FLAC3D用于重力式风电机组基础加固前分析

吴勇，李红有，刘金全

（龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司，北京 100034）

FLAC3D用于重力式风电机组基础加固前分析

吴勇，李红有，刘金全

（龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司，北京 100034）

某台风电机组运行数年后预埋钢环与基础混凝土脱开，为分析基础内部应力状态并为基础加固提供意见，采用FLAC3D三维有限差分软件，建立考虑混凝土基础、预埋式基础环、土体共同作用的整体模型。计算结果表明，基础环与基础台柱（以下简称“台柱”）顶面接触处、台柱与底板交界处、基础环底法兰下延长线与底板底面交界处应力较大；加固阶段若增大台柱半径，台柱与底板交界处应力将减小，但基础底板由基础环冲切引起的拉应力未减小；台柱半径大小不是基础环与基础脱开的决定因素。

风电机组基础；基础加固；三维快速拉格朗日方法(FLAC3D)

0 引言

重力式基础是最常见的陆上风电机组基础型式，上部风电机组塔筒与钢筋混凝土基础之间大多通过预制钢制基础环连接。现行风电机组基础设计规范中并没有考虑基础环脱开、冲切、局部受压作用而对基础的构造、配筋做详细规定，需要设计者对此做专门研究[1]。越来越多的研究人员采用数值分析的方法研究这一问题，对基础设计提出了一些建议。

某风电场一台风电机组运行数年后，基础环与风电机组基础之间产生一道约10mm的缝隙并伴随风电机组转动“一张一合”，见图1。风电机组基础混凝土等级C30，基础底板半径5.5m，底板厚1.1m，台柱半径2.11m，台柱高0.9m，见图2。基础环内外表面均匀分布共300根长15cm的Φ20光圆锚钉，底板上部位置有60根 25径向穿孔钢筋。

图1 接触面开裂

图2 风电机组基础尺寸

1 FLAC3D的主要特点

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件之一[2]。作为有限差分软件，相对其它有限元软件，在算法上，FLAC3D是一个利用显式有限差分方法对岩土工程进行分析和设计的三维连续介质程序。FLAC3D求解中使用显式差分方法，不形成刚度矩阵，可节约计算机存储空间，减少运算机时，提高求解速度，便于在计算机上实现非线性大变形问题的求解。

2 计算模型及参数

采用FLAC3D三维有限差分软件，建立考虑钢筋混凝土基础、基础环、土体共同作用的整体模型。基础与下卧土体、基础与基础环之间采取接触面单元作用，基础与土体之间接触面允许脱开；基底土体为较完整风化岩，且不是应力分析主体，为加速收敛，不考虑塑性变形。基于对称性，取整体模型一半分析，计算模型见图3。模型三维尺寸为20m×10m×10m，模型的边界条件为：在对称面上施加对称边界条件，竖向边界约束水平方向位移，底面约束三个方向的位移，上表面边界自由。

单元网格采用不均匀网格，基础环及基础环附近周围网格较密，远处网格稀疏。钢筋混凝土基础采用整体式建模，本构模型参数见表1。钢筋混凝土及基础环的体积模量K、剪切模量G由弹性模量E、泊松比γ换算得到，E、γ参考《混凝土结构设计规范》[3]和FLAC3D手册[2]；风化岩模型参数参考相关手册[4]和算例。

3 基础顶面荷载

风电机组厂家提供的上部风电机组传至塔筒底部的正常荷载和极限荷载见表2（不包含安全系数），荷载坐标系见图4。将竖向荷载Fz和水平面合弯矩Mres乘以1.35的安全系数[1]（假设合弯矩沿X轴正方向，见图5），再通过积分计算折算为应力边界条件施加在基础环上法兰顶面。

4 计算结果

计算了正常荷载和极端荷载两种工况，基础最大主应力、最小主应力云图见图6－图9。令X轴正方向为右侧。在左侧基础环与台柱顶面接触处、左侧台柱与底板交界处、右侧基础环底法兰下延长线与底板底面交界处有较大拉应力；在右侧基础环与台柱顶面接触处、右侧台柱与底板交界处有较大压应力。为便于阐述，将上述拉、压应力较大区域编为1－5号，见图10。1处即为基础环与混凝土基础脱开处，分析基础环脱开原因，即在超载情况下此处拉应力超过锚钉锚固力。通过核算2－5处配筋，满足应力要求。

表1 本构模型参数

图3 整体有限差分模型

表2 正常荷载和极限荷载

图4 载荷坐标系

图5 基础顶面合弯矩示意

图6 正常荷载工况最大主应力δmax=3.076MPa

图7 正常荷载工况最小主应力δmin=4.97MPa

下一步采取基础台柱加固措施，拟凿除基础环外围台柱后，在底板上植筋，重新浇筑外围台柱混凝土，新的台柱半径拟采用2.61m。为研究新基础应力分布情况，重新建模分析，正常荷载和极端荷载两种工况下，基础最大主应力、最小主应力云图见图11－图14。

图8 极端荷载工况最大主应力δmax=8.195MPa

图9 极端荷载工况最小主应力δmin=16.104MPa

图10 基础主要拉、压应力区

5 结语

图11 正常荷载工况最大主应力δmax=3.25MPa

图12 正常荷载工况最小主应力δmin=4.17MPa

图13 极端荷载工况最大主应力δmax=9.65MPa

图14 极端荷载工况最小主应力δmin=11.34MPa

与原基础应力云图对比可知，在正常荷载和极端荷载工况下，2、5区域拉、压应力显著减小，3处拉应力基本不变，1、4处拉、压应力反而增大。可见台柱半径增大并不能减小基础底板拉应力，仅对台柱与底板交界处应力有显著改善。基础环内外表面分布的300根光圆锚钉相当于现在陆上大功率风机基础的基础环的“穿孔钢筋”，起到锚固作用。因此笔者建议用带肋钢筋代替光圆锚钉，钢筋型号和锚固长度参考土钉墙计算公式，钢筋与混凝土粘结力可由现场试验确定；台柱半径满足钢筋锚固长度即可[5]。

由上文分析可以得出以下结论：

（1）基础环与台柱顶面接触处、左侧台柱与底板交界处、右侧基础环底法兰下延长线与底板底面交界处有较大拉应力，是风电机组基础设计时需要特别注意的地方；

（2）基础环与混凝土基础脱开原因为超载情况下，局部应力超过了基础环与台柱顶面接触处的锚固力；

（3）增大台柱半径，台柱与底板两侧交界处应力减小；由基础底板底面的拉应力未减小；台柱半径满足钢筋锚固长度即可，不是基础环与基础脱开的决定因素。

[1]水电水利规划设计总院. 风电机组地基基础设计规定（试行） FD 003-2007 [S].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2]陈育民,徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3]中国建筑科学研究院.GB50010-2010混凝土结构设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4] 常士骠,张苏民.工程地质手册（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[5]王学文,等. 对单墩P&H无张力新型风电机组基础的对比研究[J].风能, 2012(1):70-72.

Analysis of Gravity Type Wind Turbine Foundation Based on FLAC3Dbefore Foundation Reinforcement

Wu Yong, Li Hongyou, Liu Jinquan
(Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering & Consulting Co., Ltd., Beijing 100034, China)

A wind turbine separated from the concrete foundation ather running for several years. In order to analyze the state of stress and give advice to foundation reinforcement, analysis of 3 Dimensions (FLAC3D) was applied to create the model consist of reinforced concrete, embedded steel ring and soil. The calculation results illustrated that the stress of the following regions are relatively large:the contact boundary of steel ring and top surface of the foundation pillar, the contact boundary of the foundation pillar and plate,the junction of the extension line of the bothom fl ange of the steel ring and the foundation plate. Increasing the pillar radius caused the decrease of stress of the contact boundary of the foundation pillar and plate, while the tensile stress of foundation plate caused by the steel punching was not decreased. The size of pillar radius is not the determinant of base ring and base o ff.

wind turbine foundation; foundation reinforcement; FLAC3D

TM614

A

1674-9219(2013)11-0108-05

2013-09-12。

吴勇（1987-），男，江苏赣榆人，硕士，主要从事岩土工程及风电机组基础设计、研究工作。