辉腾锡勒风力发电机基础有限元分析

张 迪，罗全胜，刘宪亮

（1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003）

0 引言

风力发电机基础是风电场建设的主要土建工程，作为风机塔架的基础，其所承受的荷载，各个方向均有可能。其中水平风荷载和倾覆力矩较大，对整个基础影响较为明显[1~4]。 风力发电机基础为特种钢筋混凝土结构，内部钢筋分布复杂，为了验证其主要受力钢筋配筋和配置形式的合理性，以辉腾锡勒风电项目风力发电机基础为例，采用有限元法，对其底部钢筋网和基础环附近竖向钢筋进行分析。

1 工程概况

辉腾锡勒扩建30MW 风电项目位于内蒙古自治区乌兰察布市察右中旗境内，紧邻原有风电场场区，拟建东西两个场区。 两场区共布置22 台风力发电机，其中备选风力发电机两台。 风力发电机基础采用圆形扩展基础，高度为3.20 m，顶部台柱高度为1 m，分为上下4 节（如图1 所示）。 其内部的受力钢筋主要包括基础底部钢筋和基础环内外的竖向钢筋等。

初设时，底部主筋的分布采用双向正交分布（形式1，如图2 和图3 所示）。 由于风机基础承受上部的水平风荷载和倾覆力矩较大，360°风向均有可能[1]，形式1 并不符合风机基础的受力特点。 经过进一步分析研究， 决定采用径向分布 （形式2， 如图4 所示）。基础环内外，风机基础台柱外侧的竖向钢筋，位置如图5 所示。

图1 风机基础立视图(单位:mm)Fig.1 Wind-driven generator foundation elevation view (Unit: mm)

图2 形式1 底部主筋双向正交分布Fig.2 Type 1 bottom main reinforcement two-direction orthogonal distribution

图3 形式1 主筋上层的加密钢筋网Fig.3 Reinforcing mattress of type 1 main reinforcement layer

图4 型式1 底部主筋径向分布Fig.4 Type 1 bottom main reinforcement radial distribution

图5 有限元模型中模拟的竖向钢筋Fig.5 Vertical steel of finite element model simulation

2 有限元计算原理及模型

2.1 计算原理

有限元模型模拟钢筋混凝土的方式主要包括分离式、整体式和组合式。 本文采用的是整体式处理方法，即把钢筋分布于整个单元之中，混凝土与钢筋黏结得较好。 假设单元为连续均匀材料，其特点是对混凝土和钢筋单元的刚度矩阵进行了综合[5]。

计算完成后，通过定义单元表，可以查看钢筋的应力。 钢筋混凝土单元采用solid65 单元进行模拟，单元应力应变关系的总体刚度矩阵如式（1）所示。

式中：Nr为钢筋的数目（能够设置3 种）；ViR为加固材料的体积率，也就是体积配筋率；[Dc]为混凝土的刚度矩阵；[DR]i为第i 个加固物即钢筋的刚度矩阵。

2.2 有限元模型

有限元模型主要对风力发电机基础底钢筋和基础环内外的竖向钢筋进行模拟。 根据设计部门提供的资料，选取极端荷载工况修正后的荷载，水平合力矩841 kN·m， 扭矩44 200 kN·m， 水平合力558 kN，竖向力2 564 kN。 风机基础顶部锥面施加由覆土产生的梯形荷载。

在基础环的顶部，设置刚性区域，荷载通过质量单元传递到基础环顶部。 为符合工程实际，在基础环内外壁与混凝土的交界处、风机基础底部与地基的交界处，均设置有接触单元。 风机基础的有限元模型如图6 所示，模型参数如表1 所示。 图6 中颜色较深的单元为加筋单元。

图6 风机基础整体网格模型Fig.6 Wind-driven generator foundation integrity gridding model

表1 风机基础有限元模型参数Table 1 Wind-driven generator foundation finite element model parameter

3 结果分析

在有限元模型中，在相同钢筋用量的前提下，分别对两种不同的配筋形式进行了分析和对比。 在风机基础作用于地基之前，地基沉降已经完成，所以底部扩展地基重度为0。

经计算，当产生弯矩的风向平行于底部主筋，底部主筋采用形式1 分布，X 方向钢筋最大应力为67.150 MPa，Y 方向钢筋的最大应力为4.175 MPa。钢筋应力如图7 和图8 所示。 当风向与双向正交分布钢筋夹角均为45°时，底部主筋钢筋应力如图9和图10 所示。 由于荷载中扭矩的影响，两个方向钢筋的最大应力有着微小的差别，X 方向顺时针旋转45°分布的钢筋最大应力为45.9 20MPa，逆时针旋转45°分布的钢筋最大应力为46.082 MPa。

当底部主筋采用形式2 分布时， 径向分布的钢筋最大应力为39.440 MPa， 环向钢筋的最大应力为12.780 MPa（如图11 和图12 所示）。

图7 形式1 平行风向钢筋应力Fig.7 Type 1 parallel wind direction steel stress

图8 形式1 垂直风向方向钢筋应力Fig.8 Type 1 vertical wind direction steel stress

在竖向钢筋中， 基础环内外侧的竖向钢筋出现了较大拉应力。底部主筋在径向配置时，竖向筋的最大钢筋应力达到了124.837 MPa。底部主筋为双向正交分布，风向与底部主筋平行时，竖向筋最大应力为126.468 MPa。 双向正交分布底部主筋与风向成45°夹角时，竖向钢筋最大值为134.047 MPa。

图9 形式1 X 轴45 度方向钢筋应力Fig.9 Type 1 X axis 45 degree direction steel stress

图10 形式1 X 轴-45 度方向钢筋应力Fig.10 Type 1 X axis -45 degree direction steel stress

图11 形式2 径向钢筋应力分布Fig.11 Type 2 radial direction steel stress distribution

4 结语

图12 形式2 环向钢筋应力分布Fig. 12 Type 2 loop direction steel stress distribution

底部主筋采用以上两种形式分布时，风机基础主要受力钢筋的应力均未达到屈服极限，因而这两种配筋方案是合理的。但是，径向分布不受风向改变的影响，而双向正交分布受风向影响较大，风向改变时，底部主筋的应力最大值相差达到50%。 采用同样的配筋量，在双向正交的情况下，无论当风向平行于底部主筋，还是与底部主筋成45°夹角，钢筋应力均大于径向分布时的钢筋应力。因此，风机基础底部主筋径向分布要优于双向正交分布。

在通常情况下， 风机基础底部配筋计算主要由极端荷载工况基础变台阶处抗弯控制，但是在有限元计算中，钢筋应力最大处出现于基础环受压一侧的正下方，也正好在此处，风机基础的下凹处变形最大（如图13 所示）。 关于底部配筋控制断面的选取，还有待于进一步研究。

图13 风机基础混凝土垂直剖面位移图Fig.13 Concrete vertical section vertical displacement of wind-driven generator foundation

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