摘要：对于传统陆上风电机组基础，塔筒和主机载荷通过基础环传递给基础。基础环作为预埋在基础混凝土内部的钢制部分，是基础和钢塔连接的过渡构件，也是钢塔筒与基础连接的关键构件。基础环受力复杂，没有统一工程算法，在结构受损后无法进行对应的疲劳分析。本文以某项目风电机组基础支撑结构为例，通过网格设计软件Hypermesh以及风电机组载荷计算软件Bladed联合进行疲劳计算分析。基于Miner疲劳累积损伤理论后，运用ABAQUS进行基础区域节点疲劳寿命计算，分析陆上风电机组基础环疲劳度，以及带来的偏差不影响机组运行，同时对后续日常风电场管理提供一定的方法和思路。
关键词：基础环；结构受损；ABAQUS
0 序
风电机组基础承受巨大的弯矩作用，作为承受和传递巨大弯矩的基础环，在基础设计时应验算其抗拔承载能力、抗弯承载力以及抗冲切等作用[1]。基础环底部混凝土的厚度、基础环底法兰上部混凝土的厚度以及钢筋的布置，对基础环式基础的安全性均有重要的影响。目前，国内规范尚无复核基础环承载能力的工程算法[2]。实际工程中存在许多因基础环整体被拔出而导致结构破坏的事故。加强对基础环受力性能的研究，意义重大。本文采用有限元分析方法，研究了基础环的承载能力、基础环和基础的相互作用，以及基础环与基础的连接强度等问题，为后续风场管理提供有意义的参考{[3], [4]}。
1工程概况
1.1基本情况描述
此论文针对的某风电场项目，分析其装机容量为49.5MW，风电机组采用的是1.5mw机组，整体轮毂高61.5m。于2011年12月29日开始运行，截止2019年风机已运行近8年。此类风机基础为基础环圆盘扩展式基础，采用天然地基，原土承载，现浇钢筋混凝土结构基础，基础混凝土强度等级C35，钢筋主要使用HRB335螺纹钢筋。基础直径为1.5m，埋深3.1m。
1.2问题现状描述
作者于19年3月份的风机日常检查中，陆续发现风机在开机时出现不间断2-3声剧烈声响，基础环外侧混凝土表面出现开裂掉落现象。基础环内与混凝土结合部位有脱开现象，见图1-1左图所示。通过钻孔取芯进行检测，发现混凝土端部存在泥和积冰，如图1-1右图所示。但在基础环内外冒浆现象不明显。基础环水平度出现最大偏差为5.5mm，符合检查规范要求（《建筑地基础工程施质量验收规范》（ GB50202 -2002 ））。根据混凝土轴心受压强度检测结果，基础顶外测分别提取4个测样点，强度分别为29.7，28.8，30和18.8MPa。
.png)
图1-1 基础混凝土破碎状态/钻孔取芯图样
1.3 现场总结
通过前面两节的判定，并根据基础环受力特性、现场的破坏形态、基础加固工程经验，初步认为造成基础承台压溃、冒浆、晃动的成因有3点：
1) 基础环底法兰处钢筋较密，浇筑振捣不易密实，形成施工空腔；
2) 上部止水材料为易损耗品，其寿命与施工艺、运行环境等密切相关上部止水材料为易损耗品，其寿命与施工艺、运行环境等密切相关,止水破坏，引起雨深入基础环底部,在“呼吸”作用下造成底部空腔，引发基础承台压溃、冒浆、晃动。
3) 进一步分析荷载条件，设计条件和施工状态，判定是否满足相关要求，找出基础破坏的原因。
后续需要对荷载进行复核，确认后进行ABAQUS验证研究。
2 载荷分析
2.1极端荷载分析
结合塔架基础坐标系和一阶段现场采探情况，根据厂家提供风机荷载数据，见表2-1，其中列出了各工况下的荷载值，下表荷载值均指向塔筒底部、基础环顶部的荷载值。
表2-1 风机荷载数据表
.png)
其中，E2.1a代表 50 年一遇阵风，E2.1a°代表 50 年一遇阵风及风向极端变化，S1.4a 代表安全系统或制动系统故障，除了此表，还需要再比对基础与地面脱离的载荷情况。
2.2基础与地面脱离的载荷分析
再分析厂家提供的风机荷载资料，对列出的各工况荷载值查阅，对应到下表荷载值均指向的塔筒底部、基础环顶部的荷载值，具体见表2-2在下表所示荷载作用下，基础不应与地面脱离。
表2-2基础与地面脱离的载荷表
.png)
其中，N3.0b-1代表正常运行，在下表所示荷载作用下，分析出基础不应与地面脱离。
2.3本节总结
再结合设计荷载分别取50年一遇阵风与正常运行工况下的荷载，可以得出以下结论：并未有证据表明风速异常，超过50年一遇的阵风速。但考虑到若只有个别风机基础出现破坏情况，且风机运行时间较长，也可能存在个别机位风荷载出现偏大情况，需通过有限元分析方法进一步核实风机所遇荷载是否超过极端工况荷载。
3 ABAQUS有限元分析
3.1材料计算参数
整个模型各部分的材料计算参数取值见表3-1。
表3-1
.png)
通过此类参数可以核准后续的计算结果。
3.2计算结果分析
通过分析图3-1的输出结果，其中，从图3-1左图中可以看出基础环底法兰顶部混凝土局部受压应力很大，最大值达到了18.2MPa，大于混凝土轴心抗压强度设计值16.7MPa，混凝土易发生压剪破坏。从图3-1右图可以看出基础环底法兰顶部混凝土的最大拉应力值出现在法兰侧面与顶面相交处的混凝土单位，其值为2.50MPa，大于混凝土轴心抗拉强度设计值1.57MPa，混凝土最易先被拉裂。
.png)
.png)
图3-3第一组/第二组最大压应力
4 增加基础环强度设计优化和效果分析
4.1执行分析
根据前三章的现场分析、载荷分析和有限元计算，可以通过模拟手段对以下几个方面进行优化调整
4.1.1基础环注胶密封
在浇筑混凝土前，在基础环的内外壁上贴一层1cm厚、5cm高的挤塑板，浇筑混凝土后，除去前述中的挤塑板，并将基础环上的内外凹槽清理干净，所述凹槽通过丙烯酸酯建筑密封膏进行密封；之后将稀释的防水涂料均匀涂布于基础混凝土表面以及基础环表面上，待涂层干燥后再重复涂布2-3遍；待防水涂料涂完干燥后，在基础混凝土表面铺贴玻璃纤维网格布；玻璃纤维网格布铺贴完毕后，重复涂防水涂料步骤，涂层干燥后，平面层部位采用细石混凝土或水泥砂浆平铺保护，对凹槽通过丙烯酸酯建筑密封膏进行密封的方法是：使用胶枪注胶，将胶枪嘴压住凹槽表面将丙烯酸酯建筑密封膏缓慢连续注入凹槽内。
4.1.2基础环开孔进行优化
开孔优化主要依据单元外荷载的计算，此计算方法是根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中桩顶作用效应计算中竖向力计算原则进行的。由《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的 6.6 节可知，配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求：
Fl 1.35c l fc Aln （式 4-1）
式中：Fl——局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值，即单元最大外荷载；fc ——混凝土轴心抗压强度设计值，考虑疲劳因素的影响，应降低一个混凝。由此推算出开孔的优化执行方法。
4.2加固加高措施
4.2.1防水加固
经过两道设防：第一道为沿基础环与混凝土交界面处预留的凹槽内打密封胶，第二道为在基础环与混凝土交界面范围涂刷防水涂料，基础环内部、外部都进行了隔离和密封，可以有效的避免基础混凝土和基础环之间的缝隙进水，防止钢制基础段下段表面损坏和基础环表面腐蚀，在一定程度上加强了风电机组的安全性能。
4.2.2 加高措施
根据风机单机容量、轮毂高度、扫风面积、风速、荷载大小和地基情况，参考类似经验，初步拟定基础埋深、底板尺寸和高度，其中加高措施主要考虑到初选钢筋直径，进行截面抗弯计算，抗剪、抗冲切和疲劳强度验算，如果同时满足要求，则底板高度的拟定合适。
4.3优化后预应力灌浆环应用效果分析
高压灌浆环是通过在钢环体内高压注浆使其膨胀预拉的方式，为基础环周边混凝土提供预加应力，旨在有效抵抗基础环和基础混凝土间的剪切力和冲压，同时将力扩散到更外围的混凝土区域，有效解决基础环周边混凝土应力集中和混凝拉裂与压剪破坏等问题，实现预应力加载的目标。图4-1和4-2反映的是灌浆环设置前后最大主应力变化云图，当高压灌浆后，混凝土承台受拉区顶部拉应力集中现象明显减弱。并且随着压强的增大，混凝土承台顶部拉应力集中区域减小，特别是灌浆环周边。拉应力集中区域有着向混凝土承台外围扩散的趋势，同时，灌浆环内部和周围拉应力集中开始明显。加灌浆环后最大压应力减小1.4MPa左右。
.png)
.png)
图4-1 无灌浆环状态/有灌浆状态
4.4本节总结
高压灌浆环是通过在钢环体内高压注浆，利用注胶、打孔等合理性调控措施，通过基础比对分析和算法可知，下法兰处确实是基础关键部位，受荷载时，此处应力最大，易发生压剪和拉裂破坏。若出现浇筑不密实情况，钢筋与混凝土无法共同受力，产生应力集中，混凝土易被压碎。灌浆环对减小承台顶部受拉应力集中有很好的效果，且将应力传递到更外围区域。
5 总结
通过ABAQUS对某风电场项目风机疲劳分析后，得出如下结论
1)、整体荷载分析后偏大，但就塔筒倾斜度而言，满足偏差合格标准；
2)、根据对设计参数符合，基础环在整个机组的运行过程中重要性很高；
3)、基础施工质量存在隐患，混凝土强度不满足设计要求，且存在较大空腔。止水失效，是出现冒浆的重要因素，需替换新做；
4)、在做了打孔、注胶、加固加高等初步措施后，应用有限元分析结合荷载分析综合总结：风机基础受动力荷载作用产生应力集中和破裂面。同时由于止水失效，渗入基础内的水体逐渐充满整个破裂面空隙。破裂面在底法兰摆动影响下做反复地张开闭合运动，即所谓的“呼吸”作用，在该作用下粗糙的破裂面处混凝土不断被磨损成粉末颗粒，粉末颗粒分布于水体中成为灰浆，灰浆在“呼吸”作用下，不断被挤出破裂面，再沿着基础环与基础之间的缝隙通道被挤出基础，逐渐地底法兰处一定范围混凝土被掏空，施工破裂面范围在不断扩大，形成恶性循环，不利于基础环的稳定，造成塔筒晃动，倾斜等现象；
5)、风机基础环是支撑风力发电机组的重要组成部分，对维持风力发电机组正常安全的运行起着至关重要的作用。基础环水平度的高低偏差值是衡量风机运行中有误倾斜的关键指标。在后续的风电场日常管理中纳入基础环水平度差异调查，并写入《风电场日常管理》巡检台账，随后定期进行数据对比，提早发现隐患。
参考文献：
[1] 黄强. MW级风电机组基础环结构分析与优化设计[D]. 重庆大学,2014.
[2] 白儒,田家彬,于连玉. 风电机组基础环结构优化研究[J]. 机械工程师,2017
[3] 温丙彦. 风机基础环锚固力学特性与结构优化研究[D]. 武汉科技大学,2018.
[4] 李芬花,邓丹平,杨荣海. 导管架式海上风电机组参数敏感性分析[J]. 节能,2018,(9).doi:10.3969/j.issn.1004/7948.2018.09.016.
论文作者:王小明,孙鹏羽,韩常仲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：基础论文; 荷载论文; 混凝土论文; 应力论文; 风机论文; 机组论文; 载荷论文; 《基层建设》2019年第27期论文;