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風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的連接特性分析及加固

2015-03-02 07:03陳春華
云南電力技術(shù) 2015年1期
關(guān)鍵詞:端板受力風(fēng)機(jī)

陳春華

(中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,昆明 650051)

0 前言

為獲得穩(wěn)定、充足的風(fēng)能,需要通過塔筒將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(以下簡稱風(fēng)機(jī))支撐在高度為50~100 m 的高空。塔筒與基礎(chǔ)連接的方式一般是在基礎(chǔ)中預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán),然后采用法蘭進(jìn)行連接。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)屬于鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu),在不同方向風(fēng)荷載的往復(fù)作用下,其受力特性十分復(fù)雜,尤其是基礎(chǔ)環(huán)與鋼筋混凝土基礎(chǔ)之間的細(xì)部連接,更為復(fù)雜。目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)雖然有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范,但并未涉及基礎(chǔ)環(huán)連接細(xì)部的設(shè)計(jì)方法[1],以下討論某工程,由于連接部位的質(zhì)量問題,使基礎(chǔ)環(huán)產(chǎn)生了過大的位移,進(jìn)行加固處理的方法。

1 工程概況

某風(fēng)電場位于云南西部山區(qū),海拔在2 300 m~2 800 m 之間,場區(qū)面積約18.0 km2,共安裝26 臺(tái)單機(jī)容量為1.5 MW 的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)輪轂高度為65 m,塔架為鋼塔筒。地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化灰?guī)r,地基承載力特征值為300 kPa。基礎(chǔ)采用擴(kuò)展式鋼筋混凝土基礎(chǔ),混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35,鋼筋強(qiáng)度等級(jí)HRB400?;A(chǔ)斷面見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)斷面圖

3 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土臺(tái)柱之間產(chǎn)生了不同程度的相對位移,臺(tái)柱頂面基礎(chǔ)環(huán)附近混凝土出現(xiàn)裂紋、松動(dòng)和破裂現(xiàn)象。為尋求安全的加固方案,對基礎(chǔ)環(huán)的錨固機(jī)理及受力特性進(jìn)行了以下研究。

2 基礎(chǔ)環(huán)與混凝土連接特性

2.1 基礎(chǔ)環(huán)的錨固機(jī)理

在目前的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,基本都在基礎(chǔ)環(huán)底部設(shè)端板、在環(huán)壁開孔中架設(shè)穿孔鋼筋等剪力構(gòu)件,同時(shí)在臺(tái)柱周圍設(shè)置環(huán)向箍筋提高混凝土對鋼環(huán)的約束作用,從而加強(qiáng)鋼環(huán)在混凝土中的錨固作用,見圖1。

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中,混凝土對鋼環(huán)的錨固作用,由以下幾部分組成:混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產(chǎn)生的吸附力或者化學(xué)粘結(jié)力,其抗剪強(qiáng)度取決于水泥的性能和型鋼表面的粗糙程度;周圍混凝土對型鋼的摩阻力,它取決于混凝土發(fā)生收縮或者在荷載作用下對鋼環(huán)產(chǎn)生的法向壓應(yīng)力,以及二者之間的摩擦系數(shù)等;型鋼表面粗糙不平與混凝土之間的機(jī)械咬合作用以及端板的抗剪力。

考慮相對錨固長度la/r 與混凝土強(qiáng)度ft,粘結(jié)強(qiáng)度可由公式(1)表達(dá)[5]:

在混凝土性能相同的條件下,要提高粘結(jié)強(qiáng)度,需要增加基礎(chǔ)環(huán)的埋置深度或者在鋼板表面采取加強(qiáng)措施,如設(shè)置抗剪連接件。

研究表明[3-4],鋼環(huán)與混凝土之間的粘結(jié)滑移主要分為三個(gè)特征階段:無滑移階段、上升階段和下降階段。在無滑移階段,由受力端區(qū)域的化學(xué)粘結(jié)力抵抗外荷載,當(dāng)交界面上的化學(xué)粘結(jié)力被剪斷,形成內(nèi)裂縫,即出現(xiàn)相對滑移,進(jìn)入上升階段。上升階段前期,受力端附近區(qū)域存在相對滑移,此處粘結(jié)應(yīng)力主要是摩擦阻力,其余未產(chǎn)生相對滑移的區(qū)域主要是化學(xué)粘結(jié)力。隨著荷載的增加,基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的化學(xué)粘結(jié)力逐漸減弱,滑移逐步向鋼環(huán)錨固端發(fā)展,此時(shí)受力端交界面上混凝土的開裂促進(jìn)了粘結(jié)滑移的發(fā)展,當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí),進(jìn)入下降段,荷載達(dá)到粘結(jié)破壞的極限荷載,相對滑動(dòng)進(jìn)一步滲透,化學(xué)粘結(jié)力徹底喪失,承載能力突然下降,滑移速度加快,最后發(fā)生粘結(jié)錨固破壞。

除了粘結(jié)強(qiáng)度外,端板也可以有效約束混凝土與鋼環(huán)之間的相對滑移。端板與混凝土之間的受拔承載力主要取決于混凝土的局部抗壓強(qiáng)度。端板處局部受壓承載力可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)計(jì)算,見公式(2)[5-6]:

式中各參數(shù)意義詳見規(guī)范6.6.1 條。

2.2 基礎(chǔ)環(huán)附近鋼筋混凝土受力

對某1.5 MW 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了三維非線性有限元分析,并考慮了基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的接觸[2]。分析結(jié)果顯示,上風(fēng)側(cè)基礎(chǔ)環(huán)端板下方存在局部拉應(yīng)力區(qū),最大值為7.66 MPa,但范圍較小;在下風(fēng)側(cè)基礎(chǔ)環(huán)附近均為壓應(yīng)力,其中端板下方壓應(yīng)力值較大,最大值達(dá)到-6.43 MPa。

正常使用工況下基礎(chǔ)環(huán)的接觸狀態(tài)(nearcontact 表示具有相互分離的趨勢,sliding 表示具有滑移的趨勢,sticking 表示處于粘著狀態(tài))。分析表明,上風(fēng)向一側(cè)基礎(chǔ)環(huán)與外部混凝土脫開,上部最大脫開距離為0.02 mm,從上至下逐漸減小;基礎(chǔ)鋼環(huán)上部與內(nèi)部混凝土脫開,最大脫開距離為0.01 mm,從上至下脫開距離逐漸減小。下風(fēng)向一側(cè)基礎(chǔ)環(huán)下部與外側(cè)混凝土出現(xiàn)大面積的滑移現(xiàn)象。

通過鋼筋應(yīng)力分析得出豎向鋼筋應(yīng)力的分布情況為:在上風(fēng)向一側(cè)與基礎(chǔ)環(huán)底同一標(biāo)高處(圖1 中B、D 點(diǎn))拉應(yīng)力最大,達(dá)到85 MPa;其次是臺(tái)柱與底板交界處(圖1 中A 點(diǎn)),為48 MPa;再次為臺(tái)柱頂面(圖1 中E、C 點(diǎn)),為35 MPa,其余位置鋼筋應(yīng)力較小。

3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的加固措施

3.1 基礎(chǔ)異常原因分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)異常的基礎(chǔ)混凝土多處呈蜂窩狀,骨料之間孔隙較多,為施工過程中混凝土振搗不密實(shí)所致。經(jīng)鉆芯取樣檢測,混凝土強(qiáng)度等級(jí)僅為C20~C25,未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從基礎(chǔ)環(huán)的錨固機(jī)理和受力特性分析,在質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下,基礎(chǔ)環(huán)的錨固深度是足夠的。出問題的原因在于混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度未達(dá)到要求,基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)之間的化學(xué)粘結(jié)力較弱而被剪斷,同時(shí)接觸面上摩阻力和咬合力也較小,不足以抵抗風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的剪力。這樣,多余的剪力就要由基礎(chǔ)環(huán)的端板來承擔(dān),在其附近的混凝土中產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力,使局部混凝土受壓破壞。此外,由于基礎(chǔ)環(huán)的遮擋,其下的混凝土質(zhì)量更難以保證,甚至可能存在空洞。在風(fēng)荷載的反復(fù)作用下,沿接觸面的裂縫繼續(xù)發(fā)展,摩阻力進(jìn)一步降低,端板附近的混凝土破壞范圍逐漸擴(kuò)大,基礎(chǔ)環(huán)的位移也就不斷加大。

除臺(tái)柱頂面基礎(chǔ)環(huán)附近混凝土出現(xiàn)裂縫和剝離現(xiàn)象外,其他部位未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫,在鋼筋應(yīng)力較大的基礎(chǔ)環(huán)底部位置和臺(tái)柱與底板交界處也未產(chǎn)生裂縫開展的情況,由此判斷,基礎(chǔ)其他部位尚未遭到破壞,只對基礎(chǔ)環(huán)周圍進(jìn)行加固處理。

3.2 基礎(chǔ)加固措施

用高強(qiáng)度灌漿材料充填基礎(chǔ)環(huán)周圍的裂縫,提高混凝土的強(qiáng)度和粘結(jié)能力。灌漿材料選用高強(qiáng)環(huán)氧樹脂,要求其固化后達(dá)到以下要求:

1)抗壓強(qiáng)度不低于35 MPa,抗拉強(qiáng)度不低于5 MPa;

2)樹脂能與基礎(chǔ)環(huán)和混凝土有效粘接;

3)具有一定的彈性和適應(yīng)變形的能力,在擠壓作用下不發(fā)生脆性破壞;

4)固化時(shí)間不宜太長。

樹脂的添加物除固化劑、稀釋劑外,還需添加改性劑和填料。漿液灌注前先確定配方比例,然后根據(jù)配方做小樣實(shí)驗(yàn),配方達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行施工。

基礎(chǔ)加固的施工工序?yàn)?施工準(zhǔn)備→布孔、鉆孔→清孔→安裝灌漿塞、連接灌漿泵→灌漿→封面、整平。

灌漿完成后對基礎(chǔ)外露表面用環(huán)氧砂漿封閉,并粘貼碳纖維布保護(hù)。

經(jīng)過以上處理后,風(fēng)機(jī)重新投入運(yùn)行已有將近1 年時(shí)間,現(xiàn)場反映運(yùn)行狀況良好,沒有出現(xiàn)再次開裂的情況。

4 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的連接是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),本文討論了基礎(chǔ)環(huán)的錨固機(jī)理和受力特性。由于基礎(chǔ)環(huán)附近受力十分復(fù)雜,對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的新型基礎(chǔ),建議采用有限元法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。本文提出采用化學(xué)灌漿法對病害風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行加固,取得較好的效果。

[1]風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)(FD003-2007)[S].北京:水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,2007;32-38.

[2]張迪.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)三維非線性有限元分析[D].華北水利水電學(xué)院,2011:15-25.

[3]劉燦,何益斌.勁性混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2002;29 (3):169-173.

[4]楊勇,趙鴻鐵,薛建陽,等.型鋼混凝土粘結(jié)—滑移本構(gòu)關(guān)系理論分析[J].工業(yè)建筑,2002,32 (3):60-63.

[5]孔德偉.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼環(huán)與混凝土錨固機(jī)理分析與試驗(yàn)[D].湖南科技大學(xué),2012:12-15.

[6]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2010) [S].北京:建筑工業(yè)出版社,2010:77-80.

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