韓瑩 李繼祥 王東元

【摘要】文章比較了國內(nèi)外規(guī)范中風(fēng)電重力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度的簡化計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，利用規(guī)范近似法和Plaxis3D有限元軟件計(jì)算了基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度并進(jìn)行了比較，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析研究。結(jié)論表明：中外規(guī)范中基礎(chǔ)置于基巖巖頂工況同有限元計(jì)算結(jié)果非常接近，對(duì)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度，規(guī)范法計(jì)算結(jié)果均小于有限元計(jì)算結(jié)果，但對(duì)靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度，規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果卻偏大;在地基土質(zhì)剛度較大時(shí)，歸一化計(jì)算剛度和歸一化剪切波/小應(yīng)變剪切模量呈現(xiàn)近似線性對(duì)應(yīng)關(guān)系;在地基土質(zhì)變軟情況下，歸一化計(jì)算剛度的變化趨于平緩。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電基礎(chǔ); 旋轉(zhuǎn)剛度; 剪切模量; 小應(yīng)變硬化模型

【中國分類號(hào)】TU470【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

我國陸地、近海可利用的風(fēng)力資源均達(dá)世界前列，但對(duì)風(fēng)電的規(guī)模利用起步較晚，對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)一般是根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力條件、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件、可行性等多方面因素進(jìn)行比選才能最終確定基礎(chǔ)形式[1]。為有統(tǒng)一參考，減少技術(shù)分歧，彌補(bǔ)有關(guān)空白，2008年水利水電規(guī)劃研究總院頒布FD003-2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》[2]，結(jié)束了直接引用國外設(shè)計(jì)圖集、在項(xiàng)目具體實(shí)施中反復(fù)修改的現(xiàn)象。之后有關(guān)人士進(jìn)行了相關(guān)工作，龐作會(huì)等[3]根據(jù)指出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需要進(jìn)行基礎(chǔ)底面脫開地基面積驗(yàn)算、基礎(chǔ)鋼筋和混凝土的抗疲勞驗(yàn)算以及基礎(chǔ)動(dòng)剛度驗(yàn)算;章子華等[4]提出基礎(chǔ)變形和抗傾覆能力是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo);許新勇等[5]基于ANSYS平臺(tái)考慮接觸非線性探討了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力特性。2016年，國家能源局頒布了水利水電規(guī)劃研究總院主編的《陸上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見稿）[6]，更進(jìn)一步地推動(dòng)了我國風(fēng)機(jī)機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。

盡管如此，還是存在國內(nèi)外規(guī)范不統(tǒng)一、設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求理解不深刻不全面的現(xiàn)象。針對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的具體要求還停留在傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程層面，而結(jié)合風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力循環(huán)荷載及彎矩較大等鮮明特征下的特殊要求比如旋轉(zhuǎn)剛度，國內(nèi)卻鮮有研究報(bào)道。本文比較了國內(nèi)外規(guī)范風(fēng)電重力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度簡化計(jì)算以及有限元計(jì)算方法，對(duì)利用簡化計(jì)算模型和利用Plaxis 3D有限元分析模型計(jì)算的旋轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了比較，對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析研究。

1 陸地風(fēng)電重力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算模型

風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)力轉(zhuǎn)為電能的一種設(shè)施，整個(gè)系統(tǒng)包括葉片、風(fēng)機(jī)、塔架到基礎(chǔ)，其受力如圖1所示。風(fēng)機(jī)不同工作狀態(tài)下受力區(qū)別明顯，國際電工委員會(huì)IEC [7]根據(jù)風(fēng)機(jī)的工作狀況劃分設(shè)計(jì)荷載工況，如正常生產(chǎn)、正常生產(chǎn)但有局部問題、啟動(dòng)、關(guān)機(jī)等。風(fēng)機(jī)制造商根據(jù)IEC有關(guān)規(guī)定，會(huì)在其技術(shù)文件中提供有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載和技術(shù)要求，見表1。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受的彎矩荷載非常大，擴(kuò)展基礎(chǔ)要用混凝土和基礎(chǔ)上部回填土的重量抵抗風(fēng)力荷載的傾覆彎矩，因此這類基礎(chǔ)也稱為重力基礎(chǔ)。重力基礎(chǔ)不僅要滿足傳統(tǒng)基礎(chǔ)工程分析設(shè)計(jì)的各種要求，且限制基礎(chǔ)底部壓力為零區(qū)域面積，并對(duì)旋轉(zhuǎn)剛度要求較高。

動(dòng)力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)存在兩類建模方法，一是質(zhì)量-阻尼-彈性理論體系，另外一種是彈性半空間體系[8]，具體計(jì)算基本上分為兩大類，規(guī)范近似法和數(shù)值分析法[9]，其中國內(nèi)規(guī)范NB/T 10311-2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定擴(kuò)展基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的地基動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算公式為：

式中：Kφ，dyn為動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad;v為土壤泊松比;Es，dyn為土壤動(dòng)態(tài)壓縮模量，MPa;R為基礎(chǔ)地面半徑，m。

該公式無附圖，土壤靜態(tài)壓縮模量沒有定義，本文建議參考圖2，R、Es，dyn取值參見IEC規(guī)范，挪威船級(jí)社規(guī)范DNV Riso 2002[10]規(guī)定，嵌入基巖上的地層中圓形地基旋轉(zhuǎn)剛度：

參見圖2，為方便比較，對(duì)公式格式進(jìn)行了修改。該規(guī)范沒有指出G的取值深度范圍，一般取基礎(chǔ)底面下有效影響范圍內(nèi)土體的平均G值，動(dòng)、靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度則按G0是否退化決定，見IEC。

式中：KR，dyn為傾覆力矩作用下動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度;KR，stat為傾覆力矩作用下靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度;G0為小應(yīng)變剪切模量，MPa;G為剪切模量從G0減小到對(duì)應(yīng)非零應(yīng)變時(shí)的剪切模量，MPa;R為與地基接觸的有效基礎(chǔ)半徑（如果在荷載下有間隙則取荷載方向接觸寬度的一半），m。

該公式中動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度采用S3荷載（正常工作狀態(tài)），靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度采用S1荷載（正常極端狀態(tài)特征值）進(jìn)行復(fù)核。動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度采用G0，靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度要考慮G0退化， 取Gr=0.1% 進(jìn)行計(jì)算。如果有效R有減小，應(yīng)采用縮減后的有效R計(jì)算。

針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的有限元方法通用表達(dá)式見公式（7）：

式中：H為基礎(chǔ)所受水平外力，kN;M為基礎(chǔ)所受彎矩，kN·m;δ為基礎(chǔ)位移，m;θ為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)角度;KL為水平位移剛度;KR為旋轉(zhuǎn)位移剛度;KLR為耦合剛度。

剛度矩陣和巖土介質(zhì)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)，通常結(jié)構(gòu)有限元軟件采用質(zhì)量-阻尼-彈性理論體系，巖土介質(zhì)模型化為彈簧支承，巖土有限元軟件則采用彈性半空間體系，巖土介質(zhì)和混凝土結(jié)構(gòu)均用單元鏈接，應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系取決于巖土介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系。有限元分析輸出結(jié)果中包含了基礎(chǔ)水平位移和旋轉(zhuǎn)角度δθ，因此基礎(chǔ)的水平位移剛度和旋轉(zhuǎn)剛度可根據(jù)定義分別用式8、式9計(jì)算獲得：

2 旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算及分析

某風(fēng)電項(xiàng)目擬安裝共137組風(fēng)機(jī)，其中某風(fēng)機(jī)機(jī)組的荷載見表1。對(duì)每機(jī)組位置進(jìn)行了靜力觸探測(cè)試，同時(shí)整個(gè)地勘包括了一定比例的標(biāo)準(zhǔn)貫入孔，多道瞬態(tài)面波物探試驗(yàn)，室內(nèi)土工試驗(yàn)等等。場(chǎng)地以可塑到高塑黏土為主，塑性指數(shù)可高達(dá)50，對(duì)比地勘資料發(fā)現(xiàn)最弱地層發(fā)生在某孔，其靜力觸探地勘資料見圖3，觀測(cè)孔隙水位為地下-2.13 m。根據(jù)2.74 m和3.66 m處的土樣，含水量約為25 %，液限為 68，塑性指數(shù)PI=52，土樣干容重15.07 kN/m3，有側(cè)限（82.74 kPa）的抗壓強(qiáng)度qu=145.57 kPa。

根據(jù)上述資料，巖土勘察提供的基本巖土數(shù)據(jù)見表2，基礎(chǔ)確定采用重力基礎(chǔ)，該機(jī)組重力基礎(chǔ)嵌入深度2.8 m，高出地表0.15 m，基座直徑5.49 m，基座高度1.07 m，基礎(chǔ)底座直徑（圓形底部）18.75 m，基礎(chǔ)頂平直徑（圓形）8.53 m，基礎(chǔ)邊緣厚度0.3 m，根據(jù)上述信息，基于三種規(guī)范的該基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算比較見表3。

為進(jìn)行有關(guān)比較，利用Plaxis 3D對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析，土的本構(gòu)模型采用了小應(yīng)變下軟土硬化HSS模型，混凝土采用線彈性模型。土體采用立方體，從基礎(chǔ)中心橫向各延長三倍的基礎(chǔ)直徑因此邊長達(dá)120 m，豎向采用60 m，見圖4。

土體和基礎(chǔ)均采用三維單元，精細(xì)尺寸，并全部互相鏈

（2）基礎(chǔ)與地基沒有脫開，有效半徑均為基礎(chǔ)底座半徑;

（3）底層土剪切模量較大，故近似將最后兩層土看作基巖。

接，該尺寸能有效降低土體的邊界效應(yīng)?；自O(shè)交互界面，并采用Rint=0.7。根據(jù)上述地勘報(bào)告內(nèi)容，將土體從上到下按土的種類和軟硬程度分成八層，具體巖土指標(biāo)見前表。通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果獲得的參數(shù)包括不排水抗剪強(qiáng)度Su、ERef50、ERefOed和ERefur，這些參數(shù)可進(jìn)一步用來校核沒有室內(nèi)試驗(yàn)

結(jié)果僅靠原位測(cè)試獲得的參數(shù)。在校核中，注意試驗(yàn)土樣的位置，通過調(diào)整E0/ERefur的比值，使得同一位置的基于原位測(cè)試數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)和室內(nèi)試驗(yàn)獲得參數(shù)相同，通過ERefoed校核E0/ERefur的比值為5.95，將該值應(yīng)用到所有土層，即可獲得各土層的模型剛度參數(shù)，研究有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)E0/ERefur比值的敏感性，計(jì)算結(jié)果見表4，有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)Vs 和G0的敏感性見圖5。

3 結(jié) 論

本文通過比較中國規(guī)范和國際規(guī)范對(duì)風(fēng)電重力基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度的異同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）國內(nèi)規(guī)范，IEC 以及DNV規(guī)范中基礎(chǔ)置于巖頂?shù)挠?jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果非常接近，但國內(nèi)規(guī)范沒有考慮靜態(tài)剛度計(jì)算。

（2）DNV規(guī)范中考慮基礎(chǔ)嵌入情況下嵌入深度對(duì)基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)剛度的影響較大，后面的修正項(xiàng)幾乎使得計(jì)算結(jié)果加倍。不考慮后面的修正項(xiàng)，和置于巖頂基礎(chǔ)剛度接近。

（3）規(guī)范近似法動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算均小于有限元?jiǎng)討B(tài)旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果，比值在0.85～0.90之間，但用近似計(jì)算法計(jì)算的靜態(tài)剛度則比有限元計(jì)算結(jié)果較大，比值在1.3～1.4之間。

（4）通過對(duì)有限元土體硬化小應(yīng)變模型參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)重力基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)剛度對(duì)HSS模型的剛度參數(shù)不敏感，對(duì)剪切波、剪切模量以及相關(guān)的彈性模量敏感，圖5同時(shí)顯示，歸一化動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度和歸一化剪切波速/小應(yīng)變下剪切模量呈現(xiàn)線性相關(guān)，歸一動(dòng)態(tài)剪應(yīng)變則表現(xiàn)為二次多項(xiàng)式相關(guān);靜態(tài)旋轉(zhuǎn)剛度和歸一化剪切波速/小應(yīng)變下剪切模量呈現(xiàn)多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)鼗^硬時(shí)，近似線性相關(guān)，較軟時(shí)則變化趨于平緩。

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