风机基础的连接特性分析及加固

陈春华

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650051)

0 前言

为获得稳定、充足的风能，需要通过塔筒将风力发电机组(以下简称风机)支撑在高度为50～100 m 的高空。塔筒与基础连接的方式一般是在基础中预埋基础环，然后采用法兰进行连接。风机基础属于钢—混凝土组合结构，在不同方向风荷载的往复作用下，其受力特性十分复杂，尤其是基础环与钢筋混凝土基础之间的细部连接，更为复杂。目前风机基础虽然有专门的设计规范，但并未涉及基础环连接细部的设计方法［1］，以下讨论某工程，由于连接部位的质量问题，使基础环产生了过大的位移，进行加固处理的方法。

1 工程概况

某风电场位于云南西部山区，海拔在2 300 m～2 800 m 之间，场区面积约18.0 km2，共安装26 台单机容量为1.5 MW 的风机。风机轮毂高度为65 m，塔架为钢塔筒。地基持力层为强风化和中风化灰岩，地基承载力特征值为300 kPa。基础采用扩展式钢筋混凝土基础，混凝土强度等级C35，钢筋强度等级HRB400。基础断面见图1。

图1 风机基础断面图

3 台风机基础环与混凝土台柱之间产生了不同程度的相对位移，台柱顶面基础环附近混凝土出现裂纹、松动和破裂现象。为寻求安全的加固方案，对基础环的锚固机理及受力特性进行了以下研究。

2 基础环与混凝土连接特性

2.1 基础环的锚固机理

在目前的风机基础结构设计中，基本都在基础环底部设端板、在环壁开孔中架设穿孔钢筋等剪力构件，同时在台柱周围设置环向箍筋提高混凝土对钢环的约束作用，从而加强钢环在混凝土中的锚固作用，见图1。

在风机基础中，混凝土对钢环的锚固作用，由以下几部分组成:混凝土中的水泥凝胶体在型钢表面产生的吸附力或者化学粘结力，其抗剪强度取决于水泥的性能和型钢表面的粗糙程度;周围混凝土对型钢的摩阻力，它取决于混凝土发生收缩或者在荷载作用下对钢环产生的法向压应力，以及二者之间的摩擦系数等;型钢表面粗糙不平与混凝土之间的机械咬合作用以及端板的抗剪力。

考虑相对锚固长度la/r 与混凝土强度ft，粘结强度可由公式(1)表达［5］:

在混凝土性能相同的条件下，要提高粘结强度，需要增加基础环的埋置深度或者在钢板表面采取加强措施，如设置抗剪连接件。

研究表明［3－4］，钢环与混凝土之间的粘结滑移主要分为三个特征阶段:无滑移阶段、上升阶段和下降阶段。在无滑移阶段，由受力端区域的化学粘结力抵抗外荷载，当交界面上的化学粘结力被剪断，形成内裂缝，即出现相对滑移，进入上升阶段。上升阶段前期，受力端附近区域存在相对滑移，此处粘结应力主要是摩擦阻力，其余未产生相对滑移的区域主要是化学粘结力。随着荷载的增加，基础环与混凝土之间的化学粘结力逐渐减弱，滑移逐步向钢环锚固端发展，此时受力端交界面上混凝土的开裂促进了粘结滑移的发展，当达到峰值应力时，进入下降段，荷载达到粘结破坏的极限荷载，相对滑动进一步渗透，化学粘结力彻底丧失，承载能力突然下降，滑移速度加快，最后发生粘结锚固破坏。

除了粘结强度外，端板也可以有效约束混凝土与钢环之间的相对滑移。端板与混凝土之间的受拔承载力主要取决于混凝土的局部抗压强度。端板处局部受压承载力可参照《混凝土结构设计规范》(GB50010－2010)计算，见公式(2)［5－6］:

式中各参数意义详见规范6.6.1 条。

2.2 基础环附近钢筋混凝土受力

对某1.5 MW 风机基础进行了三维非线性有限元分析，并考虑了基础环与混凝土之间的接触［2］。分析结果显示，上风侧基础环端板下方存在局部拉应力区，最大值为7.66 MPa，但范围较小;在下风侧基础环附近均为压应力，其中端板下方压应力值较大，最大值达到－6.43 MPa。

正常使用工况下基础环的接触状态(nearcontact 表示具有相互分离的趋势，sliding 表示具有滑移的趋势，sticking 表示处于粘着状态)。分析表明，上风向一侧基础环与外部混凝土脱开，上部最大脱开距离为0.02 mm，从上至下逐渐减小;基础钢环上部与内部混凝土脱开，最大脱开距离为0.01 mm，从上至下脱开距离逐渐减小。下风向一侧基础环下部与外侧混凝土出现大面积的滑移现象。

通过钢筋应力分析得出竖向钢筋应力的分布情况为:在上风向一侧与基础环底同一标高处(图1 中B、D 点)拉应力最大，达到85 MPa;其次是台柱与底板交界处(图1 中A 点)，为48 MPa;再次为台柱顶面(图1 中E、C 点)，为35 MPa，其余位置钢筋应力较小。

3 风机基础的加固措施

3.1 基础异常原因分析

现场调查发现，出现异常的基础混凝土多处呈蜂窝状，骨料之间孔隙较多，为施工过程中混凝土振捣不密实所致。经钻芯取样检测，混凝土强度等级仅为C20～C25，未达到设计要求。从基础环的锚固机理和受力特性分析，在质量达标的前提下，基础环的锚固深度是足够的。出问题的原因在于混凝土强度和密实度未达到要求，基础环与基础之间的化学粘结力较弱而被剪断，同时接触面上摩阻力和咬合力也较小，不足以抵抗风荷载作用下产生的剪力。这样，多余的剪力就要由基础环的端板来承担，在其附近的混凝土中产生很大的压应力，使局部混凝土受压破坏。此外，由于基础环的遮挡，其下的混凝土质量更难以保证，甚至可能存在空洞。在风荷载的反复作用下，沿接触面的裂缝继续发展，摩阻力进一步降低，端板附近的混凝土破坏范围逐渐扩大，基础环的位移也就不断加大。

除台柱顶面基础环附近混凝土出现裂缝和剥离现象外，其他部位未发现贯穿性裂缝，在钢筋应力较大的基础环底部位置和台柱与底板交界处也未产生裂缝开展的情况，由此判断，基础其他部位尚未遭到破坏，只对基础环周围进行加固处理。

3.2 基础加固措施

用高强度灌浆材料充填基础环周围的裂缝，提高混凝土的强度和粘结能力。灌浆材料选用高强环氧树脂，要求其固化后达到以下要求:

1)抗压强度不低于35 MPa，抗拉强度不低于5 MPa;

2)树脂能与基础环和混凝土有效粘接;

3)具有一定的弹性和适应变形的能力，在挤压作用下不发生脆性破坏;

4)固化时间不宜太长。

树脂的添加物除固化剂、稀释剂外，还需添加改性剂和填料。浆液灌注前先确定配方比例，然后根据配方做小样实验，配方达到设计要求后再进行施工。

基础加固的施工工序为:施工准备→布孔、钻孔→清孔→安装灌浆塞、连接灌浆泵→灌浆→封面、整平。

灌浆完成后对基础外露表面用环氧砂浆封闭，并粘贴碳纤维布保护。

经过以上处理后，风机重新投入运行已有将近1 年时间，现场反映运行状况良好，没有出现再次开裂的情况。

4 结束语

风机基础环与混凝土的连接是基础设计的重点和难点，本文讨论了基础环的锚固机理和受力特性。由于基础环附近受力十分复杂，对于缺乏经验的新型基础，建议采用有限元法进行分析设计。本文提出采用化学灌浆法对病害风机基础进行加固，取得较好的效果。

［1］风电机组地基基础设计规定(试行)(FD003－2007)［S］.北京:水利水电规划设计总院，2007;32－38.

［2］张迪.风力发电机组基础三维非线性有限元分析［D］.华北水利水电学院，2011:15－25.

［3］刘灿，何益斌.劲性混凝土粘结性能的试验研究［J］.湖南大学学报，2002;29 (3):169－173.

［4］杨勇，赵鸿铁，薛建阳，等.型钢混凝土粘结—滑移本构关系理论分析［J］.工业建筑，2002，32 (3):60－63.

［5］孔德伟.风机基础钢环与混凝土锚固机理分析与试验［D］.湖南科技大学，2012:12－15.

［6］混凝土结构设计规范(GB50010－2010) ［S］.北京:建筑工业出版社，2010:77－80.