伍 軍,劉哲鋒,楚加翼,向 康,李鵬飛

(長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410114)

隨著化石能源逐漸枯竭,氣候危機(jī)不斷加劇,發(fā)展風(fēng)電已成為重要的研究課題,其被作為達(dá)到“雙碳”環(huán)保目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[1]。2022年中國陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量48 GW,所有吊裝的陸上風(fēng)電機(jī)組中,3.0 MW及以上占比高達(dá)74.1%[2-3],中國風(fēng)電正邁向大風(fēng)機(jī)時代。大多風(fēng)機(jī)采用錨桿連接塔筒與基礎(chǔ),錨固區(qū)混凝土局壓效應(yīng)突出[4]。與此同時,風(fēng)機(jī)錨桿松弛問題日益嚴(yán)峻,極易造成基礎(chǔ)局壓混凝土疲勞損傷破壞。因此,探究錨桿松弛狀態(tài)下基礎(chǔ)局壓混凝土的損傷演化規(guī)律十分必要。

現(xiàn)階段,國內(nèi)外學(xué)者針對錨桿式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的損傷問題做了部分研究。韓彥寶等[5]以某風(fēng)電場為例,從錨桿數(shù)量、錨桿到承臺中心的距離、基礎(chǔ)底板半徑等方面進(jìn)行了計算分析,探討了風(fēng)電場巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計中存在的問題;周建華等[6]通過開展錨桿試件應(yīng)力松弛試驗(yàn)和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)錨桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測,獲得了表征錨桿長期運(yùn)行特性的預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力保留百分比與時間的函數(shù)關(guān)系,并指出錨桿松弛大致分2個階段,其中第1階段損失快且持續(xù)時間短;黃冬平等[7]從基礎(chǔ)環(huán)和預(yù)應(yīng)力錨栓的受力原理出發(fā),依照國標(biāo)計算應(yīng)力幅,說明預(yù)應(yīng)力錨桿抗疲勞的相對優(yōu)勢;申海洋等[8]建模探究預(yù)應(yīng)力錨桿對風(fēng)機(jī)混凝土基礎(chǔ)抗裂和抗腐蝕的作用,強(qiáng)調(diào)預(yù)拉力作用能充分激發(fā)混凝土的受壓性能,減緩受拉開裂和滲水腐蝕;王爾貝等[9]建模研究錨桿數(shù)量與直徑改變對基礎(chǔ)承載特性的影響,發(fā)現(xiàn)承載力隨錨桿數(shù)量變多先增后減,而隨錨桿直徑加大線性提高;DE GROOT等[10]建模分析錨栓籠對混凝土的約束作用,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然錨栓籠的預(yù)應(yīng)力能加強(qiáng)混凝土受壓,但應(yīng)力集中也可能導(dǎo)致軟弱混凝土提前壓壞;WANG等[11]對某風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中突然斷裂的2根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋進(jìn)行多次測試,并仿真模擬斷裂過程,證實(shí)斷裂原因?yàn)闅漭o助裂化和高應(yīng)力集中的共同誘導(dǎo);劉嬪等[12]對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)錨固區(qū)混凝土的局部壓應(yīng)力、局部受壓區(qū)的截面尺寸和局部受壓承載力進(jìn)行了驗(yàn)算分析,為預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計提供了參考。

以上研究多是凸顯風(fēng)機(jī)錨桿在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體受力中的優(yōu)勢和對錨桿失效的溯源分析,類似錨桿松弛的局壓混凝土損傷破壞分析相對匱乏。因此本文結(jié)合內(nèi)蒙古某錨桿式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程,通過對錨桿設(shè)置不同程度的預(yù)應(yīng)力損失來模擬松弛發(fā)育過程,研究錨桿松弛加劇過程中局壓混凝土的疲勞損傷規(guī)律,并對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全設(shè)計與日常運(yùn)維提出建議,以供同類工程參考。

1 有限元數(shù)值模擬

1.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

以內(nèi)蒙古某3.0 MW風(fēng)機(jī)為研究對象,該風(fēng)機(jī)輪轂高90 m,基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土圓形重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)型式,依據(jù)NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13],設(shè)計級別為甲級,下臥土巖組合地基,建筑場地類別劃分為Ⅱ類?；A(chǔ)幾何尺寸如圖1所示,底板半徑為9.3 m,高為1 m,臺柱半徑為3.2 m,高為1.1 m,高強(qiáng)灌漿料厚90 mm,錨板厚80 mm,錨桿分布外半徑為2.3 m,內(nèi)半徑為2.2 m,基礎(chǔ)埋深3.5 m(從自然地面起算)。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面Fig.1 Wind turbine foundation profile

根據(jù)該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)《設(shè)計計算總說明》和《工程地質(zhì)勘察報告》,基礎(chǔ)混凝土級別為C40;高強(qiáng)灌漿料采取C80;墊層采用C10;鋼筋級別為HRB400;錨板為Q345E鋼材;所有錨桿為M42,8.8級;160根分內(nèi)外2圈均勻布置。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)詳見表1[14],地基土物理力學(xué)參數(shù)詳見表2[15]。

表1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)

表2 地基土物理力學(xué)參數(shù)

地基土從上至下可簡化為殘坡積土、全風(fēng)化土及強(qiáng)風(fēng)化巖3個土層,持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖。土層簡化及其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

1.2 ABAQUS有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件[16]建立帶土柔性基礎(chǔ),土體采取圓柱體建模將基礎(chǔ)包裹,水平延伸和縱向深度方向邊界均取5倍基礎(chǔ)直徑,并賦予CIN3D8無限元邊界[17],與有限元無縫銜接,相互補(bǔ)充,考慮土體無界性,濾去有限邊界波的反射對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。為降低建模繁瑣程度,將錨桿簡化為鋼筋線單元,兩端吻合于錨板上表面中心施以MPC約束,類型為beam,初始預(yù)應(yīng)力為500 kN,采用降溫法施加,定義風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)材料的溫度線膨脹系數(shù)為1 × 10-5?，F(xiàn)今風(fēng)機(jī)錨桿多采取無粘結(jié)錨固的施工方式,因而在模型中沿錨桿與混凝土共節(jié)點(diǎn)設(shè)置剛性彈簧限制徑向偏移,僅允許縱向收縮。鋼筋均采用T3D2桁架單元,嵌入于基礎(chǔ),其他部件均采用C3D8R實(shí)體單元,錨板與混凝土、墊層與土體之間材料不同,采用摩擦接觸,設(shè)置為有限滑移,切向采用庫侖摩擦接觸,摩擦系數(shù)為 0.35,法向接觸作用為硬接觸。相同性質(zhì)材料之間緊密結(jié)合,可視為不存在相對滑動,故采取綁定約束,協(xié)調(diào)受力變形。整體模型如圖2所示,共計劃分106 589個單元,其中中心小圓圈顯示的就是模型中錨桿與周圍混凝土共節(jié)點(diǎn)設(shè)置的剛性彈簧。

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元模型Fig.2 Wind turbine foundation finite element modeling

混凝土材料本構(gòu)采用CDP塑性損傷模型,考慮剛度退化和塑性損傷累積等材料性能劣化全過程,計算參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[15]附錄C中混凝土受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變公式進(jìn)行,其本構(gòu)曲線如圖3所示。而鋼材通常不易屈服,采取線彈性本構(gòu)便于計算。土體遵循摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,應(yīng)用簡單,又能充分反映土體的剪切特性,模型材料參數(shù)取值見表1和表2。

圖3 C40混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及損傷因子應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain and damage factor strain curves of C40 concrete

由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)通常在主風(fēng)向上受循環(huán)作用后產(chǎn)生疲勞損傷,因此本文僅計算疲勞荷載工況,參照該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)《設(shè)計計算總說明》,主要的荷載信息匯總?cè)绫?所示。通過在基礎(chǔ)頂面設(shè)置參考點(diǎn)集中施加荷載,參考點(diǎn)與上錨板頂面分布耦合約束。

表3 荷載工況

1.3 錨桿松弛計算工況

由于風(fēng)機(jī)對風(fēng)向敏感,在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間,迎風(fēng)側(cè)錨桿長期受拉,一旦松弛將致基礎(chǔ)嚴(yán)重?fù)p傷,因此按最不利原則假設(shè)主風(fēng)向迎風(fēng)側(cè)α角度內(nèi)錨桿松弛?？紤]到實(shí)際工程中可能存在著小范圍松弛輻射在年檢中未及時排查,本文定義α為18°,再擴(kuò)大范圍基礎(chǔ)將不能正常受力,研究意義不大。錨桿松弛區(qū)域見圖4。

圖4 錨桿松弛區(qū)域Fig.4 Anchor relaxation area

錨固區(qū)混凝土局壓作用較大,本文主要分析錨固區(qū)局壓混凝土的壓應(yīng)力分布變化,并在背風(fēng)側(cè)混凝土與上錨板接觸位置找到最大壓應(yīng)力點(diǎn),將其定義為局壓混凝土熱點(diǎn),進(jìn)一步開展局壓混凝土熱點(diǎn)的疲勞驗(yàn)算,示意圖如圖5所示。

圖5 局壓混凝土及熱點(diǎn)示意Fig.5 Partial pressure concrete and hot spot schematic

針對錨桿松弛的發(fā)展趨勢問題,宋洋等[18]已建立起描述外力作用下的錨桿預(yù)應(yīng)力損失模型,明確指出初始預(yù)應(yīng)力為500 kN時,錨桿的預(yù)應(yīng)力損失率最高可達(dá)20%,因此本文對松弛錨桿等比設(shè)置4%,8%,12%,16%和20%的預(yù)應(yīng)力損失,并應(yīng)用溫降法公式換算成相應(yīng)的溫度場施加,共計6種松弛工況,詳見表4。

表4 α角度區(qū)域錨桿松弛計算工況

2 計算結(jié)果分析

2.1 局壓混凝土疲勞計算方法

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對應(yīng)20 a使用壽命的等效循環(huán)次數(shù)為1×107,采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[15]給出的計算方法不符要求,德國勞埃德船級社(germanischer lloyd,GL)認(rèn)證的“Guideline for the certification of wind turbines”(2010)[19]推薦采用CEB-FIP Model Code[20]對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析,可針對不同等效循環(huán)次數(shù)要求進(jìn)行疲勞驗(yàn)算,因此本文參照該規(guī)范對局壓混凝土熱點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析?；炷疗诳箟簭?qiáng)度按式(1)、式(2)計算:

fcd,fat=0.85βcc(t)[fck(1-fck/25fck0)]/γc,fat,

(1)

(2)

式中:fcd,fat為混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度;βcc(t)為混凝土強(qiáng)度系數(shù);fck為混凝土靜力強(qiáng)度;fck0為參考靜力強(qiáng)度;γc,fat為疲勞工況混凝土材料分項(xiàng)系數(shù);s為水泥強(qiáng)度系數(shù);t為混凝土的齡期。

混凝土應(yīng)力幅通過式(3)、式(4)計算,再根據(jù)式(5)—式(7)計算混凝土疲勞強(qiáng)度對應(yīng)的疲勞壽命。 當(dāng)lgN1≤6時,取lgN=lgN1;當(dāng)lgN2>8時,取lgN=lgN2。最終若lgN>7,那么說明風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)能承受1×107以上循環(huán)次數(shù)的疲勞荷載作用,滿足規(guī)范要求。表達(dá)式如式(3)—式(7)所示:

ΔScd=Scd,max-Scd,min,

(4)

(5)

lgN2=0.2lgN1(lgN1-1) ,

(6)

(7)

式中:γEd為荷載分項(xiàng)系數(shù);ηc為混凝土壓應(yīng)力不均勻系數(shù);Scd,max,Scd,min為最大及最小壓應(yīng)力水平設(shè)計值;ΔScd為設(shè)計疲勞應(yīng)力幅;N1,N2,N3為循環(huán)次數(shù);σc,min,σc,max為疲勞谷值和峰值下混凝土最大壓應(yīng)力。

2.2 局壓混凝土疲勞分析

有限元計算結(jié)果顯示基礎(chǔ)底板的壓應(yīng)力變化在0.1 MPa以內(nèi),錨桿松弛對基礎(chǔ)底板受壓效應(yīng)微乎其微,可忽略不計,而對錨固區(qū)局壓混凝土的受壓效應(yīng)及分布影響較大,因此本研究就圖5所示的局壓混凝土展開疲勞分析。

在疲勞荷載谷值作用下,錨桿發(fā)生松弛后局壓混凝土壓應(yīng)力的數(shù)值分析結(jié)果如圖6所示。局壓混凝土全截面受壓,背風(fēng)側(cè)局部應(yīng)力較大,為應(yīng)力薄弱位置,最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在主風(fēng)向背風(fēng)側(cè)局壓混凝土與上錨板的接觸部位,受風(fēng)荷載方向性和錨桿松弛的雙重影響所致。通過對比圖6 a)—f)可以發(fā)現(xiàn),隨著錨桿松弛不斷加劇,局壓混凝土熱點(diǎn)應(yīng)力從11.32 MPa增大至13.91 MPa,增幅為22.87%,始終小于C40混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度設(shè)計值16.89 MPa,仍具有較大的安全儲備。此外,從圖6可以看出,局壓混凝土區(qū)域逐漸從迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移,錨桿松弛后局壓混凝土背風(fēng)側(cè)應(yīng)力集中益發(fā)明顯,任由發(fā)展必將導(dǎo)致該部位混凝土壓碎開裂,須及時對松弛錨桿復(fù)加預(yù)緊力,并對混凝土開裂部位予以灌漿加固。

圖6 疲勞谷值作用下局壓混凝土壓應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of compressive stress in partial pressure concrete under the action of fatigue valley

圖7為疲勞峰值作用下錨桿松弛后局壓混凝土的壓應(yīng)力分布云圖。與疲勞谷值的計算結(jié)果相比,局壓混凝土的受壓效應(yīng)整體上顯著加大,且從迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移的速度也更快。對比圖7 a)—f)可以發(fā)現(xiàn),局壓混凝土熱點(diǎn)應(yīng)力從12.15 MPa增大至23.36 MPa,增長了11.21 MPa,增幅高達(dá)92.26%,且S12工況下為19.13 MPa,超過C40混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度設(shè)計值16.89 MPa,不再滿足規(guī)范要求。S20工況下混凝土受壓區(qū)域集中于背風(fēng)側(cè),迎風(fēng)側(cè)混凝土退出受壓,轉(zhuǎn)為受拉,拉應(yīng)力最大為0.733 MPa,小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,說明混凝土在錨桿發(fā)生松弛時并不會發(fā)生受拉破壞,破壞形式仍以局壓破壞為主,須重點(diǎn)關(guān)注局壓混凝土受力情況。

通過對局壓混凝土在疲勞荷載谷值和峰值下的受壓應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn),局壓混凝土的受壓應(yīng)力水平在錨桿發(fā)生松弛后均有不同程度的上升,局壓混凝土熱點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)峻。結(jié)合以上數(shù)值計算結(jié)果,應(yīng)用第2.1節(jié)中所述的混凝土疲勞理論計算方法對局壓混凝土熱點(diǎn)的受壓循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)進(jìn)行評估,計算流程及結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 局壓混凝土熱點(diǎn)疲勞計算結(jié)果

由表5可見,當(dāng)錨桿松弛加劇,局壓混凝土熱點(diǎn)的疲勞應(yīng)力幅逐漸加大,松弛8%時已十分接近混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,而疲勞壽命隨即不斷減小,風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的期望壽命為1×107次,局壓混凝土熱點(diǎn)疲勞壽命在錨桿松弛達(dá)12%時低于期望值。綜合混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和疲勞壽命2項(xiàng)指標(biāo),錨桿松弛達(dá)到12%后,局壓混凝土的疲勞性能不再滿足要求。

3 結(jié) 語

本文以內(nèi)蒙古某3.0 MW錨桿預(yù)應(yīng)力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程為研究背景,通過在ABAQUS軟件中調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨桿的溫度場來模擬錨桿松弛過程中不同階段,對疲勞荷載工況下不同錨桿松弛比例時基礎(chǔ)局壓混凝土應(yīng)力分布變化進(jìn)行分析,并對局壓混凝土熱點(diǎn)開展了疲勞壽命驗(yàn)算,研究錨桿松弛發(fā)展過程中基礎(chǔ)局壓混凝土的損傷演化規(guī)律,得出如下主要結(jié)論。

1)錨桿松弛會對局壓混凝土的受力分布造成影響。隨著錨桿松弛加劇,混凝土受壓區(qū)域會從迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移,迎風(fēng)側(cè)混凝土將退出受壓,轉(zhuǎn)為受拉工作,背風(fēng)側(cè)混凝土應(yīng)力集中愈加突出。因此可重點(diǎn)關(guān)注背風(fēng)側(cè)混凝土的受力情況,以此作為錨桿發(fā)生松弛的判斷依據(jù)。

2)通過局壓混凝土熱點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度分析和疲勞壽命評估發(fā)現(xiàn),當(dāng)錨桿松弛達(dá)到8%時,背風(fēng)側(cè)混凝土極有可能發(fā)生局壓破壞;當(dāng)錨桿松弛達(dá)到12%,背風(fēng)側(cè)混凝土已低于疲勞壽命預(yù)期,極有可能發(fā)生疲勞破壞,須及時對松弛錨桿復(fù)加預(yù)緊力,限制錨桿松弛進(jìn)一步發(fā)展。綜合評判后可將錨桿松弛8%視為威脅基礎(chǔ)安全的紅線。

本文結(jié)合錨桿松弛頻發(fā)和混凝土局壓易碎的問題,采取數(shù)值模擬的方法對二者之間的潛在規(guī)律做了挖掘。研究成果雖對同類工程具有一定的指導(dǎo)意義,但研究過程中對荷載做了簡化,且仍局限于靜力分析?？紤]到實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中以動力受荷為主,后續(xù)可到現(xiàn)場做周期性監(jiān)測試驗(yàn)或提取SCADA荷載監(jiān)測數(shù)據(jù),整理形成可靠的荷載時程輸入模型,以更好地模擬真實(shí)的風(fēng)機(jī)受荷情形,使計算結(jié)果更具說服力。此外,本研究僅著重分析錨桿松弛對基礎(chǔ)局壓混凝土疲勞性能的影響,忽略了疲勞循環(huán)次數(shù)對錨桿松弛的影響,下一步研究可將該因素考慮在內(nèi)。