風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中鋼-混凝土間的接觸有限元模擬

王超飛， 霍治澎， 魏 弦

(陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710018)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中鋼-混凝土間的接觸有限元模擬

王超飛， 霍治澎， 魏 弦

(陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710018)

運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的縮尺簡化模型試驗進(jìn)行了模擬與分析，采用面面接觸對模擬基礎(chǔ)環(huán)鋼板與混凝土的接觸作用，對其內(nèi)部鋼-混凝土的滑移粘結(jié)等性能進(jìn)行了研究，分析了試驗?zāi)Ｐ偷膫髁C(jī)理和應(yīng)變分布特征，確定出合理的庫倫摩擦本構(gòu)的靜摩擦系數(shù)，有限元計算結(jié)果與試驗曲線吻合較好，可為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)實體模型的理論研究和工程實際分析提供依據(jù)。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ); 簡化試驗; 接觸非線性; 滑移

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔筒與基礎(chǔ)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐在60～100 m的高空，以獲得足夠的風(fēng)力來發(fā)電。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要由混凝土、基礎(chǔ)環(huán)鋼板及鋼筋等材料組成，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部存在鋼筋與混凝土、型鋼與混凝土等多種連接形式，基礎(chǔ)環(huán)鋼板與基礎(chǔ)混凝土的連接關(guān)系如圖1所示。

對于鋼筋與混凝土的連接，大量文獻(xiàn)中認(rèn)為兩者彈性相連，不考慮鋼筋和混凝土間的滑移效應(yīng)［1-3］。而型鋼與混凝土的連接方式，國內(nèi)外學(xué)者主要是對型鋼與混凝土的粘結(jié)滑移性能作了大量相關(guān)研究，這里不再贅述。近幾年來，隨著我國加大風(fēng)電發(fā)展的力度，學(xué)者對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的研究工作也逐步展開，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計提出了寶貴的建議。季榮［4］針對內(nèi)蒙古大唐國際紅牧風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)特點(diǎn)，對其進(jìn)行了優(yōu)化，底層主筋優(yōu)先采用徑向配置，使其更符合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)。張迪等［5］利用ANSYS有限元軟件建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)三維有限元模型，計算后得出了主要受力鋼筋應(yīng)力情況，并指出底部主筋采用徑向分布要優(yōu)于雙向正交分布。王熾欣等［6］通過建立發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)有限元模型，獲得了發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的最大Von Mises應(yīng)力隨基礎(chǔ)的底板與基礎(chǔ)環(huán)護(hù)壁厚的變化規(guī)律，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計及優(yōu)化提出了可行性建議。盡管已有一些風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的相關(guān)研究，但由于基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)的特殊性，專門針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部粘結(jié)滑移的理論研究比較少，簡單實用的有限元數(shù)值分析方法還不多。本文針對湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)簡化試驗［7］，運(yùn)用ANSYS建立了試驗的有限元模型，對基礎(chǔ)環(huán)鋼板與混凝土間的粘結(jié)滑移性能進(jìn)行模擬，分析了試驗?zāi)Ｐ偷膫髁C(jī)理和應(yīng)變分布特征。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面圖

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計資料，湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院通過數(shù)學(xué)微元思想縮尺后的簡化模型尺寸如圖2所示［7］。分別研究鋼板和翼緣在混凝土中的錨固作用，采用兩種試件:試件(a)的混凝土尺寸為400 mm×400 mm×700 mm，鋼板插入混凝土700 mm，外露于混凝土長200 mm;試件(b)的混凝土尺寸為400 mm×400 mm×600 mm，鋼板插入混凝土500 mm，外露于混凝土200 mm，插入混凝土的鋼板末端為54 mm×50 mm×12 mm的翼緣。在鋼板一側(cè)表面以100 mm為間隔粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變值從距混凝土頂面100 mm處開始采集。

圖2 簡化試驗?zāi)Ｐ?/p>

2 材料模型選擇

2.1 材料模型

本文采用大型通用有限元分析程序ANSYS進(jìn)行分析，混凝土采用Solid65單元。根據(jù)設(shè)計要求取C30混凝土，彈性模量取3.00×104MPa，泊松比為0.2?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)［8］的單軸受壓σ-ε曲線，該模型能較好反映混凝土的下降段，并且使用方便［9-10］。鋼板采用Solid45單元，采用雙線性隨動強(qiáng)化模型(BKIN)，單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為理想彈塑性模型。鋼板選用Q235，fy取235 MPa?？紤]到結(jié)構(gòu)與荷載的對稱性，建立了1/4有限元模型。

2.2 接觸模型

2.2.1 豎向鋼板和混凝土間的接觸

在有限元模型中，用面-面接觸對Targe170和Contac173來模擬鋼板和混凝土的粘結(jié)滑移。指定剛體即鋼板表面為目標(biāo)面，用Targe170單元模擬，指定柔體即混凝土表面為接觸面，用Contac173單元模擬。接觸對的粘結(jié)滑移關(guān)系采用ANSYS程序的庫倫摩擦模型，即:

式中:τ為接觸面上的剪應(yīng)力;p為界面上法向壓應(yīng)力;COHE是沒有法向壓力時開始滑動的摩擦應(yīng)力值，即初始粘結(jié)力，這里以混凝土的抗拉強(qiáng)度ft取代粘結(jié)強(qiáng)度COHE，采用文獻(xiàn)［11］中光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固長度的換算公式是界面靜摩擦系數(shù)，分析中取0.42［12］。庫倫摩擦模型中需設(shè)置最大等效剪應(yīng)力TAUMAX，它是區(qū)別接觸過程中是否發(fā)生滑動的分界值，如圖3所示，該值近似取為σy/(σy是表面附近材料的VonMises屈服應(yīng)力)。

2.2.2 翼緣鋼板和混凝土間的接觸

結(jié)合模型(a)的試驗和有限元分析，通過調(diào)節(jié)翼緣和混凝土

間接觸對的摩擦系數(shù)μ可以得到較好模擬結(jié)果，最終確定翼緣鋼板和混凝土間的接觸靜摩擦系數(shù)μ=0.6，接觸對的其余參數(shù)同模型(a)的設(shè)置。

圖3 ANSYS程序庫倫摩擦模型

3 建立有限元模型

有限元模型采用“自上而下”的建模方式，雖然方便直觀，但需要對塊體進(jìn)行布爾操作來實現(xiàn)網(wǎng)格劃分，為保證計算的高效和收斂。有限元分析中，根據(jù)模型機(jī)荷載的對稱性，在1/4模型的對稱面上施加對稱約束。構(gòu)件頂部加一塊剛度很大的中間開口的鋼墊板，目的是使其和試驗加載方式盡量保持一致，鋼墊板板頂所有節(jié)點(diǎn)的自由度全部約束。

試驗加載時，在鋼板頂部直接施加受向上(z向)100 kN的拉力。模型中將拉力轉(zhuǎn)化為面荷載，采用在鋼板頂面施加面荷載的辦法進(jìn)行加載，以使鋼板截面受力均勻。結(jié)構(gòu)的自重通過設(shè)置豎直向上的重力加速度予以實現(xiàn)。整個求解過程為一個荷載步，分50個荷載子步加載計算。

4 后處理及分析結(jié)果

4.1 有限元結(jié)果分析

ANSYS的后處理功能非常強(qiáng)大而方便，在求解后進(jìn)行結(jié)果處理時，通?？梢赃x擇圖片、數(shù)值或曲線的方式來人為控制，有限元結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖5 混凝土yz向剪應(yīng)力/MP

有限元結(jié)果表明，鋼板受力初始端位移最大，沿其長度方向逐級遞減，鋼板所受的應(yīng)力變化呈遞減趨勢，靠近混凝土頂部的應(yīng)力變化明顯，外露于混凝土的鋼板應(yīng)力最大且基本不變，埋入混凝土的鋼板受界面粘結(jié)力而應(yīng)力值遞減。由于靠近受力端，混凝土yz向剪應(yīng)力從與鋼板接觸面頂部開始迅速增大，受界面粘結(jié)力的影響，達(dá)到最大值后以較緩速度遞減。

4.2 計算與試驗結(jié)果對比分析

根據(jù)試驗施加荷載的大小，對有限元模型(a)、(b)分別提取與試驗荷載值相對應(yīng)的有限元結(jié)果的鋼板表面應(yīng)變值，提取點(diǎn)位置和試驗測點(diǎn)位置相同，將有限元結(jié)果和試驗實測值進(jìn)行對比，應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6(a)應(yīng)變分布與文獻(xiàn)［13］中的曲線相似，首先，加載端部的鋼板表面應(yīng)變最大，由于混凝土和鋼板間的粘結(jié)力的存在，鋼板表面應(yīng)變隨埋深的增加而遞減;其次，鋼板應(yīng)變在靠近加載端的遞減速度較大，而后緩慢。圖6(b)的曲線表明，與模型(a)不同，由于翼緣參與受力，使得鋼板表面應(yīng)變的下降速度在距底部300 mm高度處有突變，有限元結(jié)果與試驗實測情況是相符的。兩個模型的計算值與試驗實測值的對比曲線均吻合較好，證明了用有限元模擬的可行性和參數(shù)設(shè)置的合理性。

5結(jié)論

本文針對文獻(xiàn)［7］的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)簡化模型試驗，通過通用有限元軟件ANSYS建立考慮鋼-混凝土接觸非線性作用的有限元模型，驗證了有限元分析模擬粘結(jié)滑移問題的可行性。計算結(jié)果表明，通過對材料的有限單元和本構(gòu)的合理選取，特別是接觸本構(gòu)的模型及參數(shù)的設(shè)置，較好地模擬了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)簡化模型試件中鋼-混凝土結(jié)構(gòu)拉拔作用的接觸非線性，可為今后的理論研究和數(shù)值模擬提供參考，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化也有實際指導(dǎo)意義。

圖6 模型的試驗與有限元結(jié)果對比

［1］陸新征，江見鯨.用ANSYS Solid 65單元分析混凝土組合構(gòu)件復(fù)雜應(yīng)力［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(61):22-24.

［2］郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2007:76.

［3］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［4］季榮.紅牧風(fēng)電場工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工圖優(yōu)化設(shè)計［J］.廣西水利水電，2009(2):53-55.

［5］張迪，羅全勝，劉憲亮.風(fēng)力發(fā)電機(jī)鋼筋混凝土基礎(chǔ)有限元分析［J］.山西建筑，2010，36(31):78-80.

［6］王熾欣，王浩，梁瑞慶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基礎(chǔ)的力學(xué)性能有限元分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(4):69-71.

［7］孔德偉.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼環(huán)與混凝土錨固機(jī)理分析與試驗［D］.長沙:湖南科技大學(xué)，2012:17-25.

［8］GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［9］BEZANT Z P.Finite element analysis of reinforced concrete structures［M］.New York:ASCE，1982.

［10］BANGASH M Y H.Numerical modeling of bond and bond-slip，Concrete and Concrete Structures:Numerical Modeling and Applications［M］.London:Elsevier Applied Science，1985.

［11］過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［12］徐有鄰.鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固的分析研究［J］.建筑科學(xué)，1992(2):18-24.

［13］薛建陽，趙鴻鐵，楊勇，等.型鋼混凝土柱粘結(jié)滑移性能及ANSYS數(shù)值模擬方法研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006(10):8-16.

［責(zé)任編輯:李 莉］

Contact finite element analysis between steel and concrete in wind turbine foundation

WANG Chao-fei， HUO Zhi-peng， WEI Xian
(Shaanxi Architectural Design and Institute Co.，LTD ，Xi’an 710018，China)

Simulation and analysis about trim size simplified model of wind turbine foundation were conducted by using general finite element analysis(FEA)program ANSYS.Surface-to-surface contact pair was built to simulate the contact function between steel and concrete.The bond-slip property between steel and concrete was studied.Load transfer mechanism and strain distribution of the models were analysed.The numerical simulation results were in good agreement with the experimental results.According to this，the finite element model established and analysis results can provide a theoretical reference for later research，and can be used for practical analysis in engineering.

wind turbine foundation; simplified test; nonlinear contact; bond-slip

TU398

A

1673-2944(2014)05-0021-04

2014-03-18

王超飛(1987—)，男，陜西省西安市人，陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司助理工程師，碩士，主要研究方向為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。