风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究

风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 水利水电技术第42卷20l1年第l期 风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 练继建,刘喜珠,张立英,王海军 (1.天津大学建筑37_程学院,天津30(0172;2.中国水电顾问集团西北勘测研究 院,陕西西安710065) 摘要:为了提高风机基础设计的安全性和经济性,结合其基础结构承受大弯矩荷载 的情况,通过分 析金属环和结构截面尺寸对基础受力,损伤的影响,研究了风机重力式基础以及桩 基的上部承台细部 钢混结构布置,指出了风机钢混组合基础的损伤主要发生在金属环附近混凝土和 受压侧基底混凝土, 并提出了金属环埋置深度,基础上阶高度和金属环外围混凝土厚度等合理的细部 尺寸,以保证结构受 力的合理性.这对风机基础结构设计有较强的指导意义. 关键词:风机基础;钢混组合结构;非线性分析;细部损伤 中图分类号:TM614文献标识码:B文章编号:1000—0860(2011)01—0048—06 Studyandanalysisondetaileddamagesofsteel-concretecompositestructureforwindturbinefoundation LIANJijian,LIUXizhu,ZHANGLiying,WANGHaijun (1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 2.NorthwestHydroConsultingEngineers,CHECC,Xi'an710065,Shaanxi,China) Abstract:Inordertoenhancethesafetyandeconomyofthedesignofthefoundationforwindturbine,thegravityfoundationfor windturbineandthearrangementofthedetailedsteel— concretecompositestructureforthebearingplatformofitspierfoundation arestudiedbasedontheconditionofitsfoundationstructureundertheloadingwithlargebendi ngmomentthroughanalysisonthe effectsfromthedimensionsofthemetalringandthestructuresectionsontheload— bearinganddamageofthefoundation;from whichitispointedoutthatthedamagesofsteel— concretecompositefoundationmainlyoccurattheconcretenearthemetalring andtheconcreteofthefoundationbottomattheloadingside,furthermore,thereasonabledetai leddimensionsoftheembedded depthofthemetalring,theupperstepheightofthefoundation,thethicknessofthemetalringou tsideconcrete,etc.areputfor- wardaswell,SOastoensurerationalityofthestructureload— beating.Thishasahigherengineeringguidingsignificanceforthe designofthe~undationstructureforwindturbine. Keywords:windturbinefoundation;steel— concretecompositestructure;nonlinearityanalysis;detmleddamage 1引言 风机基础是确保风力发电机组安全稳定运行的 决定性因素,它要承受从风机塔架通过金属环传到 基础的各类荷载.风机基础属于钢混组合结构,这 种组合结构的受力特性十分复杂.风机基础的设计 方法还不成熟,还没有形成专门的设计,设计 中一般借鉴建筑,电力等行业的相关规范,造成风 机基础设计的细部结构不合理,导致风机基础结 构的安全储备不够或者非主要受力部位材料使用 浪费.近年来,我国风力发电事业迅速发展,许 多风电场工程已相继建成发电,也曾出现在台风 等极端工况时风机基础倾倒破坏的工程实例,见 图1. 为了提高风机基础设计的安全性和经济性,本文 通过对风机基础钢混组合结构细部破坏的受力特性进 行非线性分析,研究风机重力式基础以及桩基的上部 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 201009..03 国家杰出青年科学基金(50725929);国家科技支撑项目 (2008BAB29B04). 练继建(1965一),男,教授,院长. WaterResourcesandHydropowerEngineeringVoL42No.1 图1风机基础破坏示意 承台钢混组合结构细部布置,分析金属环和结构截面 尺寸对基础受力的影响,提出了合理的细部尺寸比例 和金属环安装深度,提高了结构受力的合理性和安全 性,免去不必要的材料浪费.本文的研究成果对风机 基础钢混组合结构的细部结构设计和结构截面尺寸优 选具有重要的参考和实用价值. 2计算模型及材料参数 2.1模型和参数 以某风电工程为背景,建立风机基础钢混组合结 构有限元模型,见图2.考虑了结构和荷载具有平面 对称性(单轴弯矩作用和竖向荷载),模型选择一半计 算,节省计算费用.计算模型中,基础直径为16m, 高度3m,金属环直径4.4m;地基宽度取为基础直 径的4倍,厚度取为基础高度的3倍;金属环与混凝 土之间以及基础与地基之问的采用非线性接触处理; 钢筋按实际工程基础中的钢筋笼布置,如图3所示, 钢筋模拟采用离散的分离式模型;混凝土的本构关系 和破坏准则采用多线性等向硬化模型MISO和Wil. 1am—Warnke五参数模型;钢筋和金属环作为金属材 料,采用双线性随动强化模型BISO,见表1. 图2有限元计算模型 表1材料参数 材料属性 钢筋和金属环弹模210GPa,泊松比0.3,P=7800kg/m 混凝土弹模30GPa,泊松比0.2,P=2500kg/m 地基弹模1GPa,泊松比0.32 水利水电技术第42卷20l1年第1期 练继建,等?风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 图3钢筋结构模型 2.2计算荷载 风机基础所受的荷载主要由风机和塔架自重作 用下的竖向力F扪叶轮受到暴风作用时的气动推 力,塔架表面受到的分布风荷载组成.地基基础设 计时将同一工况两个水平方向的力和力矩分别合 成为水平合力F,水平合力矩,按单向偏心 计算.基础设计采用极限平衡法,荷载大小选取 为REpower公司提供的1.5MW风机基础设计荷 载,且pF=2107.29kN,F::597.1kN,M^= 27672.71kN?m.鉴于风电机组主要荷载——风荷 载的随机性较大,且不易模拟,对荷载修正,取k. = 1.35的安全修正系数. 3基础钢混结构细部损伤分析 在基础结构承受大弯矩作用时,金属环与混凝土 之间的接触网格可脱开,见图4.在受拉侧金属环被 拔起,与混凝土之间脱离约0.63mm,这对上部结构 ,防止基础上表面混凝土剥离 的倾斜影响很大.因此 钢筋出露,应做好金属环与塔基的衔接工作.同时通 过有限元计算知道,混凝土的受压应力较小,在混凝 土压应力强度范围内.局部混凝土拉应力较大,是产 生混凝土损伤裂缝的主要原因,所以本文重点分析结 构应力及结构损伤裂缝发展状况,以确保结构的安全. 图4风机基础变形局部放大图(放大300倍) 极端工况下基础损伤裂缝分布见图5(金属环上翼 ,,一一 50 3.5 3.0 曼2.5 2.0 1.5 1.O 0.5 . 『I 一I;~,-14cm- t . 1… 2-2 2.0 1.8 至1.6 1.4 辑 1-2 1.0 0.8 蹲联L r l10cml l14cmll_?-5. 2cmI. 一 l二=!!厂 一 9O-4500 受拉侧下翼缘高度沿圆周/(.) (a)金属环下翼缘 4?0 3?5 3.0 皇2.5 \ 2.o 辅1. 5 1.0 0.5 459o 基础底面沿圆周/(.) (b)基础底面 图7金属环周围混凝土拉应力变化 托…卜_?_l1 一;.!\ll—Ii一 9O-450 2?2 2?O 1?8 三1.6 蔷1.4 辑l_2 1?O 0.8 .tt . _ 一 — I-0.467一_一 - — ._0.533 , _?_0.600一_ —— — 0.667 - — }0.733 , ? 金属环底部沿圆周,(.)基础底面沿圆周/(.) (a)金属环下翼缘(b)基础底面 图8拉应力变化 整体受到弯折作用,在受压侧基础底面也出现了较大 拉应力,这2个区域的受力与金属环的埋深有着直接 的联系.为了探讨金属环埋深对基础受力和损伤状况 的影响,以双翼缘金属环传力,风机基础总高度3m 模型计算,分析金属环埋深与基础总高度比例为 0.467,0.533,0.600,0.667,0.733时基础的受力 情况,计算结果见图8. 双翼缘金属环基础的位移很小,不同埋深情况 下金属环和混凝土的位移差异也不大,本文不再细 述.由图8可知,金属环埋深与基础总高度的比例 由0.467到0.733变化时,金属环下翼缘处的混凝 土应力迅速减小,基础底部的拉应力缓慢增大.当 金属环埋深为0.600,0.667时,金属环下翼缘附 近混凝土应力变化减缓,金属环下翼缘周围混凝土 的损伤裂缝在三向减少,径向由金属环外侧2m减 少到0.4m范围内;深度上,损伤裂缝由金属环下 翼缘底部向基础底部发展0.3m左右,稍有增长; 在金属环圆周方向,由60.裂缝发展长度缩小为35. 左右裂缝长度.当埋深比例达到0.733时,因基础 底部拉应力增大又使基础底部混凝土开裂增加,致 使基础底部裂缝与金属环下翼缘裂缝贯通,基础损 水利水电技术第42卷20l1年第1期 练继建,等?风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 伤裂缝发展迅速.可见,基础 损伤裂缝随着金属环埋深的增 大先减少后增多.综合考虑金 属环下翼缘需要的锚固力和基 础底部的安全,尽力使基础细 部混凝土损伤裂缝达到最少, 建议金属环埋深与基础总高度 的比例为0.550,0.650.结合 工程经验,若基础上部采用台 柱的形式,金属环埋深一定要 埋入基础下阶,以防上部基础 结构不稳定.为保证台柱的冲 切安全,金属环埋深可适当增 加,但不宜超过0.7. 4.2台柱型基础结构型式的损 伤状况研究 将受力很小的边缘混凝土削 减,形成台柱型的基础结构型 式.实际工程中,为了节约成 本,重力基础或桩基承台通常采 用台柱型结构.该类基础的上阶 高度和宽度是影响基础局部安全 的最直接因素,而该尺寸的确定 目前却没有明确的规定,造成工程应用中基础上阶表 面的混凝土有损坏剥离的现象,为工程安全留下很大 的安全隐患.本节从细部受力和损伤状况出发,计算 分析,提出合理的基础上阶高度和宽度设计尺度,为 工程设计提供有效的引导作用. 4.2.1上阶高度 通过第三部分的基础结构细部损伤分析,得知: 在基础上部,基础混凝土应力主要分布在金属环外侧 1m范围内,1m以外的混凝土应力很小,因此,可 以将基础设计成上下阶的形式,削减的混凝土部分用 回填覆土替代,节省工程费用.从节省混凝土量方面 来讲,基础上阶占基础总高度的比例越大越好,但 却危及上阶台柱的稳定安全,探讨台柱型基础结构 上阶的比例对基础结构局部稳定的影响很有意义. 由4.1.2可知,金属环的埋深比例不宜超过基础高 度的0.7,且金属环埋深一定要深入下阶,所以下 阶比例至少为整体高度的0.3.本小节以双翼缘金 属环埋深为1.8m的31TI高基础为例,分析基础上 阶占基础总高度比例为0,0.3,0.4,0.5,0.6时 风机基础的受力状况. 从基础的主应力分布图(图9)可以看出,台柱型 51 练继建,等?风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 图9基础混凝土拉应力分布 +金属环 +混凝土 上阶比例/ (a)基础位移变形 4.0 3.5 芝2.5 着2.o 翎1 .5 1.0 0.5 式的基础结构,除了金属环下翼 缘和基础底部应力集中以外,台 柱边缘上下阶交界处也出现应力 集中的趋势,该部位的应力值也 值得关注.由图10可知:上阶比 例增大,基础结构体积减小,整 体刚度减小,位移和应力呈增大 趋势.上阶高度比例为0. 3时. 一下翼缘 一基础底面 — 一上下阶交界处 0.1 上阶比例/m (b)基础关键部位的最大拉应力 图10上阶高度对基础结构的影响 皇\ +O.5 +O.8 '1.O 十l3 — 90 受拉侧 -45 沿圆周/(.) 图11上阶宽度对基础表面混凝土拉应力变化 鲫如.蚓型 l,啦 图133MW风机基础超过1.2MPa的应力分布区域展示 虑到基础表面混凝土的疲劳特性,结合工程实际经 验,建议金属环外围混凝土厚度不宜小于1.5m. 4.33MW风机验证 将在1.5MW风机荷载下计算的基础结构结论, 应用到3MW风机荷载下的对应基础上,验证以上结 论的推广性.采用金风3MW风机发电机组极限工况 下荷载,即F=1509.8kN,Fzk=4277.9kN,M = 114101kN?m,材料特性以及模拟处理方式同 上.计算模型基础环厚度10cm,埋深与基础总高 度的比例为0.6,基础上阶高度与基础总高度的比 例为0.38,基础上阶金属环外围混凝土厚度宽度大 于1.5m,在原钢筋笼基础上,金属环上下翼缘间 加了一排锚固钢筋.通过计算可以看出,集中应力 区域较小,基础环上翼缘附近及基底的混凝土应力 超过1.2MPa的区域,在0.5m范围之内,基础环 下翼缘附近的混凝土应力超过1.2MPa的区域在 0.38m范围之内,混凝土才开始出现损伤裂缝,裂 缝均在金属环周围0.3m范围内,且裂缝问不贯通 成宏观断裂裂缝,有效减小的混凝土损伤裂缝的发 展.可见以上结论可应用于大荷载的3Mw风机重 力式钢混基础或桩基承台. 5结论 通过以上分析计算,提供风机重力式基础和桩 基上部承台的细部受力和损伤状况分析,为加强基 础结构主要受力部位指明方向,为工程的安全提供 保障;结合细部计算结果,对基础截面形式进行了 改进,改进结果符合实际,有效节约成本,对工程 设计有很大的指导意义.现将分析计算结论,表述 如下: (1)风机钢混组合基础的损伤主要发生在2个细 部,即金属环上下翼缘周围的混凝土和金属环延伸对 应的基础底部.在该两细部加强钢筋锚固,有效避免 损伤裂缝的发展. (2)金属环的影响,金属环厚度越大,基础变形 和应力呈减小趋势,可阻止基础细部混凝土损伤裂缝 水利水电技术第42卷2011年第1期 练继建,等?风机基础钢混组合结构细部损伤分析研究 的发展;金属环埋深位置直接影 响下翼缘及基础底部的局部安 全,建议埋置深度为基础总高度 的0.550,0.650,若基础上部 采用台柱的型式,金属环埋深一 定要埋人基础下阶,以防上部基 础结构不稳定. (3)结构尺寸的影响,台柱 型风机基础上阶高度过大可能导致台柱边缘的应力集 中,建议上阶高度为基础总高度的0.3左右,不宜超 过0.4;上阶宽度需满足金属环外围混凝土的抗冲切 和上阶台柱的截面需满足整体抗弯,经分析建 议,金属环外围混凝土厚度不宜小于1.5m,且该值 与上阶高度差宜在20%以上. 参考文献: [1]刘万坤,等.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版 社.2007:40—48. [2]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社, 2002:53—55. [3]水电水利规划设计总院,FD003--2007,风电机组地基基础设 计规定(试行)[s]. [4]PekkaMaunu.DesignofWindTurbineFoundationSlabs[D].Lulea UniversityofTechnology,2008:128. [5]徐有邻.钢筋与混凝土粘结锚固的分析研究[J].建筑科学, 1992(2):18—24. [6]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北 京:清华大学出版社,2005. [7]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电 出版社,2005. [8]宫靖远,等.风电场工程技术[M].北京:机械工业出版 社,2007:200-207. [9]Eurocode7:Geotechnicaldesign—Part1:generalndes—section6spread foundations[R].EN1997一l:2004. [1O]邹宪恩.大型风力发电机基础设计与施工[J].风力发电, 1994(4). (责任编辑聂建平)