基础不均匀沉降对插环式风机基础受力性能的影响研究

摘 要：【目的】研究基础不均匀沉降对插环式风机基础受力性能的影响。【方法】以湖南某风场2.0 MW插环式风机为例，建立Abaqus模型，在塔顶施加正常运行工况、极端运行工况及疲劳工况荷载，设定基础倾斜度值，分析基础受力特性与应力分布情况。【结果】在正常运行及疲劳工况荷载作用下，基础不均匀沉降对基础受力性能影响较小，在极端运行工况荷载作用下，基础不均匀沉降使基础混凝土应力分布呈沿环向发展规律，对基础受力性能影响显著。【结论】基础不均匀沉降使风电机组塔顶侧移及倾覆弯矩显著增大，对基础混凝土受力性能产生不利影响，尤其是在极端运行工况下。因此应进行定期巡检，确保基础沉降不超规范限值。

关键词：风机基础；不均匀沉降；有限元模拟；应力分布

中图分类号：TU476；TM315 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）15-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.013

Study on the Impact of Uneven Settlement on the Load-Bearing

Performance of Wind Turbine Foundations with Embedded Ring

GUO Di LI Pengfei LI Jianping

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the impact of uneven settlement on the load-bearing performance of wind turbine foundations with embedded ring. [Methods] Taking a 2.0 MW turbine with embedded ring in a wind farm in Hunan as an example， the Abaqus model was established. The normal operation condition， extreme operation condition and fatigue condition load were applied on the top of the tower. The inclination value of the foundation was set， and the stress characteristics and distribution of the foundation were analyzed. [Findings] Under normal and fatigue conditions， uneven settlement minimally affects foundation performance. However， under extreme conditions， the uneven settlement of the foundation makes the stress distribution of the foundation concrete develop along the circumferential direction， which has a significant influence on the mechanical performance of the foundation. [Conclusions] Uneven settlement increases lateral displacement and overturning moments at the wind turbine tower top， detrimentally affecting concrete's structural capacity， especially in extreme conditions. Regular inspections are vital to ensure settlement remains within acceptable limits.

Keywords： wind turbine foundation; uneven settlement; finite element simulation; stress distribution.

0 引言

风力发电机组属于高耸结构，当基础发生不均匀沉降时塔顶结构会发生侧移，并形成附加偏心力矩，使基础有发生损伤甚至加剧损伤的风险。根据《风力发电工程施工与验收规范》（GB/T 51121—2015）［1］的有关规定，从风机建设开始到地基沉降处于稳定状态之前，都需要对风机基础进行沉降实时监测或定期检测。《风力发电机组装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）［2］规定在完成风机插环吊装程序后，应用专业水平仪进行插环上表面平整度检验。为保证风电机组安全运行，规范要求观测所得插环上法兰水平度不得大于3 mm。对于基础发生不均匀沉降的情况，按《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10311—2019）［3］规定的公式[tanθ=s1−s2bs]计算所得倾斜度，分别为风机轮毂高度H>120 m时倾斜度限值为3‰、风机轮毂高度90 m<H≤120 m时倾斜度限值为4‰、风机轮毂高度70 m<H≤90 m时倾斜度限值为5‰、风机轮毂高度H≤70 m时倾斜度限值为6‰，随塔筒高度的增加，倾斜度与沉降规定值变小。在实际工程中，为保证风机沉降值及倾斜度不超规范限值，风电场应每年组织人员进行巡检，但检测结果存在虚测、漏测，从而危害风机安全，给风场造成不必要的损失。

目前，国内外对风机基础不均匀沉降相关研究较为欠缺。邢占清等［4］在实际工程中发现，由于地层不均匀、设计方案不合理、施工工艺不当等原因，都会造成建筑物产生不均匀沉降或沉降过大。徐亚洲等［5］发现基础倾斜的缺陷对塔顶峰值位移在一定程度上有放大作用，使得风机结构的可靠度下降，进而危害风机结构安全。现有针对基础受力性能分析的研究考虑更多的是基础扩容加固、大容量风机、土体-结构相互作用等在特定工况下对基础受力特性的分析，目前尚未涉及基础不均匀沉降对基础受力性能的影响研究。

本研究基于湖南某风场2.0 MW风机建立整体有限元模型，对基础设定不同倾斜度值，以分析基础发生不均匀沉降的情况。根据相关的荷载报告资料，分别考虑3种荷载工况（正常运行工况、极端运行工况、疲劳工况）进行有限元分析，研究基础在各荷载工况下基础不均匀沉降对基础受力性能的影响。

1 工程概况与有限元风机模型

1.1 工程概况

湖南郴州某风场的2.0 MW风力发电机机组，地处丘陵，海拔900～1 500 m，年平均风速7.5 m/s。该风力发电机的设计寿命20 a，机舱和发电机总重量84.4 t，轮毂高度80 m，切入风速3.0 m/s，额定风速10.5 m/s，切出风速25.0 m/s。风机基础形式为圆形台柱重力拓展基础，设计等级为乙级台柱式重力拓展基础，安全等级为二级，具体参数如图1所示。

1.2 荷载工况及模型材料参数

本研究将叶轮、轮毂、机舱等塔筒上部结构等效为施加在有限元模型塔顶的一个质量块，选用刚性耦合将该质量块耦合于塔顶约束点。将塔顶上部结构传来的竖向重力荷载Fy、水平荷载Fx施加到该约束点上。对风机模型整体自重施加重力荷载。根据风场提供的荷载报告，具体荷载工况见表1。

该风机基础类型属于插环式风机基础，将基础插环作为连接件连接上部塔筒及混凝土基础部件。该基础主体为圆形拓展基础，基础混凝土强度等级选用C40，垫层选用C15混凝土，基础插环钢材强度等级选用Q345，基础部分钢筋笼采用HRB400钢筋。各材料具体参数见表2。

1.3 Abaqus有限元模型

根据该风场提供的资料，基于Abaqus有限元分析软件建立塔筒-基础耦合模型。将塔顶上部结构（叶轮、机舱、轮毂）等效为一个质量块，该质量块与塔筒、各级塔筒之间及塔筒与基础插环之间均采用绑定约束连接，基础插环与基础混凝土之间接触关系为摩擦接触（摩擦因数为0.35），钢筋笼与基础整体采用内置区域连接。塔筒、基础混凝土、基础插环均采用C3D8R单元，钢筋笼采用T3D2单元。

塔筒、基础插环及钢筋笼均属于钢材，可通过钢材对应的材料屈服应力定义塑性。对于基础部分C40混凝土选用对应的混凝土损伤模型，底部C15混凝土垫层选用相应的弹性本构模型。

基础倾斜示意如图2所示。风机倾斜度一般包括基础不均匀沉降导致的倾斜δ1、基础环安装误差导致的倾斜δ2、风机运行过程中基础内部损伤导致的倾斜δ3。本研究仅考虑基础不均匀沉降所引起的倾斜度。δ1分别取值为 0‰、1‰、3‰、5‰、7‰、10‰，基于建立的有限元模型，分别施加正常运行工况、极端运行工况及疲劳工况下的荷载（竖向重力荷载为Fy、水平荷载Fx、合力矩Mz）至塔顶耦合约束点上。

2 有限元数值模拟结果分析

2.1 塔顶侧移及附加弯矩

塔顶侧移随倾斜度的变化如图3所示，倾覆弯矩如图4所示。分析可知，在3种不同荷载工况作用下，风机塔顶侧移及倾覆弯矩都会随基础倾斜度的增加呈不断上升趋势，极端工况下影响最大。在倾斜度10‰时塔顶侧移可达2.243 m，增加0.844 m，倾覆弯矩达7.42×104 kN·m，增加2 240 kN·m。基础不均匀沉降对风机侧移及倾覆弯矩的影响较大。

2.2 基础插环受力性能分析

各工况下基础插环Mises应力如图5所示。由图5可知，在3种荷载工况作用下，随着基础倾斜度的增大，基础插环Mises应力不断增大，最大应力出现在插环背风侧上法兰。这种趋势在极端运行工况下更为明显。极端运行工况下倾斜度插环应力如图6所示。由图6可知，随着基础倾斜度的不断增大，插环应力区域分布未发生明显变化。

2.3 基础混凝土受力性能分析

各工况下基础混凝土应力变化的情况如图7所示。由图7可知，基础混凝土最大拉应力与最大压应力分别位于背风侧下法兰底部区域及迎风侧下法兰内侧区域，在正常运行及疲劳工况下发展趋势较为接近，都随基础倾斜度的增大呈上升趋势，应力分布区域未发生明显变化。在极端运行工况下，混凝土最大拉应力随基础倾斜度的增大呈逐渐下降趋势，最大压应力呈上升趋势，此时混凝土的应力分布区域发生变化。极端运行工况下基础混凝土应力如图8所示。由图8可知，最大拉应力出现在背风侧下法兰底部区域，随着基础倾斜度的增大沿环向向内发展，最大压应力出现在迎风侧下法兰内侧区域，随着基础倾斜度的增大沿环向向外发展。

3 结论

本研究利用Abaqus有限元模型仿真模拟，分析了湖南某风场2.0 MW陆上风机在3种荷载工况作用下，基础不均匀沉降对基础受力性能影响，具体结论如下。

①基础不均匀沉降对塔顶侧移及基础倾覆弯矩的影响显著；在3种不同运行工况荷载作用下，插环Mises应力随倾斜度的增大而增大。

②在正常运行及疲劳工况荷载作用下，基础混凝土应力随着基础倾斜度的增大，呈现上升趋势，应力分布区域未发生明显变化；在极端运行工况荷载下，基础混凝土应力分布区域呈现沿环向发展的规律，基础不均匀沉降对基础混凝土的受力性能影响较大，应确保基础沉降相关指标不超规范限值。

参考文献：

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.风力发电工程施工与验收规范：GB/T 51121—2015［S］. 北京：中国计划出版社，2015.

［2］全国风力机械标准化技术委员会.风力发电机组装配和安装规范：GB/T 19568—2017［S］.北京：中国质检出版社，2017.

［3］国家能源局.陆上风电场工程风电机组基础设计规范：NB/T 10311—2019［S］. 北京：中国水利水电出版社，2019.

［4］邢占清，王春，符平，等.响水风电场风机基础沉降观测与分析［J］. 水利水电技术， 2009， 40（9）： 67-70.

［5］徐亚洲， 时文浩， 任倩倩.考虑初始倾斜的风机塔近场抗震可靠度分析［J］.地震工程学报，2022， 44（5）： 1009-1016.