平功揚(yáng)，王 敏

(中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120)

風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)對(duì)基礎(chǔ)影響的設(shè)計(jì)分析

平功揚(yáng)，王 敏

(中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120)

塔筒的荷載通過預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)傳遞給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)是相互作用的，在設(shè)計(jì)中考慮基礎(chǔ)環(huán)對(duì)基礎(chǔ)的影響分析是必要的。本篇以某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析為例通過對(duì)基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)的接觸作用模型等進(jìn)行非線性分析研究該問題。

荷載；基礎(chǔ)環(huán)；基礎(chǔ)；接觸模型。

目前，風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)的計(jì)算按照《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》(試行)FD003-2007第5.0.9款的要求，“應(yīng)對(duì)制造商提出的基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的連接設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核”。意即基礎(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)內(nèi)的深度和其它構(gòu)造應(yīng)能滿足制造商對(duì)其承載力及變形等的要求。風(fēng)機(jī)組制造商一般會(huì)提出基礎(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)內(nèi)的深度和基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的要求，而對(duì)于基礎(chǔ)環(huán)的承載力和變形一般不提出明確要求。在保證基礎(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)內(nèi)深度滿足制造商要求的同時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)的承載力是否能滿足要求，基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)是如何相互作用的、如何對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、如何保證和改善基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的連接強(qiáng)度、剛度等則需作更進(jìn)一步的詳細(xì)分析。

1 工程實(shí)例

某風(fēng)電場(chǎng)特許權(quán)項(xiàng)目，其風(fēng)機(jī)廠家按三種極限狀態(tài)提出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載，即承載能力極限狀態(tài)(ULS)、疲勞極限狀態(tài)(FLS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS)，分別見表1、表2、表3。

廠家同時(shí)給出了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參考圖。應(yīng)業(yè)主要求我們對(duì)風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)內(nèi)的深度經(jīng)協(xié)商后仍按廠家要求?；A(chǔ)底面、頂面的配筋按照規(guī)范的要求和給定的

表1 承載能力極限狀態(tài)荷載

表2 疲勞極限狀態(tài)荷載

表3 正常使用極限狀態(tài)荷載

公式進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算?；A(chǔ)環(huán)埋入基礎(chǔ)內(nèi)的部分應(yīng)力分布和變形是否滿足要求，基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)連接部位基礎(chǔ)內(nèi)的配筋如何進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算則采用了ANSYS接觸單元非線性分析的結(jié)果。

2 ANSYS模型介紹

基礎(chǔ)采用底部直徑15.6m、高3.3m的圓臺(tái)，帶基礎(chǔ)短柱，基礎(chǔ)剖面見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面圖

基礎(chǔ)ANSYS模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型網(wǎng)格圖

基礎(chǔ)單元為SOLID65,鋼筋混凝土采用整體式模型，通過參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋分布情況?；炷敛牧系谋緲?gòu)關(guān)系采用MISO模型，鋼筋采用BISO模型，均人工輸入本構(gòu)關(guān)系?；A(chǔ)環(huán)采用SHELL63模型，接觸單元采用CONTA170和CONTA174模型。

在模型對(duì)比分析中還采用了質(zhì)量單元MASS21，定義基礎(chǔ)環(huán)頂面剛域施加節(jié)點(diǎn)荷載。

3 ANSYS模型分析

基礎(chǔ)模型分析主要從三個(gè)方面的參數(shù)調(diào)整來觀察接觸面應(yīng)力的大小、變化和集中情況，并由此判斷設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的方向，從而調(diào)整設(shè)計(jì)構(gòu)造。設(shè)計(jì)可調(diào)整的也就是這兩個(gè)方面，如果風(fēng)機(jī)組生產(chǎn)廠家能夠提供更詳細(xì)的塔筒根部荷載狀態(tài)、變形情況等，讓模型更接近實(shí)際情況，那么結(jié)論就更接近實(shí)際受力狀態(tài)。

在基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)的接觸受力模型中，荷載直接加在基礎(chǔ)環(huán)頂面，基礎(chǔ)環(huán)露出基礎(chǔ)部分將荷載從基礎(chǔ)頂面開始，以擴(kuò)散狀態(tài)將力傳遞給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)環(huán)同時(shí)亦承擔(dān)部分荷載，各自分擔(dān)的荷載比例(基礎(chǔ)接觸單元的應(yīng)力)與定義的混凝土材料的BISO和MISO本構(gòu)關(guān)系成一定正比。也就是說與混凝土的彈性模量和其配置的鋼筋體積率有一定正比關(guān)系。

模型分析中用于調(diào)整接觸單元應(yīng)力的大小和應(yīng)力集中現(xiàn)象的參數(shù)有混凝土的彈性模量、混凝土與基礎(chǔ)環(huán)接觸面的摩擦系數(shù)和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋配置情況。

通過單參數(shù)的調(diào)整分析發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土材料等級(jí)的提高(彈性模量亦隨之提高)，基礎(chǔ)接觸單元應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯改善，接觸單元的應(yīng)力有下降趨勢(shì)。通過對(duì)從C20到C50七個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土基礎(chǔ)模型的接觸單元應(yīng)力分析，混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C30～C40間的分析結(jié)果比較理想。

圖3 混凝土彈性模量和接觸單元應(yīng)力對(duì)應(yīng)分析結(jié)果

摩擦系數(shù)的調(diào)整在0.3～0.6之間，因?yàn)槟Σ料禂?shù)的調(diào)整沒有太多的理論依據(jù)，通過對(duì)摩擦系數(shù)0.8的模型分析發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦系數(shù)的增大，接觸單元應(yīng)力擴(kuò)散作用明顯，據(jù)此(當(dāng)然這么做是沒有依據(jù)的)可以將其廣義理解的為基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的錨固作用力。也就是說，基礎(chǔ)環(huán)在基礎(chǔ)內(nèi)的錨固可采取多種加強(qiáng)模式。同時(shí)也是對(duì)基礎(chǔ)環(huán)自身剛度的加強(qiáng)，而基礎(chǔ)環(huán)剛度的增加能夠減小了基礎(chǔ)環(huán)在接觸分析中與基礎(chǔ)脫離的變形，增加了接觸面積，使受力傳力得到提高。

而基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋配置對(duì)接觸單元的應(yīng)力影響則相對(duì)較顯著。通過調(diào)整兩水平方向和豎直方向鋼筋的配筋率，或調(diào)整基礎(chǔ)內(nèi)的體積配筋率來觀察接觸單元的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，隨著配筋率的提高，接觸單元的應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯改善，基礎(chǔ)環(huán)的變形亦有改善。當(dāng)然基礎(chǔ)內(nèi)的配筋還要同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)和施工可行性，模型的基礎(chǔ)配筋率兩個(gè)水平方向的體積配筋率按0.012～0.022，豎直方向的體積配筋率按0.008～0.012。

4 工程實(shí)例模型計(jì)算結(jié)果

本算例中，基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)仍取0.4，兩個(gè)水平方向的體積配筋率分別為0.018，豎直方向的體積配筋率為0.010。計(jì)算結(jié)果示意見圖4。

圖4 壓力云線圖

圖5 單元X向組合壓力圖

圖6 接觸應(yīng)力圖

5 結(jié)論

基礎(chǔ)環(huán)的剛度、抗彎、抗剪等性能與基礎(chǔ)相比要小很多，因此應(yīng)盡可能多并盡可能早地把基礎(chǔ)環(huán)的荷載傳遞到基礎(chǔ)中去，充分利用基礎(chǔ)各項(xiàng)性能的潛能，同時(shí)也會(huì)更有利于基礎(chǔ)環(huán)的錨固。

從模型分析比較可以得出以下三個(gè)方面的結(jié)論：

⑴ 改善基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的連接，可以有效提高基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)的錨固，改善基礎(chǔ)應(yīng)力集中現(xiàn)象。比如采取在基礎(chǔ)環(huán)上焊接拴釘?shù)确绞郊訌?qiáng)基礎(chǔ)環(huán)在基礎(chǔ)內(nèi)的錨固。還有比如在基礎(chǔ)環(huán)上加焊環(huán)向和豎向加勁肋等。

⑵ 把基礎(chǔ)內(nèi)的水平鋼筋體積配筋率控制在一定范圍，做到既經(jīng)濟(jì)，又能達(dá)到改善基礎(chǔ)受力的水平。由于受模型數(shù)量和實(shí)際工程差異的影響，在此不能給出推薦值。

⑶ 在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)考慮采用C30～40的混凝土較有利。

限于計(jì)算模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等諸多方面的原因，本文給出的結(jié)論也僅僅是希望能拋磚引玉，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求給出一個(gè)計(jì)算方法或者計(jì)算公式才是我們的一個(gè)終極目標(biāo)。

[1]FD 003-2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S].

[2]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Design Analysis of the Effects of Foundation's Circle on Foundation in Wind Generate Electrictity Units

PING Gong-yang, WANG Min
(China Power Construction Engineering Consulting Corporation, Beijing 100120, China)

The base ring embedded in the basement passes the loads from the wind turbine tower and work with the basement, but how they interact on each other and work together, and it’s necessary to calculate the effects that the base ring acts on the basement. Study will be carried out through contacting models of the base ring and the basement by non-linear analysis in this paper.

loads; base ring; basement; contacting model.

TM614

B

1671-9913(2010)02-0073-04

2010-01-29

平功揚(yáng)(1972-)，男，工程師，從事電力土建設(shè)計(jì)工作。