張立英，郝華庚，何延福，王海軍，王獻文，曾 聰

(1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華能隴東能源有限責(zé)任公司，甘肅 慶陽 745000；3.天津大學(xué)水利工程智能建設(shè)與運維全國重點實驗室，天津 300350；4.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；5.華能吉林發(fā)電有限公司，吉林 長春 130012；6.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來，隨著對可再生能源需求的增加和環(huán)境保護意識的提高，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速[1]。風(fēng)能作為一種可再生能源，被廣泛應(yīng)用且是未來能源發(fā)展的重要方向之一[2-3]。通過風(fēng)力發(fā)電可以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，且設(shè)備在運行過程中對環(huán)境的影響較小[4]。相較于海上風(fēng)電，陸上風(fēng)電的建設(shè)成本較低，投資回報周期較短，使得陸上風(fēng)電成為可再生能源領(lǐng)域的熱門選擇[4]。

目前陸上風(fēng)電基礎(chǔ)形式包括重力式擴展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)等[5]。其中，梁板基礎(chǔ)具有經(jīng)濟性好、結(jié)構(gòu)簡單和易于維護等優(yōu)點，但存在配筋復(fù)雜，模板支撐難度大以及施工周期長等問題[5-6]。為充分發(fā)揮梁板式基礎(chǔ)的優(yōu)勢，并解決限制其推廣應(yīng)用中面臨的技術(shù)問題，諸多學(xué)者參考裝配式建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的特點，開展了各類型裝配式梁板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究[7-10]。郝華庚等[11]提出了一種預(yù)制裝配式風(fēng)電梁板基礎(chǔ)，為加強裝配式基礎(chǔ)臺柱間的連接，基礎(chǔ)臺柱間設(shè)有剪力鍵，用以強固連接，進而提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在鋼混結(jié)構(gòu)中，剪力鍵是一種用于傳遞剪切力的連接裝置[12-13]，承擔(dān)著傳遞水平力和剪力的重要作用通常用于連接混凝土構(gòu)件的水平面，如梁與柱、梁與梁等[14-15]。

本文以新型預(yù)制裝配式梁板基礎(chǔ)為研究對象，采用理論分析和數(shù)值模擬，對該基礎(chǔ)臺柱剪力鍵部分受力特性進行了研究。

1 臺柱剪力鍵介紹

結(jié)合既有裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特點，并綜合考慮運輸施工的便捷性，郝華庚等[11]提出了新型陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式單塊雙肋板梁板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。每塊預(yù)制基礎(chǔ)體積為22.55 m3(約56.375 t)，單臺基礎(chǔ)C40混凝土用量約360.84 m3(約902.1 t)，鋼筋用量約45.28 t；同機位擴展基礎(chǔ)C40混凝土用量515.47 m3，鋼筋用量52.46 t。兩者相比，新型陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式單塊雙肋板梁板基礎(chǔ)混凝土用量減少了30.00%，鋼筋用量減少了34.69%。同時，混凝土預(yù)制件采用工場批量化室內(nèi)預(yù)制，可較大幅度地降低造價、保證質(zhì)量并提高效率。單臺基礎(chǔ)由16塊扇形雙肋板預(yù)制塊體組成，臺柱中部設(shè)有環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，臺柱間設(shè)有剪力鍵，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

為防止基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在剪切力作用下發(fā)生滑動或分離，同時增加連接件的整體強度和穩(wěn)定性、增加結(jié)構(gòu)的抗剪能力，在臺柱間設(shè)置有剪力鍵，剪力鍵布置如圖2所示。

圖2 剪力鍵布置

在實際施工過程中，剪力鍵通過在基礎(chǔ)臺柱之間進行灌漿來實現(xiàn)，即首先需要在臺柱之間預(yù)留有一定寬度和深度的縫隙，后將風(fēng)電高強灌漿材料注入縫隙中。施工過程中需要注意灌漿材料的選擇和灌漿質(zhì)量的控制，以確保剪力鍵的有效性和可靠性。在灌漿過程中，需要確保灌漿材料充分填充縫隙，使其與臺柱之間形成緊密的粘結(jié)。為了保證灌漿的質(zhì)量，需采用振動棒或其他工具來排除空氣和雜質(zhì)，以確保灌漿材料的均勻性和密實性。

2 理論計算

為明確基礎(chǔ)臺柱剪力鍵抗剪承載力是否滿足要求，通過美國AASHTO規(guī)范[16-17]、Rombach論文中的建議公式[18]以及修正后AASHTO規(guī)范建議公式[19]3種計算方式進行理論計算。剪力鍵尺寸如圖3所示。

圖3 剪力鍵尺寸(單位：mm)

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》7.3.5可知[20]，在計算圓形、環(huán)形基礎(chǔ)底板強度時，取基礎(chǔ)外懸中點處的基底最大壓力p作為基底均布荷載，即

(1)

式中，N為作用效應(yīng)基本組合上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的軸力設(shè)計值(不包括基礎(chǔ)底板自重及基礎(chǔ)底板上的土重)，kN；M為作用效應(yīng)基本組合上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的力矩設(shè)計值，kN·m；A為基礎(chǔ)底板的面積，m2；I為基礎(chǔ)地板的慣性矩，m4；R為基礎(chǔ)底板半徑，m；r為環(huán)形臺柱半徑，m。

由公式(1)求得基礎(chǔ)底部均布應(yīng)力為94.36 kPa，由于單塊預(yù)制基礎(chǔ)底面積為19.26 m2，則單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力為1 817.48 kN，單塊單側(cè)剪力為908.74 kN。

2.1 計算方式一

根據(jù)美國AASHTO規(guī)范[16-17]，接縫面的抗剪承載力包括剪力鍵提供的抗剪貢獻以及接觸部分的混凝土提供的摩擦貢獻2部分?？辜舫休d力計算公式為

(2)

式中，Ak為剪力鍵根部面積；Asm為接觸部分的混凝土面積；fck為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度；σn為接縫面平均壓應(yīng)力水平。

由式(2)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為965.60 kN，預(yù)制塊單側(cè)布置6個剪力鍵，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力為5 793.6 kN。

V設(shè)計=1.1×908.74=999.61 kN<5 793.6 kN，基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計值小于式(2)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

2.2 計算方式二

根據(jù)Rombach論文中的建議公式[18]可得

Vu=0.14Akfc+0.65Ajointσn

(3)

式中，Vu為抗剪承載力；Ajoint為截面總面積，Ajoint=Ak+Asm；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。

由式(3)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為555.5 kN，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力為3 333.2 kN。V設(shè)計=1.1×908.74=999.61 kN<3 333.2 kN，說明基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計值小于式(3)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

2.3 計算方式三

沿用美國AASHTO規(guī)范建議公式并進行修正[19]，考慮剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù)修正后的抗剪承載力計算表達式為

(4)

式中，k值反應(yīng)了剪力鍵中剪應(yīng)力的峰值效應(yīng)，參考相關(guān)論文及計算，本次計算取k=1.06。

由公式(4)求得單個剪力鍵的抗剪承載力為915.3 kN，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力5 491.8 kN。V設(shè)計=1.1×908.74=999.61 kN<5 491.8 kN，說明基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計值小于公式(4)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

通過上述3種剪力鍵理論計算方法可知，剪力鍵所承受的內(nèi)力均小于其抗剪承載力，因此剪力鍵不會發(fā)生破壞或變形，陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺柱剪力鍵的抗剪承載力滿足要求。

3 三維數(shù)值仿真模擬

采用ABAQUS有限元軟件，建立基礎(chǔ)-臺柱剪力鍵灌漿-土體的原型有限元模型，有限元模型如圖4所示?；A(chǔ)及臺柱剪力鍵灌漿部分均采用3D實體單元(C3D8R)模擬，基礎(chǔ)材料為C40混凝土，臺柱剪力鍵灌漿部分材質(zhì)為風(fēng)電高強C110混凝土?；A(chǔ)底部土體采用彈性地基進行模擬，土體底部采用全約束，土體側(cè)向采用反對稱邊界條件。

圖4 剪力鍵有限元示意

在實際施工過程中，需對臺柱部分進行灌漿處理，即剪力鍵及基礎(chǔ)臺柱中間的縫隙部分均為高強混凝土。在數(shù)值模擬中，臺柱剪力鍵灌漿部分與臺柱之間采用綁定接觸進行模擬。基礎(chǔ)上覆土重力為18 352.69 kN，在基礎(chǔ)法蘭頂部耦合一個加載點以施加風(fēng)機荷載，所施加荷載分別為：水平荷載626.979 kN；豎向荷載4 035 kN；彎矩荷載63 142.9 kN·m。

3.1 基礎(chǔ)應(yīng)力及臺柱剪力鍵部分位移云圖

基礎(chǔ)及臺柱剪力鍵灌漿部分的混凝土拉、壓應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)及臺柱剪力鍵灌漿部分的混凝土有限元計算結(jié)果

基礎(chǔ)材質(zhì)為C40混凝土，臺柱剪力鍵灌漿部分材質(zhì)為C110風(fēng)電高強灌漿料。由圖5可知：該工況下基礎(chǔ)最大拉應(yīng)力為2.36 MPa，小于C40混凝土ftk=2.39 MPa；基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力為14.20 MPa，小于C40混凝土fck=26.8 MPa，基礎(chǔ)強度滿足要求。該工況下臺柱剪力鍵灌漿部分最大拉應(yīng)力為3.07 MPa；剪力鍵灌漿部分最大壓應(yīng)力為15.67 MPa，由于C110灌漿料一天強度可達30～50 MPa以上，故臺柱剪力鍵灌漿部分的強度滿足要求。

3.2 基礎(chǔ)及剪力鍵灌漿部分剪力結(jié)果

提取主風(fēng)向所對的單塊預(yù)制基礎(chǔ)的有限元計算結(jié)果，其剪力有限元計算結(jié)果如圖6所示，單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力為1 645.0 kN。

圖6 單塊基礎(chǔ)單側(cè)剪力有限元計算結(jié)果

提取主風(fēng)向所對的單塊預(yù)制基礎(chǔ)兩側(cè)臺柱剪力鍵灌漿的有限元計算結(jié)果，如圖7所示。臺柱上部剪力鍵的剪力值大于下部剪力鍵，是由于荷載及支撐條件的不同所導(dǎo)致的。由上至下6層剪力鍵剪力值分別為583.5、576.0、559.6、470.3、456.0、450.9 kN，單個剪力鍵剪力有限元結(jié)果平均值為516.07 kN。

圖7 臺柱剪力鍵灌漿部分剪力有限元計算結(jié)果

3.3 理論計算與有限元結(jié)果對比

單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力及單個剪力鍵的剪力理論理論計算值以及有限元計算結(jié)果見表1。

表1 理論計算與有限元分析結(jié)果對比 kN

由表1可知，單塊預(yù)制基礎(chǔ)及單個剪力鍵的剪力有限元結(jié)果均小于理論計算結(jié)果，均在合理范圍之內(nèi)，滿足強度要求。單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力結(jié)果誤差為9.51%；基于3種理論計算方法的單個剪力鍵的剪力值相較于有限元結(jié)果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲備，平均具有1.32倍的安全儲備，平均具有1.32倍的安全儲備。

4 結(jié) 論

本文通過理論計算及有限元分析明晰了陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺柱剪力鍵部分的受力特性，得出主要結(jié)論如下：

(1)通過美國AASHTO規(guī)范、Rombach論文中的建議公式以及修正后AASHTO規(guī)范建議公式3種方式進行理論計算可知，陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺柱剪力鍵受力滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

(2)通過數(shù)值模擬可知，基礎(chǔ)及臺柱剪力鍵的受力均滿足強度要求。

(3)單塊預(yù)制基礎(chǔ)及單個剪力鍵的剪力有限元結(jié)果均小于理論計算結(jié)果。單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力結(jié)果誤差為9.51%；基于3種理論計算方法的單個剪力鍵的剪力值相較于有限元結(jié)果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲備。