內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場發(fā)電機基礎(chǔ)開裂研究

程形燕 ，劉冠平 ，劉 翠 ，宋 蕊

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.開封市祥符區(qū)水利局，河南 開封 475003）

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量以年均22%的速度增長，在各種發(fā)電方式中，其增長速度居于首位［1］。 2002～2012 年，我國風(fēng)電裝機累計增長了118倍，年均增長超過60%。截至2012年12月，我國并網(wǎng)風(fēng)電容量達到62．4 GW，居世界第一位。然而，隨著風(fēng)電的大規(guī)模增長，風(fēng)機基礎(chǔ)方面的問題也不斷凸現(xiàn)出來。

風(fēng)力發(fā)電機組是一種高聳建筑物。由于發(fā)電機塔筒較高，水平風(fēng)荷載在基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的彎矩比較大。又由于風(fēng)向及風(fēng)力大小不穩(wěn)定，風(fēng)機基礎(chǔ)所承受彎矩的方向和大小也不斷變化。風(fēng)機基礎(chǔ)不斷承受反復(fù)的拉壓作用，使其荷載和動力特性異常復(fù)雜，如果設(shè)計不當(dāng)，這種復(fù)雜的荷載和動力特性有可能造成風(fēng)機地基基礎(chǔ)的承載力減損和位移累積，甚至影響風(fēng)力發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行［2］。因此，風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的設(shè)計是保證發(fā)電機安全、穩(wěn)定運行的一個重要方面。

風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的荷載和動力特性非常復(fù)雜，屬于特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［3］。目前，已有部分研究者對風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的設(shè)計及應(yīng)力特性進行了相應(yīng)的分析研究。但是，就風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)配筋設(shè)計、裂縫分布及裂縫寬度分析方面的研究尚不多見［4］。本文以輝騰錫勒風(fēng)電場工程為例，采用三維有限元方法，分析風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)受力特性。然后，按照整體式體積配筋率的方式給風(fēng)機基礎(chǔ)進行配筋，并對風(fēng)機基礎(chǔ)的裂縫分布、裂縫的寬度進行分析研究，以期能為我國在建和待建風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計提供一定的理論參考。

1 工程概況

輝騰錫勒風(fēng)電場位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右中旗境內(nèi)，有20臺GE1．5sle 50 Hz、葉片為GE 37c、輪轂高度為80 m的風(fēng)力發(fā)電機機組，裝機容量為30 MW。該工程場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，抗震設(shè)防烈度為6度。風(fēng)力發(fā)電機采用圓形基礎(chǔ)（如圖1所示），基礎(chǔ)安全等級為2級，設(shè)計等級為2級。計算時， 考慮的荷載包括：（1） 水平合力 Fx＝558．225 kN；（2）豎向力 F2＝2．564 × 103kN；（3）彎矩合力 My＝4．42 ×104kN·m；（4）扭矩 Mz＝841．185 kN·m；（5）風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)自重；（6）風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)上部回填土的自重。本文不考慮風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)側(cè)部回填土，其計算結(jié)果偏于安全。

2 風(fēng)機基礎(chǔ)的配筋設(shè)計及計算工況

2．1 配筋設(shè)計方案及計算工況

風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計配筋主要包括：臺階、基礎(chǔ)環(huán)附近的豎向鋼筋和基礎(chǔ)底部的雙向正交鋼筋網(wǎng)。在有限元計算中，主要考慮的受力鋼筋有：底部鋼筋網(wǎng)、底邊緣環(huán)形鋼筋、底部加密鋼筋網(wǎng)、頂部貫穿基礎(chǔ)環(huán)鋼筋的豎向部分、基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)豎立鋼筋及環(huán)梁鋼筋的豎向部分 （如圖2～圖4所示），沒有考慮架立筋，腹筋等構(gòu)造筋。

2．2 計算工況確定

計算工況取極端荷載工況修正后的荷載，并考慮基礎(chǔ)混凝土與基礎(chǔ)環(huán)、混凝土基礎(chǔ)與混凝土墊層的接觸，混凝土材料的非線性和鋼筋配筋。

計算方案主要包括不考慮配筋和考慮配筋兩種。通過整體式的配筋率，實現(xiàn)鋼筋的模擬，具體方案如表1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)剖面圖（單位：mm）Fig.1 Wind turbine base profile(Unit:mm)

圖2 模型中所模擬豎向配筋圖Fig.2 Model simulation vertical reinforced bar

圖3 基礎(chǔ)底部鋼筋網(wǎng)和環(huán)向筋布置圖Fig.3 Bar-mat reinforcement and hooped reinforcement at the bottom of the base

圖4 基礎(chǔ)底部加密鋼筋布置圖Fig.4 Strip equipment base template installation

3 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的有限元分析［5~6］

3．1 有限元模型

配筋單元在整個風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)中的分布如圖5所示。為方便研究混凝土基礎(chǔ)的開裂特性，選取豎向特征剖面1-1，豎向剖面2-2，如圖6所示。

3．2 計算結(jié)果

根據(jù)各個部分的最大鋼筋應(yīng)力可以計算出各個部分的最大裂縫寬度，計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)、外側(cè)的裂縫寬度相對較大，內(nèi)側(cè)最大裂縫寬度為0.227 mm，外側(cè)最大裂縫寬度為0.252 mm。但是，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)、外側(cè)的最大裂縫均小于規(guī)定的限值0.3 mm。

3．3 基礎(chǔ)開裂范圍分析

各種工況下，風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)底部開裂情況如圖7～圖14所示。

由圖7～圖14可以看出，風(fēng)機基礎(chǔ)底部未配筋時，開裂區(qū)域幾乎接近底部區(qū)域的一半；配筋后，基礎(chǔ)底部開裂范圍和程度顯著減小，僅存在于X軸正方向一側(cè)小范圍區(qū)域內(nèi)。基礎(chǔ)環(huán)附近及基礎(chǔ)臺階的外側(cè)未配筋之前，開裂區(qū)域遍及整個部分；增加豎向鋼筋后，開裂區(qū)域主要分布于X軸負方向一側(cè)偏上的部分。

總體分析，在進行配筋計算后，風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)的裂縫分布范圍和開裂程度較為合理，整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)大面積裂縫分布、未出現(xiàn)貫穿性裂縫，且裂縫寬度均在規(guī)范限值內(nèi)。計算中，未考慮外圍部分構(gòu)造筋的作用。在工程實際中，應(yīng)在混凝土的外表面布置構(gòu)造鋼筋，進一步保證裂縫不會貫穿。從分析可得，該配筋方案可滿足結(jié)構(gòu)的強度要求。

表1 有限元模型中模擬基礎(chǔ)配筋表Table 1 Simulation reinforcement of finite element model

圖5 加鋼筋單元在風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)中的分布Fig.5 Reinforced unit distribution of wind turbine base

圖6 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)垂向特征剖面示意圖Fig.6 Wind turbine base vertical characteristics profile

圖7 不加筋風(fēng)機基礎(chǔ)底部開裂情況Fig.7 Non-reinforced wind turbine base cracking situation

圖9 不加筋基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)部分開裂情況Fig.9 Non-reinforced base ring inner side cracking situation

圖10 加筋基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)部分開裂情況Fig.10 Reinforced base ring inside part cracking situation

圖11 不加筋基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)部分開裂情況Fig.11 Non-reinforced base ring outside part cracking situation

圖12 加筋基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)部分開裂情況Fig.12 Reinforced base ring outside part cracking situation

圖13 不加筋風(fēng)機基礎(chǔ)臺階外側(cè)開裂情況Fig.13 Non-reinforced wind turbine base steps outside part cracking situation

圖14 加筋風(fēng)機基礎(chǔ)臺階外側(cè)部開裂情況Fig.14 Reinforced wind turbine base steps outside part cracking situation

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，在風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)、外側(cè)，臺階與底板交界部位存在一定的易開裂區(qū)域。因此，為控制裂縫的開展，在強度和施工條件允許的情況下，宜采取直徑較小、分布較密的鋼筋布置方案。對于本文研究的工程，建議如下：基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)豎向筋配筋方案為120Ф25＠環(huán)向均布；環(huán)梁配筋方案為120Ф18＠環(huán)向均布；頂部貫穿基礎(chǔ)環(huán)筋配筋方案為120Ф22＠環(huán)向均布；底部鋼筋配筋方案為163Ф22＠100。

4 結(jié)語

本次研究結(jié)果顯示，對風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)進行整體配筋時，基礎(chǔ)鋼環(huán)外側(cè)的豎向鋼筋應(yīng)力值是最大的，設(shè)計時要著重考慮。進行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的裂縫分布范圍及裂縫寬度都滿足基礎(chǔ)的強度和穩(wěn)定性的要求。本研究是針對具體實例開展的，但是研究問題具有普遍性。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的強度和穩(wěn)定性需求，對其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行合理的配筋設(shè)計，并應(yīng)用有限元方法進行分析研究，然后對設(shè)計進行修改完善，是提高風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計的合理性，從而保證風(fēng)力發(fā)電機機組安全、穩(wěn)定運行的一種有效方法。

［1］周雙喜，魯宗相．風(fēng)力發(fā)電與電力系統(tǒng)［D］．北京:中國電力出版社，2011．

［2］ Garcia-Gonzalez J， De la-Muela R， Santos LM， et al．Stochasticjointoptimization ofwind generation and pumped-storage unitsin an electricity market ［J］．IEEE Transactions on Power Systems， 2008， 23 （2）:460-468．

［3］王民浩，陳觀福．我國風(fēng)力發(fā)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計［J］．水力發(fā)電，2008（11）:88-91．

［4］包國梁，韓英，趙錢．風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的土建施工［J］．包鋼科技，2012（5）:73-74．

［5］張迪，羅全勝，劉憲亮．風(fēng)力發(fā)電機鋼筋混凝土基礎(chǔ)有限元分析［J］．山西建筑，2010（31）:78-80．

［6］田靜，許新勇，劉憲亮．風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)接觸問題研究［J］．水電能源科學(xué)，2010（12）:154-156．