风机基础结构数值模拟及混凝土强度影响分析

陈加兴，谭争光，周 敏

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

随着国内风电项目大规模建设，近年来出现风机基础混凝土强度缺陷问题的现象越来越多。同时随着风电场运行时间加长，暴露出这种问题的风电场数量呈现明显的上升趋势，问题越来越严重。混凝土强度是风机基础最重要的指标，直接关系到风机基础能否安全运行。风机基础出现强度缺陷后，基础处于不安全状态，风机因此不能正常运行，给风电场运行维护造成很大的困扰[1]。由于缺少对风机基础混凝土强度缺陷问题的研究，难以采取有效的应对措施。

本文采用有限元模拟分析计算方法，结合实际工程案例，对某低强度混凝土风机基础结构受力特性进行分析，研究其可能产生的破坏机理，为风机基础加固处理设计提供技术依据，可供同类工程参考。

1 结构计算分析

1.1 计算模型

本文以某工程基础环式重力圆形扩展风机基础为研究对象，采用大型通用有限元软件ABAQUS提供的混凝土弹塑性断裂模型及钢筋单元[2]，模型坐标系X轴为水平方向，且下风向为正；Z轴为铅直方向，并以竖直向上为正；Y轴正方向由右手法则确定；坐标系原点位于风机基础底部圆心处。由上部结构传递至风机基础的荷载在基础环顶部简化为竖向荷载、水平荷载和弯矩，于基础环顶面圆心处建立荷载参考点RP，风机载荷均通过该参考点加载；风机基础上覆土压力采用均布压力方式施加在斜坡混凝土表面，等效覆土压力为0.037 3 MPa。模型不考虑地下水情况。

模型单元分为混凝土、钢筋及金属基础环三大组。其中混凝土与金属基础环均采用C3D8R单元，两者通过绑定方式连接；钢筋采用T3D2单元[3]，钢筋采用Embedded方式嵌入至基础混凝土中以实现混凝土与钢筋间的联合受力特性，主要结构钢筋位置示意图如图1所示。整个模型共153 966个单元，其中C3D8R单元共计118 960个，T3D2单元共计35 006个。边界条件方面，除底部采用全约束外，其余均为自由边界。模型内主要考虑钢筋、整体及基础环单元网格[4]如图2所示。

图1 风机基础主要结构钢筋分布图

图2 风机基础有限元整体模型

同时考虑在不同计算工况下，风机基础作为大体积混凝土可能进入塑性区，乃至开裂破坏，为保证计算结果的真实性，将混凝土设置为损伤塑性模型[5-6](CDP模型)，其塑性本构按照《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》取值。混凝土、金属基础环以及钢筋材料参数[7]如表1所示。

表1 基础环式风机基础材料参数

1.2 计算方案与说明

本文对风机基础进行静力分析，分析不同荷载工况下风机基础内部应力应变分布状态，同时考虑混凝土不同强度等级对其分布状态的影响，正常运行工况及极端荷载工况荷载如表2所示，采用正交法则设计计算方案，并以“计算工况+混凝土强度等级”的方式进行命名(正常运行工况取为Z，极端荷载工况取为J)。例如方案J35，即计算工况为极端荷载工况，且基础混凝土强度等级为C35，其余方案以此类推。

表2 风机基础荷载

考虑到风机基础的破坏大多在极端荷载工况作用下发生，本文仅对极端荷载工况进行计算分析。考虑到风机基础的受力特性，对风机基础建立共节点模型及接触模型分别进行计算分析。

风机基础混凝土的损伤程度由损伤值dt表示，dt值在0到1之间变化，0代表没有损伤，1代表完全损伤。以C35混凝土为例，其抗拉强度标准值为2.2 MPa，当混凝土所受拉应力达到2.2 MPa后，即意味着混凝土进入损伤阶段[8]，并且其损伤因子随塑性应变增加而逐渐增大至1。

1.3 共节点模型计算

本文采用表2中极端荷载工况荷载进行计算，以J35方案为例，在极端荷载工况下，绕Y轴力矩My为负值且幅值水平提高，因此风机基础呈现自X轴正向向负向倾覆态势，位移最大值提高到0.478 mm；钢筋应力方面，在极端荷载工况下，钢筋Mises应力进一步提高，最大值达到113 MPa，最值位于12号穿孔钢筋顶部基础环附近。

混凝土受压损伤方面，对于J20～J30方案，在X正半侧基础环外壁混凝土出现小范围受压损伤区，主要分布于10、12号穿孔钢筋附近，且基本仅沿竖向扩展，详见图3所示,其中受压损伤扩展距离为损伤因子超过0.1的受压区域竖向长度。随着基础混凝土强度等级的提高，受压损伤区发生位置由33号穿孔钢筋处逐渐上移至10、12号穿孔钢筋附近。当混凝土强度等级提高至C35及以上时，受压塑性区完全消失。

图3 各计算方案混凝土塑性损伤分布云图

混凝土受拉损伤方面，各种计算方案中除在台柱混凝土顶部基础环附近出现锥形受拉损伤塑性区外，在基础环底部内外侧也出现较大范围的水平受拉塑性区。随着基础混凝土强度等级的提高，混凝土抗拉强度提高，进而分担更多荷载，因此混凝土受拉塑性区范围以及内部钢筋应力均出现降低趋势，各方案受拉塑性区结果统计如表3所示。

表3 极端荷载工况下各方案混凝土塑性区范围及钢筋应力最值统计汇总表

本文对该计算工况下竖向扩展方向上水平受拉开裂区面积进行汇总整理可知，极端荷载作用下的台柱混凝土顶部塑性区在竖向深度为0.2～0.3 m处达到最大值，而后随扩展深度的增加而逐渐减小；而当扩展深度达到1.3～1.4 m时，仅有J20、J25方案存在部分塑性区；当扩展深度达到基础环附近时，各方案均存在较大面积的塑性区，最大面积达到了5.71 m2。同时，提高混凝土强度等级可以有效降低风机基础混凝土塑性区面积，例如在扩展深度为0.3 m处，各方案相较C20方案，水平塑性区缩减幅度分别达到17.1%、31.9%、51.7%及59.0%，表明当混凝土强度等级达到C35时即具有明显抑制效果，而再提高至C40时，抑制效果没有进一步明显改变。

1.4 接触模型计算

由上述共节点模型计算结果可知，极端荷载工况下，风机基础环与内外侧混凝土间产生较大区域受拉损伤区，实际工程中可能表现为基础环与基础混凝土脱开。因此为进一步研究极端荷载对基础环式风机基础的可能作用模式，以1.1节模型为基础，建立风机基础接触模型[9]，两者法向基础面间相互作用包括切向接触力(摩擦应力)和法向应力(与接触面垂直)，摩擦特性采用经典莫尔-库伦模型，法向接触选择“硬”接触。

各方案混凝土最小主应力分布云图如图4所示(右侧为X轴正半侧受压损伤区局部放大图)。以J20方案为例，考虑基础环与混凝土脱开后，在X轴正半侧基础环下法兰位置混凝土出现受压损伤破坏区，同时由于My弯矩作用，负半侧下法兰底部混凝土出现一定范围受压损伤区。综合其他方案计算结果，可以认为，混凝土强度提高可明显抑制受压损伤区扩展情况，当强度等级取C35及以上时，风机基础内部将不再出现受压损伤破坏区。

图4 极端荷载工况风机基础混凝土最小主应力分布云图(单位：MPa)

另一方面，在极端载荷作用下，基础环存在明显倾覆变形，导致周围混凝土存在大范围受拉损伤区。如图5所示为不同方案中混凝土最大主应力分布云图，由图可知，混凝土强度等级取为C20时，X轴正半侧基础环下法兰周围及基础环顶部内外侧、X轴负半侧基础环下法兰周围均出现大范围受拉损伤区，尤其以X轴正半侧塑性区范围最为显著，竖直方向几乎延伸至垫层混凝土；提高混凝土强度等级可明显改善结构受力情况，有效缩减受拉塑性区范围，并且当混凝土强度等级提高至C35及以上时，结构塑性区扩展情况基本稳定。

图5 极端荷载工况风机基础混凝土最大主应力分布云图(单位：MPa)

1.5 计算结果分析

共节点模型计算结果显示，低强度混凝土(C20～C30)基础受压塑性区集中于X轴正半侧基础环外壁。基础混凝土强度等级提高至C35及以上时，受压塑性区消失；各计算方案中风机基础在X轴正半区出现受拉塑性损伤区，并且除顶部锥形受拉塑性区外，在基础环底部内外侧也存在较大面积受拉塑性区。提高混凝土强度等级可以有效降低风机基础混凝土塑性区面积；钢筋应力最大值为110 MPa左右，有较大安全裕度。

接触模型计算结果显示，对于低强度混凝土(C20～C30)方案，基础环下法兰上下表面混凝土均出现较明显的混凝土受压破坏区。基础混凝土强度等级提高至C35及以上时，受压破坏区消失。同时，对于各计算方案，混凝土的受拉损伤破坏区和共节点模型的规律性一致，即随着混凝土强度等级的提高，受拉损伤破坏区逐渐减小，尤其是当混凝土强度提高至C35及以上时，受拉损伤区的范围明显减小。

考虑到混凝土与基础环间的受力状态应介于共节点和接触模型之间，综合两种模型计算结果进行分析，风机基础混凝土强度等级在C35及以上时，可以有效避免受压损伤区的出现，但不能从根本上消除受拉损伤区。考虑到钢筋是主要受拉承载体且其整体应力水平不高，因此结构的安全程度较好。

2 结 语

本文结合实际工程案例，通过对风机基础进行结构计算，分析不同强度等级风机基础混凝土在极端荷载工况下的应力应变分布状态，得出低强度混凝土风机基础将产生局部受压破坏和受拉破坏的不良后果，并提出了可能产生破坏的区域，可供风机基础加固设计进行参考。

风机基础是关系到风机能否安全稳定运行的至关重要的因素，而混凝土强度又是直接关系到风机基础能否安全运行的最重要的指标。因此，本文认为应充分重视风机基础混凝土强度缺陷问题，并及时进行处理。