陆上风电预制装配式基础台柱剪力键受力特性研究

张立英，郝华庚，何延福，王海军，王献文，曾 聪

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.华能陇东能源有限责任公司，甘肃 庆阳 745000；3.天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350；4.天津大学建筑工程学院，天津 300350；5.华能吉林发电有限公司，吉林 长春 130012；6.东北电力大学，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年来，随着对可再生能源需求的增加和环境保护意识的提高，风电行业发展迅速[1]。风能作为一种可再生能源，被广泛应用且是未来能源发展的重要方向之一[2-3]。通过风力发电可以减少对传统能源的依赖，减少二氧化碳等温室气体的排放，且设备在运行过程中对环境的影响较小[4]。相较于海上风电，陆上风电的建设成本较低，投资回报周期较短，使得陆上风电成为可再生能源领域的热门选择[4]。

目前陆上风电基础形式包括重力式扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础、梁板基础、预应力筒型基础等[5]。其中，梁板基础具有经济性好、结构简单和易于维护等优点，但存在配筋复杂，模板支撑难度大以及施工周期长等问题[5-6]。为充分发挥梁板式基础的优势，并解决限制其推广应用中面临的技术问题，诸多学者参考装配式建筑及桥梁结构的特点，开展了各类型装配式梁板基础结构的相关研究[7-10]。郝华庚等[11]提出了一种预制装配式风电梁板基础，为加强装配式基础台柱间的连接，基础台柱间设有剪力键，用以强固连接，进而提高整体结构的稳定性。在钢混结构中，剪力键是一种用于传递剪切力的连接装置[12-13]，承担着传递水平力和剪力的重要作用通常用于连接混凝土构件的水平面，如梁与柱、梁与梁等[14-15]。

本文以新型预制装配式梁板基础为研究对象，采用理论分析和数值模拟，对该基础台柱剪力键部分受力特性进行了研究。

1 台柱剪力键介绍

结合既有装配式基础结构受力特点，并综合考虑运输施工的便捷性，郝华庚等[11]提出了新型陆上风电预制装配式单块双肋板梁板基础结构。每块预制基础体积为22.55 m3(约56.375 t)，单台基础C40混凝土用量约360.84 m3(约902.1 t)，钢筋用量约45.28 t；同机位扩展基础C40混凝土用量515.47 m3，钢筋用量52.46 t。两者相比，新型陆上风电预制装配式单块双肋板梁板基础混凝土用量减少了30.00%，钢筋用量减少了34.69%。同时，混凝土预制件采用工场批量化室内预制，可较大幅度地降低造价、保证质量并提高效率。单台基础由16块扇形双肋板预制块体组成，台柱中部设有环向预应力钢绞线，台柱间设有剪力键，基础结构形式如图1所示。

为防止基础结构在剪切力作用下发生滑动或分离，同时增加连接件的整体强度和稳定性、增加结构的抗剪能力，在台柱间设置有剪力键，剪力键布置如图2所示。

图2 剪力键布置

在实际施工过程中，剪力键通过在基础台柱之间进行灌浆来实现，即首先需要在台柱之间预留有一定宽度和深度的缝隙，后将风电高强灌浆材料注入缝隙中。施工过程中需要注意灌浆材料的选择和灌浆质量的控制，以确保剪力键的有效性和可靠性。在灌浆过程中，需要确保灌浆材料充分填充缝隙，使其与台柱之间形成紧密的粘结。为了保证灌浆的质量，需采用振动棒或其他工具来排除空气和杂质，以确保灌浆材料的均匀性和密实性。

2 理论计算

为明确基础台柱剪力键抗剪承载力是否满足要求，通过美国AASHTO规范[16-17]、Rombach论文中的建议公式[18]以及修正后AASHTO规范建议公式[19]3种计算方式进行理论计算。剪力键尺寸如图3所示。

图3 剪力键尺寸(单位：mm)

根据《高耸结构设计标准》7.3.5可知[20]，在计算圆形、环形基础底板强度时，取基础外悬中点处的基底最大压力p作为基底均布荷载，即

(1)

式中，N为作用效应基本组合上部结构传至基础的轴力设计值(不包括基础底板自重及基础底板上的土重)，kN；M为作用效应基本组合上部结构传至基础的力矩设计值，kN·m；A为基础底板的面积，m2；I为基础地板的惯性矩，m4；R为基础底板半径，m；r为环形台柱半径，m。

由公式(1)求得基础底部均布应力为94.36 kPa，由于单块预制基础底面积为19.26 m2，则单块预制基础的剪力为1 817.48 kN，单块单侧剪力为908.74 kN。

2.1 计算方式一

根据美国AASHTO规范[16-17]，接缝面的抗剪承载力包括剪力键提供的抗剪贡献以及接触部分的混凝土提供的摩擦贡献2部分。抗剪承载力计算公式为

(2)

式中，Ak为剪力键根部面积；Asm为接触部分的混凝土面积；fck为混凝土标准抗压强度；σn为接缝面平均压应力水平。

由式(2)求得单个剪力键的抗剪承载力为965.60 kN，预制块单侧布置6个剪力键，则预制块单侧剪力键的抗剪承载力为5 793.6 kN。

V设计=1.1×908.74=999.61 kN<5 793.6 kN，基础单块单侧剪力设计值小于式(2)算得基础预制块单侧抗剪承载力，满足要求。

2.2 计算方式二

根据Rombach论文中的建议公式[18]可得

Vu=0.14Akfc+0.65Ajointσn

(3)

式中，Vu为抗剪承载力；Ajoint为截面总面积，Ajoint=Ak+Asm；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

由式(3)求得单个剪力键的抗剪承载力为555.5 kN，则预制块单侧剪力键的抗剪承载力为3 333.2 kN。V设计=1.1×908.74=999.61 kN<3 333.2 kN，说明基础单块单侧剪力设计值小于式(3)算得基础预制块单侧抗剪承载力，满足要求。

2.3 计算方式三

沿用美国AASHTO规范建议公式并进行修正[19]，考虑剪应力分布不均匀系数修正后的抗剪承载力计算表达式为

(4)

式中，k值反应了剪力键中剪应力的峰值效应，参考相关论文及计算，本次计算取k=1.06。

由公式(4)求得单个剪力键的抗剪承载力为915.3 kN，则预制块单侧剪力键的抗剪承载力5 491.8 kN。V设计=1.1×908.74=999.61 kN<5 491.8 kN，说明基础单块单侧剪力设计值小于公式(4)算得基础预制块单侧抗剪承载力，满足要求。

通过上述3种剪力键理论计算方法可知，剪力键所承受的内力均小于其抗剪承载力，因此剪力键不会发生破坏或变形，陆上风电预制装配式基础台柱剪力键的抗剪承载力满足要求。

3 三维数值仿真模拟

采用ABAQUS有限元软件，建立基础-台柱剪力键灌浆-土体的原型有限元模型，有限元模型如图4所示。基础及台柱剪力键灌浆部分均采用3D实体单元(C3D8R)模拟，基础材料为C40混凝土，台柱剪力键灌浆部分材质为风电高强C110混凝土。基础底部土体采用弹性地基进行模拟，土体底部采用全约束，土体侧向采用反对称边界条件。

图4 剪力键有限元示意

在实际施工过程中，需对台柱部分进行灌浆处理，即剪力键及基础台柱中间的缝隙部分均为高强混凝土。在数值模拟中，台柱剪力键灌浆部分与台柱之间采用绑定接触进行模拟。基础上覆土重力为18 352.69 kN，在基础法兰顶部耦合一个加载点以施加风机荷载，所施加荷载分别为：水平荷载626.979 kN；竖向荷载4 035 kN；弯矩荷载63 142.9 kN·m。

3.1 基础应力及台柱剪力键部分位移云图

基础及台柱剪力键灌浆部分的混凝土拉、压应力云图如图5所示。

图5 基础及台柱剪力键灌浆部分的混凝土有限元计算结果

基础材质为C40混凝土，台柱剪力键灌浆部分材质为C110风电高强灌浆料。由图5可知：该工况下基础最大拉应力为2.36 MPa，小于C40混凝土ftk=2.39 MPa；基础最大压应力为14.20 MPa，小于C40混凝土fck=26.8 MPa，基础强度满足要求。该工况下台柱剪力键灌浆部分最大拉应力为3.07 MPa；剪力键灌浆部分最大压应力为15.67 MPa，由于C110灌浆料一天强度可达30～50 MPa以上，故台柱剪力键灌浆部分的强度满足要求。

3.2 基础及剪力键灌浆部分剪力结果

提取主风向所对的单块预制基础的有限元计算结果，其剪力有限元计算结果如图6所示，单块预制基础的剪力为1 645.0 kN。

图6 单块基础单侧剪力有限元计算结果

提取主风向所对的单块预制基础两侧台柱剪力键灌浆的有限元计算结果，如图7所示。台柱上部剪力键的剪力值大于下部剪力键，是由于荷载及支撑条件的不同所导致的。由上至下6层剪力键剪力值分别为583.5、576.0、559.6、470.3、456.0、450.9 kN，单个剪力键剪力有限元结果平均值为516.07 kN。

图7 台柱剪力键灌浆部分剪力有限元计算结果

3.3 理论计算与有限元结果对比

单块预制基础的剪力及单个剪力键的剪力理论理论计算值以及有限元计算结果见表1。

表1 理论计算与有限元分析结果对比 kN

由表1可知，单块预制基础及单个剪力键的剪力有限元结果均小于理论计算结果，均在合理范围之内，满足强度要求。单块预制基础的剪力结果误差为9.51%；基于3种理论计算方法的单个剪力键的剪力值相较于有限元结果分别具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全储备，平均具有1.32倍的安全储备，平均具有1.32倍的安全储备。

4 结 论

本文通过理论计算及有限元分析明晰了陆上风电预制装配式基础台柱剪力键部分的受力特性，得出主要结论如下：

(1)通过美国AASHTO规范、Rombach论文中的建议公式以及修正后AASHTO规范建议公式3种方式进行理论计算可知，陆上风电预制装配式基础台柱剪力键受力满足要求，结构设计合理。

(2)通过数值模拟可知，基础及台柱剪力键的受力均满足强度要求。

(3)单块预制基础及单个剪力键的剪力有限元结果均小于理论计算结果。单块预制基础的剪力结果误差为9.51%；基于3种理论计算方法的单个剪力键的剪力值相较于有限元结果分别具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全储备。