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        陸上風(fēng)機(jī)圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特性分析

        2021-11-05 15:31:08李騰飛
        上海節(jié)能 2021年10期
        關(guān)鍵詞:錨板錨栓法蘭

        李騰飛

        上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司

        0 引言

        風(fēng)能是一種清潔、安全、綠色無污染的可再生能源,近年來風(fēng)力發(fā)電得到了長足的發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特點(diǎn),隨著風(fēng)電機(jī)組荷載越來越大,環(huán)式基礎(chǔ)由于施工時(shí)易傾斜、錨固作用有限、易產(chǎn)生裂縫等缺點(diǎn),已逐漸不能適應(yīng)新型風(fēng)機(jī)受力的需要。錨栓式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由于先對錨栓進(jìn)行預(yù)張拉,使機(jī)組在運(yùn)行期間錨板始終與基礎(chǔ)呈受壓狀態(tài),受力特性明確,吸能性能更好,因此得到了較多的應(yīng)用。但是在預(yù)壓力的作用下,錨固區(qū)混凝土將承受較大的局部壓力,若設(shè)計(jì)或施工處理不當(dāng),構(gòu)件將產(chǎn)生較大的裂縫,甚至?xí)⒒炷辆植繅核閇1,2]。因此,研究風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力螺栓基礎(chǔ)的局部受力情況對風(fēng)機(jī)在服役期內(nèi)的安全與使用有著非常重要的意義。

        1 模型參數(shù)

        結(jié)合風(fēng)場的相關(guān)資料,根據(jù)制造廠提供的風(fēng)電機(jī)組荷載資料、錨籠環(huán)資料,以及工程地質(zhì)資料,對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)造要求條件下,確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型為高5.0 m的鋼筋混凝土淺埋式基礎(chǔ)。基礎(chǔ)底部為直徑20.8 m,高0.80 m的圓柱;中間為底面直徑20.8 m,頂面直徑6.6 m,高2.0 m的圓臺;上部為直徑6.6 m,高2.2 m的臺柱,基礎(chǔ)采用C40混凝土,基礎(chǔ)尺寸見圖1和表1。

        圖1 圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)簡圖

        表1 圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)幾何參數(shù)

        根據(jù)廠家提供的錨栓標(biāo)準(zhǔn)圖,塔筒下部T型法蘭外直徑D1=4 672 mm,內(nèi)直徑D2=3 850 mm,厚度t1=100 mm;上錨板外直徑D3=4 772 mm,內(nèi)直徑D4=3 750 mm,厚度t2=40 mm;錨栓數(shù)目n=192,預(yù)拉力值Pa=660 kN,錨栓直徑d1=48 mm,外圈螺栓分布直徑r1=4 437 mm,內(nèi)圈螺栓分布直徑r2=4 085 mm;下錨板外直徑D5=4 739 mm,內(nèi)直徑D6=3 783 mm,厚度t3=55 mm。

        材料參數(shù)見表2,作用于風(fēng)機(jī)塔筒底部的荷載及風(fēng)機(jī)參數(shù)見表3。

        表2 材料參數(shù)表

        表3 作用于風(fēng)機(jī)塔筒底部的荷載及風(fēng)機(jī)參數(shù)(不含安全系數(shù))

        2 有限元模型建立

        2.1 結(jié)構(gòu)模型

        運(yùn)用ANSYS有限元軟件對基礎(chǔ)模型進(jìn)行分析,模型包括塔架底法蘭、上錨板、下錨板和混凝土承臺(包括混凝土承臺主體和高強(qiáng)灌漿料)。選取整體結(jié)構(gòu)建立錨栓基礎(chǔ)的實(shí)體模型,如圖2所示。耦合筒壁上端面全部自由度并施加風(fēng)機(jī)極限載荷,混凝土的下端面部分固結(jié)。

        圖2 圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)整體圖

        極限強(qiáng)度分析關(guān)注法蘭的強(qiáng)度和應(yīng)力集中問題,因此選用solid65單元。該單元是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元,具有二次位移模式,單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y、z方向平移的自由度,可以具有任意的空間各向異性,單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力?;炷两Y(jié)構(gòu)采用solid65實(shí)體單元模擬混凝土。錨栓選用梁單元beam188。接觸對設(shè)置中,分別選用targe170模擬目標(biāo)面,選用conta174模擬接觸面[3,4]。

        2.2 接觸面設(shè)置

        錨栓組件實(shí)體模型中,接觸面分為三類:上錨板及法蘭面接觸區(qū)域;上錨板與混凝土面接觸區(qū)域;下錨板與混凝土面接觸區(qū)域,見圖3。在ANSYS中,兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間定義接觸之前首先要生成接觸單元,分析中接觸單元分別選用Contal174和Targel170,接觸剛度取默認(rèn)值1,摩擦系數(shù)取0.5。

        圖3 接觸設(shè)置

        2.3 網(wǎng)格劃分

        模型網(wǎng)格劃分的整體與局部見圖4,錨栓籠模型網(wǎng)格見圖5,錨板區(qū)域采用二次單元solid65劃分網(wǎng)格。模型總單元數(shù)共計(jì)約33萬。

        圖4 基礎(chǔ)整體模型網(wǎng)格

        圖5 錨栓籠模型網(wǎng)格

        2.4 錨栓荷載的施加

        錨栓組件受力狀態(tài)分為兩個(gè)階段,首先是錨栓預(yù)緊,全部錨栓預(yù)緊后承受上部荷載作用,其中錨栓預(yù)緊起控制作用。分析中,第一個(gè)分析步在錨栓上緩慢施加預(yù)緊力;第二個(gè)分析步將施加最大預(yù)緊力和風(fēng)機(jī)極限載荷。

        3 極限強(qiáng)度分析

        3.1 錨栓籠受力分析

        錨板實(shí)際受力為壓力Fbolt、彎矩M、剪力、重力。通過分析可知,壓力和重力為主動(dòng)力,剪力和彎矩是由預(yù)拉力和極限荷載的施加引起的被動(dòng)力。其中,極限荷載產(chǎn)生的作用力對上錨板影響較大,對下錨板受力影響較小。上下錨板受到錨栓預(yù)拉力Fbolt產(chǎn)生的荷載效應(yīng)最大。

        圖6為僅施加錨栓預(yù)緊力和施加極限載荷后法蘭錨栓群軸向應(yīng)力圖。由圖6可見,僅施加預(yù)緊力每根錨栓的應(yīng)力為475 MPa;施加極限載荷后受拉區(qū)錨栓的應(yīng)力最大,最大值為497 MPa,受壓區(qū)錨栓的應(yīng)力最小,最小值為451 MPa。內(nèi)外圈錨栓的應(yīng)力相差不大,因此內(nèi)外圈錨栓沿圓周的應(yīng)力和位移變化趨于一致。

        圖6 錨栓群軸向應(yīng)力圖

        圖7和圖8為施加風(fēng)機(jī)極限載荷前后上下錨板的Mises應(yīng)力圖。從圖中可見,錨板在錨栓孔中心圓附近應(yīng)力水平較高,上錨板應(yīng)力受風(fēng)機(jī)載荷影響變化較大,最大應(yīng)力為84.4 MPa,下錨板應(yīng)力受風(fēng)機(jī)載荷影響變化不大。下錨板整體應(yīng)力水平較上錨板高,這是因?yàn)樯襄^板通過法蘭間接承受錨栓施加的預(yù)拉力,法蘭與錨板的接觸面積較大,上錨板受力較為均勻,下錨板直接通過螺母墊片在錨板下平面施加預(yù)拉力,附近應(yīng)力水平較高,但除開孔處部分進(jìn)入塑性狀態(tài)外,下錨板整體大部分仍處于彈性受力狀態(tài),局部應(yīng)力不大于320 MPa,滿足其安全性能要求。

        圖7 上錨板應(yīng)力云圖

        圖8 下錨板應(yīng)力云圖

        圖9為施加風(fēng)機(jī)極限載荷前后法蘭的Mises應(yīng)力圖。塔架底法蘭在施加預(yù)應(yīng)力之后,錨栓孔附近壓應(yīng)力最大,最大應(yīng)力為312 MPa,內(nèi)外圈孔之間應(yīng)力分布較均勻,內(nèi)外孔向兩側(cè)應(yīng)力迅速減??;施加極端荷載后,由于荷載先由塔筒傳至法蘭中部,因此法蘭中部應(yīng)力最大。最大應(yīng)力為321 MPa,向兩側(cè)逐漸減小。

        圖9 法蘭應(yīng)力云圖

        錨栓錨板應(yīng)力分布圖均表明:在錨栓預(yù)緊力施加后和極限荷載作用后的兩種工況下,錨栓張拉力變化不大;上錨板在預(yù)拉力和極限荷載作用下受力情況良好,始終處于彈性受力狀態(tài)下;下錨板在施加彎矩作用前后受力情況變化不大,在下表面的錨栓孔附近有應(yīng)力集中,符合實(shí)際情況;兩種工況下,錨栓組合件主要在法蘭板的錨栓孔邊緣、錨板的錨栓孔邊緣等部位形成較大的應(yīng)力集中,這是由幾何構(gòu)造變化而引起,且難以避免。但是,整體而言,整個(gè)錨板的應(yīng)力基本上都小于鋼材的屈服強(qiáng)度,處在彈性受力狀況。

        3.2 混凝土承臺受力分析

        風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)頂部應(yīng)力分布云圖見圖10。由圖10可知,僅施加預(yù)緊力基礎(chǔ)頂部最大應(yīng)力為26.8 MPa,施加預(yù)緊力和極限載荷后基礎(chǔ)頂部最大應(yīng)力為41.6 MPa。在預(yù)應(yīng)力和極端荷載共同作用下,混凝土截面為全截面受壓狀態(tài),基礎(chǔ)最大應(yīng)力主要集中在高強(qiáng)灌漿料附近,模型計(jì)算值41.6 MPa大于高強(qiáng)灌漿料C80抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值35.9 MPa,高強(qiáng)灌漿和主體混凝土的局部最大壓應(yīng)力超出了混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,因此,需要在基礎(chǔ)錨栓一定寬度和深度范圍配置局部受壓鋼筋,以滿足混凝土局部受壓承載力要求[5-7]?;炷粱A(chǔ)S1應(yīng)力云圖見圖11。

        圖10 混凝土基礎(chǔ)S3應(yīng)力云圖

        圖11 混凝土基礎(chǔ)S1應(yīng)力云圖

        3.3 計(jì)算結(jié)果

        風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算應(yīng)力值見表4。

        表4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值(MPa)

        4 結(jié)論

        采用ANSYS軟件建立圓形擴(kuò)展風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)三維模型,對錨栓式基礎(chǔ)的各個(gè)部分進(jìn)行了錨栓預(yù)緊力作用和設(shè)計(jì)彎矩作用兩種工況下的有限元分析,結(jié)論如下:

        1)在極限載荷工況作用下,錨栓預(yù)緊力數(shù)值發(fā)生變化,塔筒受拉側(cè)的錨栓預(yù)緊力增大,塔筒受壓側(cè)的錨栓預(yù)緊力減小,錨栓預(yù)緊力均未超出其設(shè)計(jì)值。

        2)在錨栓預(yù)緊力和極限載荷兩種工況作用下,錨栓組合件主要在法蘭板的錨栓孔邊緣、錨板的錨栓孔等部位形成較大的應(yīng)力集中,這是由幾何構(gòu)造變化引起,也是難以完全避免的。整體而言,整個(gè)上下錨板的應(yīng)力都小于鋼材Q345的屈服強(qiáng)度,處在彈性受力狀況。

        3)在錨栓預(yù)緊力和極限載荷兩種工況作用下,下錨板受力變化不大,其應(yīng)力分布主要取決于錨栓預(yù)緊力的作用。

        4)基礎(chǔ)最大應(yīng)力主要集中在高強(qiáng)灌漿料附近,模型計(jì)算值41.6 MPa大于高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值35.9 MPa,高強(qiáng)灌漿和主體混凝土的局部最大壓應(yīng)力超出了混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,因此,同時(shí)需要在基礎(chǔ)錨栓一定寬度和深度范圍配置局部受壓鋼筋,以滿足混凝土局部受壓承載力。

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