吉林省電力勘測設計院 ■ 陳康東

0 引言

風電機組的一個重要發(fā)展趨勢就是輪轂高度(風輪中心高度)越來越高、機組功率越來越大，這就要求風電機組塔架的基礎抗力不斷增強。巖石錨桿基礎是依靠錨桿與巖土之間的粘結力來維持風電機組基礎的穩(wěn)定，因此，錨桿粘結破壞機制是錨桿基礎研究的重點。閻石等[1]運用商用有限元軟件對某新建工程的風電機組巖石錨桿基礎進行了受力分析，探討了巖石錨桿基礎的受力特性。劉波等[2]采用室內錨桿拉拔試驗與現(xiàn)場錨桿拉拔試驗來研究錨桿-砂漿粘結界面的滑移關系與破壞過程，并得出有效錨固深度隨上拔荷載增大而增加的計算公式。孫益振等[3]采用數(shù)值模擬的方法研究了巖土及注漿體等因素對注漿錨桿基礎抗拔力的影響。馬人樂等[4]以某風力發(fā)電塔基礎為工程背景，指出現(xiàn)有基礎結構形式的缺點，并提出了多向預應力方案以優(yōu)化原設計方案，總結出預應力錨桿的面積估算公式。巖石錨桿基礎已在工程實踐中被廣泛應用，但仍缺乏合理完善的理論依據(jù)[5]。

1 工程概況

某風電場工程采用2 MW風電機組，該機組基礎的底部直徑為15 m，過渡段直徑為7 m，基礎總高度為2.4 m。基礎底面布置一圈錨桿，分布半徑為7 m，共布置36根；錨桿孔直徑為0.13 m，擴底部分直徑為0.23 m；錨桿錨入巖石長度為5 m。風電機組基礎俯視圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

錨桿與鉆孔之間采用高強無收縮水泥灌入密實。灌漿材料28天抗壓強度不小于60 MPa。風電機組輪轂高度為100 m，風電機組基礎設計荷載由風電機組設備單位提供，具體參數(shù)如表1所示。其中，Mxy表示風電機組傳遞至基礎的傾覆彎矩，Mz表示風電機組傳遞至基礎的扭矩，F(xiàn)xy表示風電機組傳遞至基礎的水平力，F(xiàn)z表示風電基礎傳遞至基礎的豎向力。

圖1 風電機組基礎俯視圖(單位：mm)

圖2 風電機組基礎剖面圖(單位：mm)

圖3 主應力空間中的米塞斯屈服面

表1 風電機組基礎荷載設計值

2 有限元分析模型

本文采用巖土結構專用有限元分析軟件midas GTS NX對上述風電機組基礎進行建模分析，研究風電機組基礎與地基協(xié)同工作的機理，混凝土基礎的變形、應力分布規(guī)律等，為巖石錨桿基礎的設計提供參考。

在材料本構模型選擇上，土體材料選擇摩爾庫倫本構模型。針對混凝土材料，選用軟件內置的Von Mises屈服準則，當?shù)刃Τ^材料的屈服應力時，材料將會出現(xiàn)塑性變形。在三維應力空間中，米塞斯屈服面是一個圓柱面；在單向拉壓情況下，米塞斯屈服面則是一個橢圓，如圖3所示。在屈服面內，結構發(fā)生的是彈性變形，若超出了屈服面，任何應力狀態(tài)都會引起屈服。錨桿采用理想彈塑性材料。

為了有效模擬風電機組基礎與地基的協(xié)同作用，模型外部土體邊界取基礎地面半徑的4倍，基礎下部土體厚度取錨桿長度的2倍。采用三維實體單元模擬外部土體、混凝土及風電機組下插鋼管，采用桁架單元模擬錨桿，錨桿與基礎、土體之間的粘結按節(jié)點耦合進行考慮。錨桿與基礎的模型圖如圖4所示，整體分析模型如圖5所示。

圖4 錨桿與基礎模型圖

圖5 三維整體分析模型

為簡化表1中提到的作用在風電機組基礎上的荷載，采用剛性連接的方式將風電機組鋼管外圈節(jié)點與鋼管中心進行耦合，從而將設計荷載直接作用在鋼管中心節(jié)點上，荷載作用方式如圖6所示。

圖6 荷載作用方式示意圖

3 有限元計算結果分析

采用非線性分析更能反映混凝土這一脆性材料的應力-應變關系。本節(jié)根據(jù)有限元分析結果，探究巖石錨桿基礎的沉降規(guī)律、應力分布及錨桿內力變化等。

3.1 巖石錨桿基礎沉降分析

計算正常運行狀態(tài)與極端狀態(tài)兩種工況下巖石錨桿基礎的沉降值，兩種工況的沉降云圖分別如圖7、圖8所示。由圖可知，在傾覆彎矩作用下，地基一側產(chǎn)生隆起，另一側則受壓沉降。地基變形的影響范圍與幅值受荷載大小的影響。在正常運行狀態(tài)下，風電機組基礎最大隆起值約為2.6 mm，最大沉降值約為5.6 mm；而在極端狀態(tài)下，基礎最大隆起值約為4.1 mm，最大沉降值約為7.3 mm。極端狀態(tài)下的基礎最大隆起值為正常狀態(tài)下的1.6倍，而極端狀態(tài)下的最大沉降值為正常狀態(tài)下的1.3倍。這主要是由于極端狀態(tài)下的傾覆彎矩是正常運行狀態(tài)下的1.96倍。

將正常運行狀態(tài)下與極端狀態(tài)下基礎頂面測點沉降沿水平方向的變化趨勢進行對比，趨勢圖如圖9所示。由圖9可知，在風電機組上部傳遞的荷載作用下，基礎一側隆起，一側沉降，呈現(xiàn)出一定的傾斜態(tài)勢。

圖7 正常運行狀態(tài)下基礎沉降云圖

圖8 極端狀態(tài)下基礎沉降云圖

圖9 基礎頂面測點沉降對比圖

圖10 正常運行狀態(tài)下基礎第一主應力云圖

3.2 應力分布

對混凝土基礎在正常運行狀態(tài)與極端狀態(tài)的第一主應力狀態(tài)進行分析，基礎應力云圖分別如圖10、圖11所示?；炷粱A的第一主應力最大值在正常運行狀態(tài)下約為3.4 MPa，在極端狀態(tài)下約為3.8 MPa。混凝土基礎最大應力值主要出現(xiàn)在鋼管柱與混凝土基礎的連接部位，這與實際受力情況一致。在正常運行與極端兩種狀態(tài)下，基礎混凝土不會被壓碎，但受拉區(qū)存在局部受拉開裂的風險，因此在實際項目中，有必要對受拉側基礎混凝土實施動態(tài)監(jiān)測。

圖11 極端狀態(tài)下基礎第一主應力云圖

對正常運行與極端兩種狀態(tài)下鋼環(huán)的應力進行分析，應力云圖分別如圖12、圖13所示。鋼環(huán)最大應力在正常運行狀態(tài)下約為41 MPa，而在極端狀態(tài)下約為47 MPa。鋼環(huán)應力最大區(qū)域的分布有所不同，即在正常運行狀態(tài)下，鋼環(huán)最大應力分布在鋼環(huán)上部與混凝土接觸的部位；而在極端狀態(tài)下，鋼環(huán)最大應力則分布在下方。兩種狀態(tài)下最大應力所占比例也有所不同，在正常運行狀態(tài)下，最大應力占比為1.9%；而在極端狀態(tài)下，最大應力占比為0.3%，即存在一定程度的應力集中問題。

圖12 正常運行狀態(tài)下鋼環(huán)應力云圖

圖13 極端狀態(tài)下鋼環(huán)應力云圖

3.3 錨桿受力分析

對正常運行狀態(tài)和極端狀態(tài)下的錨桿受力進行分析，錨桿內力云圖如圖14、圖15所示(圖中拉力為正，壓力為負)。由圖可知，在傾覆彎矩作用下，一側錨桿受拉，一側受壓，錨桿內力由上到下逐漸增大。在正常使用狀態(tài)下，錨桿最大拉力約為237 kN，而采用文獻[5]中的簡化公式法得出的錨桿最大拉力為404 kN，由此可見，采用簡化公式法得出的錨桿拉力值遠大于采用數(shù)值仿真得出的結果。這說明仿真結果更接近工程實際，可靠性更高。在極端狀態(tài)下，錨桿最大拉力約為308 kN，這與極端狀態(tài)下基礎受傾覆彎矩較大的受力特征吻合。

圖14 正常運行狀態(tài)下錨桿內力云圖

圖15 極端狀態(tài)下錨桿內力云圖

4 結語

本文基于有限單元法，通過軟件模擬了巖石錨桿風電機組基礎在正常運行狀態(tài)及極端狀態(tài)下的受力狀態(tài)，對計算結果進行分析后得出以下結論：

1)在極端狀態(tài)下，巖石錨桿基礎一側隆起位移與另一側沉降位移均明顯大于正常運行狀態(tài)時的情形。

2)混凝土基礎受壓一側與鋼環(huán)連接區(qū)域所受應力較大，按計算結果所設計的基礎滿足抗壓性能要求。

3)在傾覆彎矩與水平力作用下，單根錨桿的內力沿深度方向不斷增大。有限元仿真分析得出的錨桿拉力小于經(jīng)驗公式計算得出的結果，可見該數(shù)值計算具有一定的前瞻性與可行性，有利于為設計提供參考。