摘 要：以節(jié)約耗材、施工快速、質量可控等為目標，結合陸上風電梁板式基礎結構特點，提出一種新型單塊雙肋梁裝配式基礎。目前對裝配式梁板基礎結構受力特性的研究較少，該文通過建立基礎整體有限元模型及開展室內(nèi)模型試驗，研究預制裝配式梁板基礎受[V]（豎向荷載）-[H]（水平荷載）-[M]（彎矩荷載）復合荷載下的結構受力特性，并重點分析基礎肋梁、底板、臺柱等的承載及破壞模式。研究表明，新型單塊雙肋梁裝配式基礎結構具有良好的承載及結構力學性能，安全儲備可達設計值的1.44倍；基礎整體穩(wěn)定性良好，各項指標滿足現(xiàn)有規(guī)范設計要求；同時，臺柱-肋梁交接處為此類型基礎結構承載及荷載傳遞的關鍵部位，設計及施工時應重點關注。

關鍵詞：預制結構；陸上風電；模型試驗；復合加載；數(shù)值模擬；受力特性

中圖分類號：TK81" " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

陸上風電預制裝配式梁板基礎是一種新型的結構形式。該基礎結構由臺柱、底板、肋梁和混凝土蓋板等組成。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆基礎，裝配式梁板基礎具有適應性強、施工快速、環(huán)保節(jié)能和質量可控等諸多優(yōu)勢。近年來，中國風電行業(yè)蓬勃發(fā)展，預制裝配式梁板基礎憑借其獨特的結構優(yōu)勢，正展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?］。目前，對于陸上風電基礎的受力特性研究方法主要分為數(shù)值模擬、模型試驗、理論分析、現(xiàn)場試驗等［2-5］。宋歡等［6］、Motallebiyan等［7］分別采用有限元軟件對錨栓式基礎及重力式基礎進行了受力分析。天津大學丁紅巖等［8-10］通過采用有限元及縮尺模型試驗的方式，對兩種新型陸上風電基礎結構進行了研究及驗證。木林隆等［11-12］通過大型室內(nèi)模型試驗對梁板基礎的受力變形特性進行研究，分析了豎向荷載作用下梁板式風力機基礎內(nèi)梁、樁、土體等的受力機制及特性。李婉等［13］通過室內(nèi)模型試驗方法，研究了梁板式樁筏基礎在不同筏板剛度情況下的受力變形特性，同時討論了樁土荷載分擔比的關系。同濟大學黃冬平等［14］提出一種新型全裝配式梁板基礎結構（圖1a），其中臺柱及底板最外側采用環(huán)向預應力鋼絞線進行連接，且底板間不再設置更多的剛性連接措施。德國Anker Foundations團隊［15］也提出類似的全裝配式梁板式基礎結構（圖1b），其臺柱采用錯交的預制塊及錨栓連接成整體，底板間留有較大的間隙，不設置鋼絞線及剛性連接措施，只在頂部間隔設置未連接的蓋板。本研究在借鑒上述思路的基礎上，提出單塊雙肋梁裝配式基礎結構（圖1c），其中臺柱部分采用剪力鍵及環(huán)向鋼絞線連接，底板間留有豎向間隙，無剛性連接。

為確保此單塊雙肋梁裝配式風電基礎結構在實際運行中的安全性，本文即以此為研究對象，借助有限元及模型實驗的方式，探究單塊雙肋梁裝配式風電基礎結構在[V]（豎向荷載）-[H]（水平荷載）-[M]（彎矩荷載）復合荷載下的結構受力特性。

1 有限元模型

為克服現(xiàn)澆基礎的施工復雜和工程量大等問題，同時結合預制單肋梁裝配式基礎的結構形式，提出一種預制單塊雙肋梁裝配式基礎結構。如圖1c所示，該新型基礎由16塊扇形雙肋梁結構組成，單塊基礎由臺柱、雙肋梁和底板組成。在完成基礎的拼裝后，還需對基礎進行環(huán)向連接，具體操作包括兩個方面：一方面，在相鄰的基礎臺柱側面灌入C80高強灌漿料，繼而形成臺柱間的剪力鍵；另一方面，在臺柱的外側，通過對3層預應力鋼絞線進行環(huán)向張拉，實現(xiàn)對臺柱的環(huán)箍作用。

參照同濟大學馬人樂團隊［14］及天津大學丁紅巖團隊［16］有限元建模分析方法，采用ABAQUS軟件建立包括土體在內(nèi)的基礎-土體-鋼筋的裝配式梁板基礎結構整體有限元模型，對該基礎結構進行受力計算分析。整體模型中，土體材料采用摩爾-庫倫本構模型，預制裝配式梁板基礎臺柱與臺柱間采用綁定接觸；由于基礎底板側面間留有一定的豎向間隙，因此兩者不設置接觸；基礎底板底部與地基土體/承臺（處理后的地基）間施加面與面庫倫接觸約束。所謂面與面庫倫接觸，即法向傳遞壓力，切向傳遞摩擦力，并選取“硬”接觸，允許脫離狀態(tài)［14］；混凝土與土體/承臺（處理后的地基）之間的摩擦系數(shù)取0.35，有限元模型如圖2所示。

如圖3所示，計算風力機基礎結構受力時，通常采用逐級加載的方式。該方法將風力機基礎所受的豎向荷載（[V]）、水平載荷（[H]）和彎矩（[M]）以靜荷載的方式耦合到風力機加載點處，模擬風力機在工作狀態(tài)下對基礎結構施加的外部荷載情況。

預制裝配式梁板基礎的C40混凝土有限元模型采用塑性損傷本構模型，且該模型的參數(shù)取值是基于《混凝土結構設計規(guī)范》［17］（GB 50010—2010）附錄C.2混凝土本構關系計算。由于預制裝配式梁板基礎結構材料形式多樣，為具體了解基礎結構的材料情況，現(xiàn)將此基礎的材料參數(shù)統(tǒng)計整理為表1。

2 模型試驗方案

2.1 模型相似關系

為保證預制裝配式梁板基礎縮尺模型試驗的準確性和可靠性，根據(jù)結構試驗應力相似準則選取與實際結構相同的材料進行模擬，并選擇合適的幾何相似常數(shù)進行試驗設計［18-19］。鋼筋、混凝土、墊層、錨桿等材料與實際結構彈性模量相同，即材料彈性模量相似常數(shù)為[CE=1]；結合試驗場地及加載設備能力等因素，選擇縮尺模型相似比為[CL=]1∶6。

2.2 試驗模型

根據(jù)縮尺模型相似原理，對預制裝配式梁板基礎原型進行等比例縮小，由于縮尺模型幾何相似比Cl=1∶6，縮尺后的模型尺寸如圖4所示。

2.3 試驗方案設計

模型試驗在天津大學結構實驗室中開展，并按圖5所示的加載方式進行試驗。由于風電基礎全裝配式的實現(xiàn)，對機位地基承載力有一定的要求，因此只適用于天然地基承載力較大或經(jīng)地基處理后滿足要求的機位。為實現(xiàn)最佳的試驗模擬條件，采用符合地基承載力要求的三七灰土來模擬基礎底部的彈性地基，并將石灰和粘土的混合物分層壓實為直徑4 m、高0.25 m的圓柱形土體結構［16］。

2.4 傳感器測點布置情況

如圖6所示，根據(jù)試驗場地及加載條件等控制，對基礎進行了編號。根據(jù)加載方向、加載方向兩側以及垂直于加載方向的位置，將8塊基礎分別進行編號：基礎2～7位于主受力方向兩側，基礎1和8位于垂直于主受力方向處。為方便傳感器的安裝和后期試驗的識別，所有傳感器按類型及所處基礎塊位置進行統(tǒng)一編號。例如1號基礎塊的測點2上的鋼筋應變片可表示為G1-2。

2.4.1 肋梁及底板應變片布置

試驗開始前通過數(shù)值模擬方法對該基礎原型結構進行初步分析，發(fā)現(xiàn)臺柱-肋梁交接處的鋼筋應力和混凝土應力較大。因此，在試驗中應特別關注此位置的鋼筋應力和混凝土應力，以便更好地評估結構在此處的性能表現(xiàn)。為此，試驗中鋼筋應變片和混凝土應變片的布置如圖7所示。

2.4.2 底板位移計布置

當基礎發(fā)生傾斜時，上部塔筒和風力機機頭可能會發(fā)生大幅度偏移，對風電結構穩(wěn)定性的影響非常大。因此，基礎的傾斜率是衡量風力機基礎穩(wěn)定性的重要指標，基礎底部的位移也正是本次試驗的重點關注內(nèi)容。本次試驗采用激光位移計對受力方向處兩側基礎底部的豎向位移情況進行測量，激光位移計的布置如圖8所示。

3 基礎結構受力特性研究

3.1 V-H-M復合加載體系研究

試驗采用彎矩[M]為荷載控制準則的V-H-M復合加載方式。試驗中首先通過豎向千斤頂在加載塔筒頂部施加豎向荷載（[V]）；在豎向反力墻處設置墻鉚和千斤頂，并通過在加載塔筒頂部布置加載抱箍施加水平荷載（[H]）；最后，由于水平荷載（[H]）和加載塔筒高度的存在，在縮尺模型基礎結構上法蘭處形成V-H-M復合加載模式。

3.1.1 基礎混凝土應力分析

為便于分析不同荷載控制方法下的基礎結構混凝土應力分布，將各控制方法下基礎結構混凝土應力云圖整理為圖9所示結果。

從圖9可看出，不同荷載控制準則下的基礎混凝土應力分布情況相似。彎矩M控制加載和理論荷載加載后的混凝土應力接近，最大的拉應力分別為2.378和2.351 MPa，最大壓應力為16.06和13.90 MPa。

3.1.2 基礎鋼筋應力分析

圖10～圖12給出預制裝配式梁板基礎縮尺模型在不同荷載控制法下整體結構、底板、肋梁、臺柱部分的鋼筋Mises應力云圖。從圖10可看出，應力較大的區(qū)域主要集中在臺柱-肋梁交接處，同時各控制方法下基礎鋼筋應力范圍分別為5.84～70.06和6.66～79.84 MPa；基礎底板和肋梁處最大鋼筋應力分別為10.84、36.63和11.48、42.90 MPa。

3.1.3 基礎位移分析

如圖13可知，彎矩M荷載控制和理論荷載控制加載后的基礎傾斜率分別為0.035%和0.03%，小于《煙囪設計規(guī)范》［20］（GB 50051—2013）規(guī)定的0.3%，滿足規(guī)范設計要求。

3.2 試驗結果分析

為確保風力機基礎的安全性，對極端荷載-基本組合工況（以下簡稱：極端-基本工況）和破壞工況下加載方向處基礎結構受力特性進行分析。本次試驗對裝配式梁板基礎進行V-H-M復合加載分析，試驗中測得基礎鋼筋混凝土應力、基礎位移的變化情況。圖14所示為試驗過程中的加載時程曲線。

3.2.1 混凝土應力分析

加載方向處基礎預制塊體肋梁部分的混凝土應力變化曲線如圖15所示，混凝土應力最大點均為臺柱-肋梁交接處。

隨著荷載等級的增加，基礎結構肋梁的混凝土應力也隨之增大，極端-基本工況下應力增長平緩，基礎結構有著良好的傳力體系和受力特性。在破壞工況下，受拉側混凝土拉應力最大值為2.38 MPa，仍未超出C40混凝土抗拉強度設計值，基礎塊未發(fā)生受拉開裂；臺柱-肋梁交接處（H6-1）的混凝土壓應力值增長速度明顯加快。當荷載等級達到14.4級（343.5 kN）時，臺柱-肋梁交接處的混凝土應力突降，表明該部分應變片失效，隨即停止加載。此時，該部分失效混凝土的壓應力為29.73 MPa。

3.2.2 鋼筋應力分析

為研究基礎鋼筋受荷載作用下的應力變化情況，在預制基礎肋梁處各位置布置鋼筋應變片，對其在不同荷載下的鋼筋應力進行分析。如圖16所示為基礎受荷載作用時各測點處鋼筋應力變化情況。

從圖16可看出，鋼筋應力變化情況與混凝土應力變化情況一致，最大鋼筋應力仍舊出現(xiàn)在臺柱-肋梁交接處的鋼筋上（G6-1）。隨著荷載等級加載至14.4級時，最大鋼筋應力變化較為平緩，此時最大鋼筋應力為195.3 MPa，遠小于鋼筋屈服強度標準值。

3.2.3 基礎位移分析

如圖17所示，通過試驗中的位移傳感器測得基礎兩側受極端-基本組合工況荷載作用下的最大位移分別為2.81和?0.95 mm。此時基礎傾斜率為1.04‰，滿足規(guī)范設計要求，基礎穩(wěn)定性良好，不會產(chǎn)生傾覆風險。

3.3 試驗與數(shù)值模擬結果對比

如表4所示，為驗證模型試驗實測結果與縮尺模型數(shù)值模擬結果的差異，選取正常運行荷載-標準組合、極端荷載-標準組合、極端荷載-基本組合3種工況下應力最大處的鋼筋應力、混凝土應力及基礎豎向位移的試驗結果與數(shù)值模擬結果進行分析。具體的分析結果如圖18所示。

從圖18可看出，縮尺模型試驗結果與縮尺模型數(shù)值模擬結果非常接近。在各種工況下，基礎在相同位置（臺柱-肋梁交接處）的應力變化趨勢一致，縮尺模型試驗結果與縮尺模型數(shù)值模擬結果的偏差在10%以內(nèi)。因此，縮尺模型試驗和縮尺模型數(shù)值模擬結果均能反映基礎結構在不同荷載下的受力情況。

4 結 論

本文通過建立單塊雙肋梁裝配式梁板基礎整體有限元模型及模型試驗，對該基礎受V-H-M復合荷載下的結構受力特性進行研究，得到的主要結論如下：

1）以彎矩[M]為荷載控制的加載體系下的縮尺模型試驗和縮尺模型數(shù)值模擬結果均能反映裝配式梁板基礎結構在不同荷載下的受力情況。

2）極端運行-基本組合工況荷載作用下的基礎傾斜率為0.104%，滿足規(guī)范設計要求，基礎穩(wěn)定性良好，不會產(chǎn)生傾覆風險。

3）安全系數(shù)達到設計值的1.44倍后，肋梁與臺柱部位首先發(fā)生破壞。此時鋼筋應力增長緩慢，且明顯小于屈服應力。

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RESEARCH ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF SINGLE

DOUBLE-RIBBED BEAM ASSEMBLY WIND TURBINE

FOUNDATION STRUCTURE

Wang Haijun1，2，Liu Chang2，Hao Huageng3，Guo Yaohua1，2，Wang Xianwen4，Zhao Guanghe4

（1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation， Tianjin University， Tianjin 300350， China；

2. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China；

3. Huaneng Clean Energy Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 102209， China；

4. Huaneng Jilin Power Generation Co.， Ltd.， Changchun 130012， China）

Abstract：With the goal of saving materials， ensuring rapid construction， and ensuring controllable quality， a new type of single double-ribbed prefabricated assembly raft foundation is proposed by considering the structural characteristics of raft foundations. Currently， there is limited research on the mechanical characteristics of prefabricated raft foundation structures. This study establishes a comprehensive finite element model of the foundation and conducts model experiments to investigate the structural load-bearing characteristics of prefabricated raft foundations under V（vertical）-H（horizontal）-M（moment） composite load. It specifically focuses on analyzing the load-bearing capacity and failure modes of foundation rib beams， baseplate， and pillar supports. The results show that the new single double-ribbed prefabricated raft foundation structure has good load-bearing and structural mechanical properties， and the safety reserve can reach 1.44 times the design value. The overall stability of the foundation is good， and all indicators meet the design requirements of existing specifications. The junction between the column and the rib beam is a key part of the bearing and load transfer of this type of foundation structure， which should be paid attention to during the design and construction.

Keywords：prefabricated construction； onshore wind turbine； model test； composite loading； numerical simulation； mechanical characteristics