吳勇，李紅有，劉金全

（龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100034）

FLAC3D用于重力式風(fēng)電機組基礎(chǔ)加固前分析

吳勇，李紅有，劉金全

（龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100034）

某臺風(fēng)電機組運行數(shù)年后預(yù)埋鋼環(huán)與基礎(chǔ)混凝土脫開，為分析基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)并為基礎(chǔ)加固提供意見，采用FLAC3D三維有限差分軟件，建立考慮混凝土基礎(chǔ)、預(yù)埋式基礎(chǔ)環(huán)、土體共同作用的整體模型。計算結(jié)果表明，基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)臺柱（以下簡稱“臺柱”）頂面接觸處、臺柱與底板交界處、基礎(chǔ)環(huán)底法蘭下延長線與底板底面交界處應(yīng)力較大；加固階段若增大臺柱半徑，臺柱與底板交界處應(yīng)力將減小，但基礎(chǔ)底板由基礎(chǔ)環(huán)沖切引起的拉應(yīng)力未減??；臺柱半徑大小不是基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)脫開的決定因素。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)；基礎(chǔ)加固；三維快速拉格朗日方法(FLAC3D)

0 引言

重力式基礎(chǔ)是最常見的陸上風(fēng)電機組基礎(chǔ)型式，上部風(fēng)電機組塔筒與鋼筋混凝土基礎(chǔ)之間大多通過預(yù)制鋼制基礎(chǔ)環(huán)連接。現(xiàn)行風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中并沒有考慮基礎(chǔ)環(huán)脫開、沖切、局部受壓作用而對基礎(chǔ)的構(gòu)造、配筋做詳細規(guī)定，需要設(shè)計者對此做專門研究[1]。越來越多的研究人員采用數(shù)值分析的方法研究這一問題，對基礎(chǔ)設(shè)計提出了一些建議。

某風(fēng)電場一臺風(fēng)電機組運行數(shù)年后，基礎(chǔ)環(huán)與風(fēng)電機組基礎(chǔ)之間產(chǎn)生一道約10mm的縫隙并伴隨風(fēng)電機組轉(zhuǎn)動“一張一合”，見圖1。風(fēng)電機組基礎(chǔ)混凝土等級C30，基礎(chǔ)底板半徑5.5m，底板厚1.1m，臺柱半徑2.11m，臺柱高0.9m，見圖2?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)外表面均勻分布共300根長15cm的Φ20光圓錨釘，底板上部位置有60根 25徑向穿孔鋼筋。

圖1 接觸面開裂

圖2 風(fēng)電機組基礎(chǔ)尺寸

1 FLAC3D的主要特點

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美國Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，是該公司旗下最知名的軟件之一[2]。作為有限差分軟件，相對其它有限元軟件，在算法上，F(xiàn)LAC3D是一個利用顯式有限差分方法對巖土工程進行分析和設(shè)計的三維連續(xù)介質(zhì)程序。FLAC3D求解中使用顯式差分方法，不形成剛度矩陣，可節(jié)約計算機存儲空間，減少運算機時，提高求解速度，便于在計算機上實現(xiàn)非線性大變形問題的求解。

2 計算模型及參數(shù)

采用FLAC3D三維有限差分軟件，建立考慮鋼筋混凝土基礎(chǔ)、基礎(chǔ)環(huán)、土體共同作用的整體模型。基礎(chǔ)與下臥土體、基礎(chǔ)與基礎(chǔ)環(huán)之間采取接觸面單元作用，基礎(chǔ)與土體之間接觸面允許脫開；基底土體為較完整風(fēng)化巖，且不是應(yīng)力分析主體，為加速收斂，不考慮塑性變形?；趯ΨQ性，取整體模型一半分析，計算模型見圖3。模型三維尺寸為20m×10m×10m，模型的邊界條件為：在對稱面上施加對稱邊界條件，豎向邊界約束水平方向位移，底面約束三個方向的位移，上表面邊界自由。

單元網(wǎng)格采用不均勻網(wǎng)格，基礎(chǔ)環(huán)及基礎(chǔ)環(huán)附近周圍網(wǎng)格較密，遠處網(wǎng)格稀疏。鋼筋混凝土基礎(chǔ)采用整體式建模，本構(gòu)模型參數(shù)見表1。鋼筋混凝土及基礎(chǔ)環(huán)的體積模量K、剪切模量G由彈性模量E、泊松比γ換算得到，E、γ參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]和FLAC3D手冊[2]；風(fēng)化巖模型參數(shù)參考相關(guān)手冊[4]和算例。

3 基礎(chǔ)頂面荷載

風(fēng)電機組廠家提供的上部風(fēng)電機組傳至塔筒底部的正常荷載和極限荷載見表2（不包含安全系數(shù)），荷載坐標系見圖4。將豎向荷載Fz和水平面合彎矩Mres乘以1.35的安全系數(shù)[1]（假設(shè)合彎矩沿X軸正方向，見圖5），再通過積分計算折算為應(yīng)力邊界條件施加在基礎(chǔ)環(huán)上法蘭頂面。

4 計算結(jié)果

計算了正常荷載和極端荷載兩種工況，基礎(chǔ)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖見圖6－圖9。令X軸正方向為右側(cè)。在左側(cè)基礎(chǔ)環(huán)與臺柱頂面接觸處、左側(cè)臺柱與底板交界處、右側(cè)基礎(chǔ)環(huán)底法蘭下延長線與底板底面交界處有較大拉應(yīng)力；在右側(cè)基礎(chǔ)環(huán)與臺柱頂面接觸處、右側(cè)臺柱與底板交界處有較大壓應(yīng)力。為便于闡述，將上述拉、壓應(yīng)力較大區(qū)域編為1－5號，見圖10。1處即為基礎(chǔ)環(huán)與混凝土基礎(chǔ)脫開處，分析基礎(chǔ)環(huán)脫開原因，即在超載情況下此處拉應(yīng)力超過錨釘錨固力。通過核算2－5處配筋，滿足應(yīng)力要求。

表1 本構(gòu)模型參數(shù)

圖3 整體有限差分模型

表2 正常荷載和極限荷載

圖4 載荷坐標系

圖5 基礎(chǔ)頂面合彎矩示意

圖6 正常荷載工況最大主應(yīng)力δmax=3.076MPa

圖7 正常荷載工況最小主應(yīng)力δmin=4.97MPa

下一步采取基礎(chǔ)臺柱加固措施，擬鑿除基礎(chǔ)環(huán)外圍臺柱后，在底板上植筋，重新澆筑外圍臺柱混凝土，新的臺柱半徑擬采用2.61m。為研究新基礎(chǔ)應(yīng)力分布情況，重新建模分析，正常荷載和極端荷載兩種工況下，基礎(chǔ)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖見圖11－圖14。

圖8 極端荷載工況最大主應(yīng)力δmax=8.195MPa

圖9 極端荷載工況最小主應(yīng)力δmin=16.104MPa

圖10 基礎(chǔ)主要拉、壓應(yīng)力區(qū)

5 結(jié)語

圖11 正常荷載工況最大主應(yīng)力δmax=3.25MPa

圖12 正常荷載工況最小主應(yīng)力δmin=4.17MPa

圖13 極端荷載工況最大主應(yīng)力δmax=9.65MPa

圖14 極端荷載工況最小主應(yīng)力δmin=11.34MPa

與原基礎(chǔ)應(yīng)力云圖對比可知，在正常荷載和極端荷載工況下，2、5區(qū)域拉、壓應(yīng)力顯著減小，3處拉應(yīng)力基本不變，1、4處拉、壓應(yīng)力反而增大?？梢娕_柱半徑增大并不能減小基礎(chǔ)底板拉應(yīng)力，僅對臺柱與底板交界處應(yīng)力有顯著改善?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)外表面分布的300根光圓錨釘相當于現(xiàn)在陸上大功率風(fēng)機基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)的“穿孔鋼筋”，起到錨固作用。因此筆者建議用帶肋鋼筋代替光圓錨釘，鋼筋型號和錨固長度參考土釘墻計算公式，鋼筋與混凝土粘結(jié)力可由現(xiàn)場試驗確定；臺柱半徑滿足鋼筋錨固長度即可[5]。

由上文分析可以得出以下結(jié)論：

（1）基礎(chǔ)環(huán)與臺柱頂面接觸處、左側(cè)臺柱與底板交界處、右側(cè)基礎(chǔ)環(huán)底法蘭下延長線與底板底面交界處有較大拉應(yīng)力，是風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計時需要特別注意的地方；

（2）基礎(chǔ)環(huán)與混凝土基礎(chǔ)脫開原因為超載情況下，局部應(yīng)力超過了基礎(chǔ)環(huán)與臺柱頂面接觸處的錨固力；

（3）增大臺柱半徑，臺柱與底板兩側(cè)交界處應(yīng)力減?。挥苫A(chǔ)底板底面的拉應(yīng)力未減?。慌_柱半徑滿足鋼筋錨固長度即可，不是基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)脫開的決定因素。

[1]水電水利規(guī)劃設(shè)計總院. 風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行） FD 003-2007 [S].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2]陳育民,徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]中國建筑科學(xué)研究院.GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[5]王學(xué)文,等. 對單墩P&H無張力新型風(fēng)電機組基礎(chǔ)的對比研究[J].風(fēng)能, 2012(1):70-72.

Analysis of Gravity Type Wind Turbine Foundation Based on FLAC3Dbefore Foundation Reinforcement

Wu Yong, Li Hongyou, Liu Jinquan
(Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering & Consulting Co., Ltd., Beijing 100034, China)

A wind turbine separated from the concrete foundation ather running for several years. In order to analyze the state of stress and give advice to foundation reinforcement, analysis of 3 Dimensions (FLAC3D) was applied to create the model consist of reinforced concrete, embedded steel ring and soil. The calculation results illustrated that the stress of the following regions are relatively large:the contact boundary of steel ring and top surface of the foundation pillar, the contact boundary of the foundation pillar and plate,the junction of the extension line of the bothom fl ange of the steel ring and the foundation plate. Increasing the pillar radius caused the decrease of stress of the contact boundary of the foundation pillar and plate, while the tensile stress of foundation plate caused by the steel punching was not decreased. The size of pillar radius is not the determinant of base ring and base o ff.

wind turbine foundation; foundation reinforcement; FLAC3D

TM614

A

1674-9219(2013)11-0108-05

2013-09-12。

吳勇（1987-），男，江蘇贛榆人，碩士，主要從事巖土工程及風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計、研究工作。