摘要：由于钢基础环与混凝土基础之间变形往往不能协调一致，导致很多基础环在运行一段时间后出现了明显滑移，并在基础环T型板上方与混凝土之间产生较大空隙，甚至会出现混凝土开裂、压碎破坏的情况。针对这类问题，结合工程案例中基础环基础的特点和常见破坏形式，根据有关规范和文献，总结提出了有关基础环T型板上方混凝土局部受压承载力及抗冲切承载力、T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度和悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度验算的工程算法;并通过工程案例对此工程算法进行了验证;可为同种类型基础环基础的设计提供参考。
关键词：风力发电塔;基础环基础;基础设计;工程算法
引言
风力发电是目前新能源中技术最成熟、发展前景最好的发电方式之一，近年来在世界范围内得到了快速发展。风力发电塔基础作为整体结构的重要组成部分，承担着将上部结构承受的荷载和作用传递到地基，并保持结构整体稳定的作用。基础环基础是目前被广泛应用的基础形式之一，但是由于基础环与柱墩混凝土的材料性能不同，二者之间变形往往不能协调一致，导致很多基础环在风机运行一段时间后出现了明显滑移，并在基础环T型板上方与混凝土之间产生较大间隙。基础环与混凝土基础之间的间隙会造成接触面上的局部应力显著提升，且间隙越大应力水平越高，在周期往复荷载作用下，基础环与柱墩之间混凝土碎裂(图1(a))，穿过基础环的钢筋与基础环孔壁反复碰撞接触，导致穿孔钢筋破坏(图1(b))。
这种破坏现象已经成为这类基础形式的质量通病，究其根源，与目前风电行业内基础环和基础分别由主机厂家和设计院设计，两者对交界面缺乏足够关注的现状不无关系。文献已针对此类基础进行了加固措施的研究。目前，风力发电塔基础的设计均根据风机地基基础设计规定进行，但该规范并未给出插入式基础环基础的详细设计方法，基础环的埋入深度、基础环T型板的宽度以及基础环周边混凝土中的配筋均影响到基础的安全性能。本文根据某实际工程案例中基础环基础的破坏形式和特点，结合风机基础的受力特点，给出插入式基础环基础设计的工程算法。
1工程算法
基础环基础的破坏多表现为风机运行一段时间后，基础环与柱墩混凝土之间出现裂隙、交界处冒浆、塔架振动过大、柱墩表面混凝土破碎等现象，这多是由于基础环底部T型板周边混凝土压碎破坏引起的，因此需要验算T型板上方混凝土局部受压承载力及抗冲切承载力;在周期往复荷载作用下，风力发电塔基础容易产生疲劳破坏，因此需要验算T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度和悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度。基础环基础的典型构造见
图2，图中H，d，r1分别为基础高度、埋深和半径;r2为柱墩半径;h，h1分别为悬挑板根部高度和端部高度;dr，hr，tr分别为基础环外径、高度和厚度;d1，d2，tt分别为T型板内径、外径和厚度;Mr，Fz，Fr分别
为上部塔架传递给基础柱墩的弯矩、竖向和水平荷载设计值。
（1）T型板上方混凝土局部受压承载力验算
上部塔架传递给风机基础的弯矩通过基础环侧壁与柱墩的接触压力以及T型板与混凝土的接触压力传递给基础。在弯矩作用下，迎风面T型板上方(图3)混凝土受压，背风面T型板下方混凝土受压。一般设计人员会在T型板下方混凝土中配置钢筋网片来提高混凝土局部受压的承载力，但由于基础环的割裂，T型板上方混凝土一般未配置钢筋，因此T型板上方混凝土局部受压承载力应满足式(1)。
σmax≤fce(1)
式中:fce为混凝土局部受压承载力，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)计算。
（2）抗拉疲劳强度验算必要性
由于钢基础环与混凝土材料性能不同，二者之间变形往往不能协调一致，在周期往复荷载作用下，T型板上方基础环外侧混凝土容易产生疲劳破坏，需要对其进行疲劳验算。但是混规中混凝土的疲劳强度验算是基于200万次疲劳荷载进行的不适用于风机基础，在周期往复荷载作用下，风力发电塔基础悬挑板根部钢筋容易产生疲劳破坏，需要对其进行抗拉疲劳强度验算。
2工程实例
某风场共70台2.2～2.3MW风机，混凝土设计强度等级为C35，大量风机基础的柱墩表面出现混凝土压碎和开裂现象。经现场检测，发现主要原因为现场搅拌混凝土的质量不满足设计要求，造成有24台风机柱墩表面混凝土回弹强度平均值低于30MPa，低于35MPa的风机合计27台。本文以某台经安全性评估后基础混凝土强度等级为C25的EN2.2型风机为例对基础的安全性能采用工程算法进行评估，上部塔架传递基础荷载。根据风机地基基础设计规定第7.3.2条规定，弯矩和水平力分项系数取1.5，竖向力分项系数取1.2;钢筋强度等级为HPB300，HＲB400。悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度验算悬挑板根部上部径向实配钢筋面积为4090.6mm2，环向实配钢筋面积为1570.8mm2，抗拉疲劳强度验算所需的部分参数的取值如表1。
根据表5可以得到钢筋径向应力幅Δσr和环向应力幅Δσθ:
Δσr=σr，max－σr，min=28.5MPa
Δσθ=σθ，max－σθ，min=37.1MPa
得径向和环向钢筋疲劳应力幅限值均为161.0MPa，所以悬挑板根部上部钢筋径向和环向抗拉疲劳强度验算均满足要求。悬挑板根部下部径向实配钢筋面积为4719.9mm2，环向实配钢筋面积为4719.9mm2。
通过以上验算分析可以发现，经安全性评估后，混凝土强度等级为C25的风力发电塔基础的T型板上方混凝土局部受压承载力、抗冲切承载力和T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度均不满足要求。采用本文工程算法对同一风场中经安全性评估混凝土强度等级为C35的同种型号(EN2.2型)风力发电塔进行验算，结果见表7。从表中可以看出，各项验算结果均满足要求，该台风机在实际运行过程中也未出现明显破坏。
结束语：
本文根据工程案例中基础环基础的特点和常见破坏形式，结合有关规范和文献，给出了基础环T型板上方混凝土局部受压承载力、抗冲切承载力、T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度以及悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度验算的工程算法，可为同类风力发电塔基础环基础的设计提供参考。
参考文献：
［1］康明虎，徐慧，黄鑫，等．基础环形式风机基础局部损伤分析［J］．太阳能学报，2014，35(4):583-588．
［2］陈俊岭，张佑臣，冯又全．风电机组基础环基础低强问题的加固措施研究［J］．建筑结构，2019，49(10):119-124．
［3］风电机组地基基础设计规定(试行):FD003—2007［S］．北京:中国水利水电出版社，2007．
［4］混凝土结构设计规范:GB50010—2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．
论文作者:王一夫
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/15
标签：基础论文; 混凝土论文; 钢筋论文; 承载力论文; 强度论文; 疲劳论文; 风机论文; 《当代电力文化》2019年第04期论文;