產生最大位移,達到0.519 mm,下法蘭處由于基礎環翼緣運動,外側混凝土產生0.1～0.3 mm的位移,且越往中部位移量逐漸減少,在背風向處,豎向產生約0.13 mm位移,最大位移發生在下法蘭翼緣外側混凝土處,達到0.213 mm。

圖7 靜力荷載作用下基礎位移云圖Fig.7 Diagramof foundation displacement under static load

鋼筋骨架Mises應力云圖如圖8所示。由圖8可知,應力最大處出現在主風向第二層穿孔鋼筋處,為204.4 MPa,未超過鋼筋屈服應力335 MPa,認為鋼筋能夠繼續承擔整體結構運行產生的應力。

圖8 靜力荷載作用下鋼筋骨架Mises應力圖Fig.8 Diagramof Mises stress of the rebar skeleton under static load

2.2 周期性荷載工況分析

由于風機上部長期受到風荷載的作用,會產生一定的周期性運動,通過施加周期性位移荷載,實現現場風機的受力特征。根據現場數據可知,塔筒頂面傾角約在0.4°以內,塔基非均勻傾角在0.02°范圍內波動,因此,在塔筒1 m處設置一個2 mm的周期位移荷載,模擬上部結構晃動,由于主要受到風荷載作用,主風向位移會大于背風向位移,因此在背風向施加的位移荷載為1 mm。周期荷載如表7所示。

表7 周期荷載Table 7 Cycle load

周期性荷載工況下的基礎環式風機基礎結構響應計算結果如表8所示,拉伸損傷云圖如圖9所示。

表8 周期荷載下基礎混凝土承臺應力和損傷Table 8 Stress and damage of foundation concrete cap

圖9 周期性荷載作用下拉伸損傷云圖Fig.9 Diagram of tensile damage under cycle load

根據表8可知,周期性荷載作用下混凝土承臺的最大拉應力為2.209 MPa,大于C35混凝土最大拉應力設計值為2.2 MPa。由圖9可知,在主風向下法蘭處,出現一處集中分布的損傷區域,損傷區域從臺柱下外側沿45 °向承臺中部擴展,在基礎環外側形成沖切損傷,基礎環內測損傷從基礎環下法蘭1.6 m處向中部擴展2.3 m,面積約為14.2 m2,且在深度1.6～2.1 m處形成L型損傷,在第一層穿孔鋼筋處形成一個長度0.3 m,面積0.9 m2的弧形損傷區域。背風向損傷深度為1.6 m,面積約為1.0 m2,相較于主風向損傷程度低。

混凝土承臺壓縮損傷云圖如圖10所示。根據表8可知,承臺最大壓應力為17.640 MPa,周期性荷載作用下的最大壓應力小于C35混凝土壓應力最大設計值,因此混凝土承臺能夠承受結構產生的壓應力。由于疲勞作用,降低混凝土強度,因此在承臺下法蘭處會產生一定的損傷,面積約為0.25 m2,最大壓縮損傷為0.315,大部分損傷為0.17,損傷程度較小。

圖10 周期性荷載作用下壓縮損傷云圖Fig.10 Diagramof compression damage under cycle load

基礎位移云圖如圖11所示。在主風向,基礎結構上部在基礎環內側產生最大位移,達到1.345 mm,下法蘭處由于基礎環翼緣運動,外側混凝土產生0.5～0.7 mm的位移,且越往中部位移量逐漸減少,在背風向處,產生約0.12 mm位移,最大位移發生在基礎上部混凝土處,達到0.350 mm。

圖11 周期性荷載作用下基礎位移云圖Fig.11 Diagram of foundation displacement undercycle load

鋼筋骨架Mises應力云圖如圖12所示。由圖12可知,應力最大為307 MPa,未超過鋼筋屈服應力335 MPa,在周期性荷載作用下,鋼筋承受應力70～150 MPa區間向中部擴展,底部鋼筋受力均勻,可認為鋼筋骨架能夠正常工作。

圖12 周期性荷載作用下鋼筋骨架Mises云圖Fig.12 Diagram of Mises cloud of rebar skeleton under cycle load

3 結論

根據內蒙古某風電場風機基礎工程概況,建立了風機基礎混凝土損傷模型,通過ABAQUS有限元軟件對比分析了靜力荷載工況與周期性荷載工況作用下,基礎環式風機基礎不同的應力應變與損傷狀況,得出以下結論。

(1)在靜力荷載作用下,基礎環式風機基礎損傷在基礎環下法蘭處,基礎環內側混凝土損傷沿水平擴展,主風向的損傷程度較大于背風向,損傷形式以拉伸損傷為主,鋼筋骨架性能基本穩定。

(2)在周期性荷載工況作用下,下法蘭處拉伸損傷區較靜力荷載下更大,損傷面積增大約3倍,壓縮損傷也更大,增大約2倍,由于承臺背風向主要受壓應力影響,背風向損傷區變化不大;基礎整體位移量增加,增大約1.6倍,且整體位移向中部發展;基礎混凝土鋼筋骨架受力增加,最大應力增加0.5倍。