影响风电机组基础环与基础混凝土之间锚固性能的因素分析

周 敏，吴继亮，陈加兴，谭争光

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，国家在政策上对其发展给予了大力支持，近年来我国风电产业的发展势头迅猛。根据国家能源局的统计数据显示，当前我国的风电装机规模位居世界第一。在陆上风电场中，风电机组的塔筒与基础之间主要采用基础环或预应力锚栓进行连接，而由于基础环的施工和安装较为便捷，在目前已建成的陆上风电场中，风电机组的塔筒和基础之间的连接大部分都采用了基础环连接方式。

但采用基础环连接方式的部分风电场在投产运行后出现了基础环与基础混凝土之间冒灰、冒浆，台柱表层混凝土压碎和表面混凝土裂缝等现象，如图1、图2所示。

因基础环与基础混凝土之间的锚固性能欠佳甚至失效而导致风电机组处于不安全的运行状态，从而引发事故，且事故数量有逐年上升的趋势。因此，对影响风电机组基础环与基础混凝土之间锚固性能的因素进行分析非常必要。本文结合实际工程案例，对影响风电机组基础环与基础混凝土之间锚固性能的主要因素进行了探讨，研究结果可为陆上风电机组基础的设计及加固提供参考。

图1 风电机组基础冒灰、冒浆Fig. 1 Ash and slurry emission of wind turbine foundation

图2 台柱表层混凝土压碎和表面混凝土裂缝Fig. 2 Crushed and cracked of surface concrete of abutment column

1 基础环的受力特性

风电机组采用高耸结构，轮毂高度一般都大于等于80 m，塔筒本身承受巨大的剪力、弯矩和疲劳荷载。由于风荷载方向、大小的不确定性，风电机组的基础环承受的荷载具有多变性、复杂性的特点。

基础环作为连接上部结构和下部基础的重要组成部分，是风电机组基础的核心锚固构件，其主要由上、下法兰和中部钢筒组成，其中，下法兰为锚固端；钢筒筒壁的侧壁光滑，并有椭圆形的孔，用于穿孔钢筋的径向放置，其剖面图如图3所示。

图3 风电机组基础环的剖面图(单位：mm)Fig. 3 Sectional view of wind turbine foundation ring(unit：mm)

基础环的材质是钢，性质与混凝土材质截然不同，在风电机组的基础结构中，基础环和基础混凝土之间是通过锚固作用协同工作、共同受力。基础环主要是通过锚固作用固定于基础混凝土中，其周边混凝土配置有多种形式的钢筋，起到约束、抗拔、抗冲切及抗拉的效果。

但由于基础环与混凝土的刚度差异大，接触区域受力复杂，传力路径不明确，因此在长期疲劳荷载的作用下，与基础环结合的混凝土容易产生脱开、裂缝的现象；基础环埋入基础混凝土的深度小，基础环上、下边缘应力集中，导致这部分混凝土容易被压碎。而且受上述损伤、风荷载引起的疲劳荷载持续作用，以及雨水侵蚀会使基础环与混凝土脱开的缝隙不断增大，会导致风电机组基础冒灰、冒浆，出现基础环松动等现象[1-4]。

2 影响基础环与基础混凝土之间锚固性能的因素分析

基础环的锚固承载力主要由基础环下法兰的抗剪力、基础环与基础混凝土的粘结作用、基础环侧壁混凝土的抗力和穿孔钢筋的作用力这4部分提供[5]。影响基础环与基础混凝土之间锚固性能的直接或间接因素众多，以下结合实际陆上风电场工程对主要的影响因素进行探讨。

2.1 基础混凝土强度

陆上风电机组基础的混凝土强度设计值一般为C30～C40，只有当混凝土强度等级达到设计值才能够保证混凝土与基础环之间的粘结作用力和混凝土抗压、抗剪承载力；若混凝土强度等级低则混凝土容易被压碎，从而导致基础环的锚固性能变差。

以我国西南部某陆上风电场为例。该风电场共70台风电机组，投产运行时间不足1年，其中52台风电机组存在不同程度的基础环松动和基础冒灰、冒浆现象。利用钻芯取样法检测该风电场所有风电机组基础混凝土的强度值，实测的风电机组基础的混凝土强度值如图4所示。

图4 风电机组基础的混凝土强度实测值Fig. 4 Concrete strength of wind turbine foundation

现场钻芯取样法的检测结果表明，该风电场70台风电机组基础的混凝土强度实测平均值仅为15.4 MPa，其中44.3%的风电机组基础的混凝土强度低于15 MPa，仅5.7%的风电机组基础的混凝土强度超过20 MPa，均未达到本项目的设计值C35。根据计算分析，基础环下法兰处最大局部压应力为14.6 MPa，基础的混凝土强度会因局部压应力过大而被破坏，且混凝土强度低势必会减小混凝土对基础环和穿孔钢筋的握裹力，同样会降低基础环的锚固承载力，从而导致基础环松动和风电机组基础冒灰、冒浆等现象。

基础的混凝土强度会直接影响基础环的锚固性能，混凝土强度越高，基础环与其的锚固性能越好。根据风电机组荷载大小不同，混凝土强度等级一般要达到C30～C40才能满足局部压应力要求，基础环的锚固性能才能够得到保障。

2.2 基础环埋置深度

国内已建成的陆上单机容量为2.0 MW的风电机组，其轮毂高度一般为80～100 m，基础环外径一般在4.2～4.6 m之间。本文统计了已经投产运行的86个陆上风电场中风电机组基础的基础环高度和埋置深度，具体数据如图5所示。

图5 国内已建成的陆上风电场的基础环高度和埋置深度统计Fig. 5 Statistics of height and buried depth of foundation ring in domestic onshore wind farms

由图5可知，在已经投产运行的86个陆上风电场中，基础环的最大高度为2.5 m，最小高度为1.8 m，平均高度约为2.3 m；基础环埋置深度在1.3～2.0 m之间，平均埋置深度约为1.8 m。

我国中部地区某陆上风电场共安装了50台2.0 MW的风电机组，全部建成投产2年后，其中13台风电机组存在基础混凝土表面开裂、基础环松动，以及基础冒灰、冒浆的现象。调查后发现，该风电场的基础环高度为1.8 m，埋置深度仅为1.345 m。根据分析计算，由于基础环埋置深度过小，穿孔钢筋的计算应力超限，下法兰处局部压应力较大，从而导致基础环与基础混凝土之间的锚固效果欠佳。

基础环的埋置深度对其锚固性能的影响较大，随着基础环埋置深度加大，穿孔钢筋的应力明显减小，基础下法兰处混凝土的应力集中问题有所改善，锚固性能会更好[6]。根据风电机组荷载大小不同，基础环的埋置深度一般要达到1.5～2.0 m才能够满足设计要求。

2.3 基础环下法兰宽度

根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》第12.7.10条的规定，钢结构插入式柱脚最小插入深度为1.5D(D为钢管柱直径)；而风电机组基础环的实际埋置深度仅为上述标准所要求最小插入深度的20%～30%，远低于上述标准要求达到的值[7]。因此，仅依靠埋置深度提供锚固性能是远远不够的，基础环的锚固性能承载力大部分需要依靠下法兰的锚固力来提供。

研究表明，若基础环下法兰宽度每增加60%，基础环的节点极限抗弯承载力就可在原来基础上提高67%，二者之间大致呈线性关系[5]；增加下法兰宽度，能够降低基础环穿孔钢筋的峰值应力，并明显减小下法兰处混凝土的应力，从而有效缓解基础环下法兰处局部混凝土应力集中的现象[8]。

根据外部条件不同，陆上单机容量为2.0 MW的风电机组的基础环下法兰宽度一般在250～500 mm之间，增加下法兰宽度对基础环的拉拔承载力有较大提高。因此，为了提高基础环与基础混凝土之间的锚固性能，建议基础环下法兰宽度不小于400 mm。

2.4 基础环穿孔钢筋

在目前国内风电机组基础的设计中，对基础环穿孔钢筋的计算方法并未明确，设计人员一般根据经验进行配筋。一般情况下，会根据风电机组厂家提供的基础环孔洞布置，采用直径28 mm或32 mm的三级钢，逐孔进行布置，单孔一般布置2根穿孔钢筋。穿孔钢筋的典型布置如图6所示。

图6 基础环的穿孔钢筋布置图(单位：mm)Fig.6 Perforated steel reinforcement layout of foundation ring(unit：mm)

基础环的锚固承载力很重要的一部分是由基础环穿孔钢筋提供的。研究表明，随着穿孔钢筋数量的增加，穿孔钢筋的最大应力会显著降低，对基础环孔洞附近的混凝土应力也会有一定程度的改善[9]。

受基础环尺寸的限制，基础环筒壁单排开孔数量一般在56～60个之间，相应的穿孔钢筋的数量也会被限制。因此，在进行风电机组基础设计时，可考虑在基础环筒壁上开2排孔洞，如此可增加穿孔钢筋的数量，能够有效提高基础环的锚固性能。

2.5 基础环的密封防水

通过对基础环锚固出现问题的多个风电场进行调查后发现，各风电场的风电机组基础环的防水密封材料均有不同程度的损坏，甚至部分已完全脱落。基础环的防水密封失效后，雨水就会沿着基础环与混凝土之间的缝隙进入基础混凝土内部，在风电机组荷载的反复作用下，基础环与基础混凝土之间的粘结摩擦力逐渐丧失，混凝土强度和耐久性降低，导致基础出现冒灰、冒浆等问题，锚固性能大幅降低[10]。

为了避免基础环与混凝土之间的缝隙进水，防止基础环表面锈蚀，基础环必须采用持久耐用、有弹性、耐紫外线辐射的密封防水材料，并应严格按照设计图纸、施工工艺做好基础的密封防水。基础环密封防水的典型做法如图7所示。

图7 基础环的防水密封做法详图Fig. 7 Waterproof and sealing of foundation ring

2.6 其他因素

由于风电机组基础环附近的钢筋配置较为密集，在基础施工过程中若混凝土振捣不密实，会造成基础环附近混凝土形成孔洞，从而降低基础环的锚固承载力。风电机组基础施工属于大体积混凝土工程，设计要求一次浇筑成型，但由于现场施工管理问题，会出现混凝土浇筑中断的情况，若混凝土中断浇筑，二次浇筑也会对混凝土的锚固性能造成一定的不利影响。

3 结论

本文结合实际工程对影响风电机组基础环与基础混凝土之间锚固性能的主要因素进行了探讨，风电机组基础环与基础混凝土之间接触区域的受力情况非常复杂，因此影响基础环与基础混凝土之间锚固性能的因素众多，主要因素包括基础混凝土强度、基础环埋置深度、基础环的下法兰宽度、基础环穿孔钢筋的配置和基础环的密封防水等。基础混凝土强度等级、基础环埋置深度和下法兰宽度对基础环的锚固性能影响较大，提高混凝土强度等级、加大基础环埋置深度和下法兰宽度，能够显著提高基础环的锚固承载力；增加穿孔钢筋数量和做好基础环的防水密封措施也能够提高基础环的锚固性能。另外，风电机组基础的施工质量也会对基础环的锚固性能造成一定影响。