超高海拔高性能纖維混凝土在風電基礎工程中的應用研究

摘 要：隨著對清潔、可再生能源的需求增加，風能作為一種重要的能源形式受到廣泛關注。然而，在風電基礎工程中，常規混凝土在高海拔環境下面臨著挑戰，為了解決這些問題，該文研究高性能纖維混凝土在風電基礎工程中的應用。通過數值模擬分析，研究高性能纖維混凝土風電基礎的力學性能和變形特性。研究結果表明，隨著集中荷載的增加，風電基礎的承載能力逐漸增強，但其所受到的最應力的增長幅度逐漸減?。煌瑫r，最大應力出現在圓形承臺的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應力所在區域的范圍也逐漸擴大。隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風電基礎的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。等待風電基礎達到相應的強度等級后，對其現場混凝土強度、地基承載能力等進行現場檢測，檢測結果均滿足工程規范需求。

關鍵詞：超高海拔；高性能纖維混凝土；風電基礎工程；數值模擬；工程實際應用

中圖分類號：TU528.572 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0001-04

Abstract： Due to the rising demand for clean and renewable energy， wind energy has become a prominent focus as a vital energy source. Nonetheless， the use of traditional concrete encounters obstacles in ultra-high-altitude settings within wind power engineering. To tackle these challenges， this study explores the utilization of high-performance fiber-reinforced concrete in wind power foundation engineering. The mechanical properties and deformation characteristics of wind power foundations constructed with high-performance fiber-reinforced concrete are investigated through numerical simulation analysis. The research findings reveal that as concentrated loads increase， the bearing capacity of wind power foundations gradually improves， albeit at a declining rate of maximum stress. Additionally， the maximum stress is concentrated directly beneath the circular foundation， and the area of maximum stress expands progressively with higher concentrated loads. As the applied concentrated load intensifies， the lateral and vertical displacements of wind power foundations also gradually increase. Following the attainment of the corresponding strength grade by the wind power foundation， on-site tests are performed to evaluate its concrete strength and foundation bearing capacity， which successfully fulfill the requirements stipulated by engineering specifications.

Keywords： ultra-high-altitude; high performance fiber reinforced concrete; wind power foundation engineering; numerical simulation; practical engineering application

隨著能源需求的不斷增長，同時在新時代下對環境保護要求的不同，風能受到了越來越多的關注和重視。風電基礎工程作為風能利用的核心環節之一，其穩定性和可靠性對風電場的運行和發電效率至關重要。混凝土在風電基礎工程中扮演著重要的角色，然而在高海拔環境下，常規混凝土面臨著一系列挑戰，如高風速、低溫和強輻射等。這些因素可能導致常規混凝土的強度、韌性和耐久性下降，從而影響風電基礎工程的安全和可靠性。為了解決這一問題，高性能纖維混凝土應運而生。高性能纖維混凝土通過添加纖維，顯著提高了混凝土的強度、韌性和耐久性，能夠適應風電基礎工程的極端環境要求[1-4]。

關于纖維混凝土的工程應用已有大量的工程人員開展研究并取得了不錯的成果，例如：王中荔等[5]為提高現澆高大模板混凝土施工穩定性，制備了現澆纖維混凝土，研究發現纖維上午質量分數為0.4%時混凝土的性能最強，且最大荷載和撓度也有所提高。吳海林等[6]研究了摻入鋼-玄武巖混雜纖維混凝土對水電站壓力管道外包混凝土的影響，通過試驗和數值分析，發現摻入鋼-玄武巖混雜纖維后，壓力管道結構受力均勻，裂縫數量和寬度減少，鋼襯和鋼筋應力降低。寧喜亮等[7]針對鋼筋鋼纖維自密實混凝土梁式構件瞬時彎曲撓度，提出了基于有效截面慣性矩的簡化模型，為研究鋼筋鋼纖維自密實混凝土梁式構件瞬時彎曲變形性能的影響并驗證模型準確性，進行了四點抗彎試驗。

本論文旨在對高性能纖維混凝土在風電基礎工程中的應用進行深入研究。通過分析高性能纖維混凝土的性能特點和應用優勢，探討其在風電基礎工程中的具體應用方式和效果。同時，通過數值模擬的方法，評估高性能纖維混凝土在高海拔環境下的結構性能，為風電基礎工程的設計和施工提供科學依據。本研究的結果和結論對于推動風電基礎工程的可持續發展具有重要意義。通過引入高性能纖維混凝土材料，可以提高風電基礎工程的結構安全性和可靠性，減少維護和修復成本，同時對環境造成的影響也會大大降低。希望本論文的研究成果能夠為風電基礎工程的優化設計和建設提供理論和實踐指導，促進風能產業的可持續發展。

1 工程概況

國家能源集團那曲100 MW風電項目采用型式簡單、施工難度較低的擴展基礎。風機基礎采用圓形結構，經過初步計算，擴大基礎的尺寸：底部基礎的圓形結構的直徑是D1=18.4 m，高度H1=0.8 m；頂部結構圓形結構直徑D2=7.6 m，高度H2=1.1 m；中間部分是圓臺結構，圓臺上部圓形的直徑與上部結構一樣，圓臺下部圓形的直徑與下部結構一樣（如圖1所示）。

2 數值模型與參數

本文僅對風電基礎的穩定性進行數值仿真分析，基礎與地面是剛接，因此在數值分析時其地面設置為固定約束，其余邊界則為自由界面。本文主要研究高性能纖維混凝土在工程應用中的受力及變形，因此在開展數值分析時僅考慮以素混凝土填充的方式進行建模分析，不考慮鋼筋。本文依托工程采用的是C40的高性能纖維混凝土，一般C40混凝土的強度基本在40 MPa左右，但在混凝土中加入抗裂纖維后，其強度可穩定到45 MPa以上，本文在前期開展配合比試驗后，得到了基本物理力學參數如表1所示的C40高性能纖維混凝土。

本文采用ABAQUS有限元軟件對風電基礎進行建模計算，風電基礎在實際過程中主要承受上部結構的自身重量及投入使用后的風荷載，為了分析不同工況下基礎的穩定狀態，本文提出在基礎上部圓臺區域施加4個不同的豎向集中荷載，分別為500、1 000、1 500和2 000 kN。風電基礎數值模型網格劃分的正視圖和俯視圖如圖2所示。

3 數值仿真結果分析及工程應用

3.1 風電基礎受力分析

為了研究不同狀態下風電基礎的受力情況，通過改變風電基礎所受的豎向荷載大小來進行分析。在這項研究中，我們選擇了4種不同工況下的風電基礎受力情況進行分析，4種不同工況下風電基礎在加載過程中的受力云圖如圖3所示。在這4種不同工況下，分別施加集中荷載500、1 000、1 500和2 000 kN于風電基礎中央圓形承臺區域，計算結果表明，在不同荷載條件下，風電基礎所受到的最大應力分別為10.59、11.74、12.90和14.05 MPa，其增長比例分別為9.8%、9.0%、8.2%。隨著集中荷載的增加，風電基礎所受到的最大應力也隨之增大，這意味著風電基礎的承載能力在不同集中荷載下逐漸增強，但是其所受到的最應力的增長幅度逐漸減小。同時，還觀察到最大應力所在區域為圓形承臺的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應力所在區域的范圍也逐漸擴大，這說明風電基礎的受力分布隨豎向荷載的增大呈現出向外擴張的趨勢。通過對這些計算結果的分析，本文所擬計算工況條件下，風電基礎所受到的極限應力均遠遠小于C40高性能纖維混凝土的抗壓強度。這意味著采用C40高性能纖維混凝土作為風電基礎的建設材料完全滿足工程建設需求。這項研究結果為風電基礎的設計和施工提供了有力的支持，保證了風電系統在不同工況下的穩定運行。通過對不同集中荷載下風電基礎的受力情況進行分析，得出了風電基礎在不同狀態下的受力特點，這對于風電基礎工程的穩定性和可靠性具有重要意義。

3.2 風電基礎位移分析

4種不同工況下風電基礎在加載過程中的位移云圖如圖4所示。通過計算結果可以得知，在這4種不同工況下，風電基礎所受到的最大橫向位移分別為1.957、2.281、2.444和2.606 mm，其增長比例分別為14.2%、6.7%、6.6%；風電基礎所受到的最大豎向位移分別為5.237、7.470、8.574和9.677 mm，其增長比例分別為29.9%、12.9%、11.4%。值得注意的是，隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風電基礎的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。然而，可以觀察到其增長比例卻呈現逐漸降低的變化趨勢。這意味著隨著荷載的增加，風電基礎的位移增長速率減緩，即其對荷載的響應逐漸減弱。產生這一現象的原因可能是混凝土材料的變形能力和彈性限度是有一定限值的，當荷載施加到一定程度時，混凝土的變形將會逐漸逼近該材料的變形極限，這將導致位移增長比例會出現逐漸減小的趨勢。此外，混凝土材料自身的屬性和應力-應變關系也會對位移增長比例產生影響，同時在開展數值仿真計算過程中，在圓形承臺區域施加集中荷載時是逐級加載的，其自身可能存在一些非線性因素，如基礎的接觸界面摩擦、材料的非線性應力-應變關系等均可能導致位移增長比例的降低。但是從計算結果來看，不同加載條件下C40高性能纖維混凝土的最大變形量仍然是較小的。同時在實際施工過程中還會在混凝土中增加相應的配筋，將大大提高風電基礎整體的承載性能和增加基礎的變形韌性。

3.3 工程應用

現場風電基礎的基礎型式為圓形重力式擴展基礎，基礎坐落在塊石、強風化基巖層，基礎主體采用C40高性能纖維混凝土澆筑，墊層采用二級配C20混凝土填充；鋼筋采用HPB300和HRB400，鋼筋網焊接應符合相關的規定；型鋼采用Q235-C級鋼板。施工完成后，按照相關的鋼筋混凝土結構養護要求對其進行養護，風電基礎現場施工如圖5—圖7所示。等待風電基礎達到相應的強度等級后，對其現場混凝土強度、地基承載能力等進行現場檢測，檢測結果均滿足工程規范需求。

4 結論

1）隨著集中荷載的增加，風電基礎所受到的最大應力也隨之增大，風電基礎的承載能力逐漸增強，但是其所受到的最應力的增長幅度逐漸減小。同時，最大應力所在區域為圓形承臺的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應力所在區域的范圍也逐漸擴大，隨豎向荷載的增大呈現出向外擴張的趨勢。本文所擬計算工況條件下，風電基礎所受到的極限應力均遠遠小于C40高性能纖維混凝土的抗壓強度。

2）隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風電基礎的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。然而，其增長比例卻呈現逐漸降低的變化趨勢，風電基礎的位移增長速率減緩，即其對荷載的響應逐漸減弱。

3）針對C40高性能纖維混凝土在超高海拔地區進行工程實際應用后，對其現場混凝土強度、地基承載能力等進行現場檢測，檢測結果均滿足工程規范需求。

參考文獻：

[1] 陳全杰，劉善通，王怡潔，等.玄武巖-聚丙烯纖維混雜混凝土與變形鋼筋粘結性能研究[J].建筑結構，2023，53（S2）：1311-1318.

[2] 姚新鵬，劉志強，阮紹康，等.全截面混凝土路面施工用鋼纖維混凝土（C60）研究[J].建筑安全，2023，38（12）：96-100.

[3] 王朝熠，羅偉峰，陳信朋，等.鋼-聚丙烯混雜纖維對路橋混凝土結構抗滲及耐久性能的影響[J].西部交通科技，2023（11）：39-41.

[4] 林華明.超高韌性纖維混凝土配合比設計及力學性能研究[J].中國建筑金屬結構，2023，22（10）：96-98.

[5] 王中荔，唐優秀.基于施工穩定性的現澆高大模板混凝土改性制備與性能研究[J].粘接，2023，50（12）：154-157.

[6] 吳海林，陳剛，劉杰，等.鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道有限元分析[J].三峽大學學報（自然科學版），2024，46（1）：7-13.

[7] 寧喜亮，李劍峰，李媛媛，等.鋼筋鋼纖維自密實混凝土梁彎曲性能及變形預測[J].結構工程師，2023，39（6）：125-134.

基金項目：西藏自治區自然科學基金青年項目（XZ202401ZR0139）

第一作者簡介：旦增頓珠（1991-），男，助理工程師。研究方向為工程管理。