预应力风机基础与风机机组塔架连接分析

丁同光 李 武

(1.大唐新疆发电有限公司风电项目筹建处，新疆 乌鲁木齐 830011; 2.北京中水恒信环境科技发展有限公司，北京 100076)

0 引言

目前风机塔架底部同风机基础连接段的连接方式有L法兰直接连接基础环，T法兰直接与基础混凝土或者基础环相连。L法兰与基础环连接是可行的，但其与混凝土相互连接已经被证明是存在安全隐患的。T法兰既可以同基础环相互连接也可以同混凝土相连接。由于T法兰同混凝土相互连接更具有经济优势，也是未来风机基础连接方案的发展方向。本文通过介绍使用泰普预应力锚杆与T形法兰连接形式的预应力风机基础的计算方法和有限元验证，再次验证了T形法兰在预应力风机基础上应用的优势。

1 塔基法兰与地基混凝土连接结构设计

1.1 荷载分析

由于基础是一个系统，应该考虑基础的不同部分，因此在分析受力时其荷载需考虑周全。相关基础荷载由下列各项组成:

竖向荷载:

弯矩:

式中:γG——竖向力;

γF——水平力矩分项系数;

Fz——竖向力;

Fres——水平力;

Mres——水平力矩;

eF——从塔底座法兰到基础底面的距离(见图1)。

1.2 隔离体荷载

锚件沿塔架壳体直径圆周均匀分布，锚件上荷载的计算通过提取出一个锚件(T)的小段以及带有塔架壳体于法兰塔架段的隔离体来进行分析。对于T形法兰隔离体是指包含两个锚件的小段。

已知每段地塔架壳体内的极限荷载(每小段):

其中，Na为隔离体数目;D为法兰平均直径。

由于弯矩作用，塔架法兰在迎风侧受拉而在背风侧受压，所以每小段的总荷载为(此处向上为正):

迎风侧:

背风侧:

锚件为后张，在已知锚件与混凝土的弹簧刚度时，可计算由锚件承受的部分外荷载。

1.3 法兰下方及锚件内的应力

1.3.1 塔架T形法兰下受拉侧的应力

计算灌浆和其正下方的混凝土内的应力时，其简易方法将使用式(7):

其中，Aeff为受压灌浆或混凝土的有效面积;Pa为锚件的预应力。

灌浆:

混凝土:

其中，wT为法兰的宽度;Dt为塔架的平均直径;Na为隔离体的数量;do为塔架法兰螺栓孔直径;da为锚杆的直径;tg为法兰下灌浆的厚度;α为应力分布角度，45°。

1.3.2 塔架T形法兰下受压侧的应力

T形法兰受压侧下方的灌浆及混凝土的应力计算与受拉侧不同。由于外荷载的方向与锚杆力的方向相同，因此要考虑外荷载对锚杆应力的损失的影响。

其中，σPtd′为外荷载引起的法兰下方灌浆及混凝土的应力，其计算公式为:

其中，σPa′为受压侧锚件内荷载引起的法兰下方灌浆及混凝土的应力，其计算公式为:

2 有限元验证

2.1 坐标系及极限荷载

为了验证以上计算，现采用某1500风力发电机组配套T法兰进行有限元模拟。基础荷载的计算数据采用极限荷载工况下塔基法兰处的荷载数据(不含放大倍数)，见表1。

表1 极限荷载工况下塔基法兰处的荷载

坐标系采用GL规范坐标系，坐标系如图2所示。

图1 基础静荷载

图2 荷载坐标系

2.2 法兰及基础尺寸数据

基础半径为2.5 m，高度为2.85 m的混凝土圆柱体。其各部分的尺寸数据详见图3。

图3 T形法兰与基础连接结构尺寸数据图

2.3 有限元验证

极限荷载工况下T法兰与混凝土连接的有限元分析模型如图4所示，泰普风电专用预应力锚杆分布于法兰内外两圈，各60根。在法兰与灌浆料接触面的圆心处设置参考点RP-1，并采用Coupling方式耦合到塔筒壁上，参考点RP-1作为外荷载加载的点;而参考点RP-2位于高度为1 m的塔筒段的顶端圆心处，并与塔筒段上表面耦合，参考点RP-2用来计算塔筒在外荷载作用下的倾斜角度。

图5显示的是在极限荷载作用下T形法兰与基础连接的整体Mises应力云图，锚杆中施加的预紧力为500 kN，图形显示的变形系数为1。整个模型中最大应力为374.6 MPa，产生于锚杆中。

图4 T形法兰与基础连接的三维有限元模型

图5 T形法兰与基础连接的Mises应力图

图6给出了T形法兰与灌浆的应力云图，从图6中并没有看出法兰与灌浆之间发生明显的脱开。而T法兰发生脱开主要为内外圈螺栓中间的位置，因此图7提取了法兰以及灌浆接触面上受拉端内外圈螺栓之间的位移曲线。从图7中可以看出法兰与灌浆接触面上的位移均为负值，而且完全重合，说明法兰与混凝土之间没有发生脱开，满足要求。

图8是灌浆在极限荷载工况下的应力云图，图8中可以看出灌浆受到的最大应力为32.8 MPa，远远低于灌浆的抗压强度80 MPa，因此灌浆的强度也满足要求。

图6 T形法兰与灌浆应力云图

图7 T法兰与灌浆接触面上内外螺栓之间的位移曲线

图8 灌浆应力云图

除了法兰与基础之间的连接不能产生脱开外，塔架沿高度方向的水平位移不能超过2 mm/m，通过提取塔筒1 m处圆心位置的参考点RP-2的位移曲线图可以得到水平位移为0.225 mm，此结果满足要求(见图9)。

图9 参考点RP-2的位移曲线图

3 结语

通过理论计算分析和有限元结果验证，可以得出如下结论:

文中采用的T形法兰与基础之间连接的理论设计方案是正确的，能够满足极限荷载工况下的要求，并且与有限元验证结果相符。

[1] IEC 61400-1 Ed.3.0:Wind turbines-Part 1:Design requirements，2003.

[2] EN 1992-1-1:Design of concrete structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings，2004.

[3] EN 1993-1-1:Design of steel structures-Part 1-1:General rules and rules for buildings.2005.

[4] EN 1997-1-1:Geotechnical design-Part 1:General rules，2004.

[5] Petersen，C.:Stahlbau.Braunschweig:Vieweg ＆ Sohn，1998.