土-結(jié)構相互作用下基礎環(huán)式風機基礎受力特性研究

陳龔 劉哲鋒 伍軍 向康 楚加翼

摘要：針對某陸上風電場2 MW風電塔結(jié)構，建立了“地基土-風機基礎”有限元與無限單元結(jié)合的半無限邊界模型，研究土-結(jié)構相互作用下，風機基礎上部荷載、回填土重度、基礎重度對地基的作用以及地基形變對風機基礎的反向作用等。通過ABAQUS中的生死單元模擬風機基礎從基坑開挖、吊裝基礎、基坑回填到風機運行的全過程，分析風機在運行過程中正常工況和極端工況下的基礎環(huán)水平度、混凝土基礎的沉降與傾斜及其應力情況，并與底部剛性連接的基礎進行對比。研究表明，地基土對風機基礎環(huán)水平度影響較大，基礎應力方面變化也較為明顯。

關鍵詞：地基土；風機基礎；水平度；應力

中圖分類號：TM315文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0031-05

Study on Mechanical Characteristics of Foundation Ring Fan under Soil-Structure Interaction

CHEN GongLIU ZhefengWU JunXIANG KangCHU Jiayi

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha Hunan 410004）

Abstract： A semi-infinite boundary model combining finite element and infinite element was established for a 2MW wind turbine tower structure in an onshore wind farm. Under the condition of soil-structure interaction， the upper load of fan foundation is studied. Backfill soil weight； The effect of foundation weight on foundation and the reverse effect of foundation deformation on fan foundation. Through ABAQUS life-and-death unit simulation fan foundation from the foundation pit excavation； Lifting foundation； Foundation pit backfilling； And the whole process of fan op？ eration. The levelness of foundation ring in normal and extreme working conditions is analyzed. The settlement and inclination of the concrete foundation and its stress are compared with the foundation with rigid connection at the bot？ tom. The research shows that the foundation soil has great influence on the levelness of fan foundation ring， and the foundation stress is also obvious.

Keywords： foundation soil；fan foundation；levelness；stress

風力發(fā)電機作為一種高聳結(jié)構，其風機基礎承受著機艙和塔筒的重力荷載，其風機表面承受著施工完成后的回填土荷載，同時要承受風機搖擺帶來的巨大傾覆力矩[1]。對于松軟的地基，風機基礎更容易發(fā)生不均勻下沉。風機基礎整體傾斜以及豎向下沉超限，嚴重影響風機安全運行，因此對地基的穩(wěn)定性要求很高。基礎環(huán)作為基礎環(huán)式風機基礎連接基礎和上部塔筒的構件，在各種荷載疊加作用下，基礎環(huán)發(fā)生較小的傾斜就會引起塔筒頂部產(chǎn)生較大水平偏心距。之前大多研究都不考慮地基土對風機基礎的作用，直接將基礎底部綁定去研究基礎環(huán)水平度和風機基礎受力特性[2]，但是風機基礎不均勻下沉對基礎環(huán)水平度影響很大?！蛾懮巷L電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》（NB/T 10311—2019）中給定，置于實際環(huán)境中的風機基礎，隨塔筒高度的增加，傾斜率與沉降規(guī)定值變小[3]?！讹L力發(fā)電機組裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）中規(guī)定了基礎環(huán)在施工安裝過程中水平度偏差不能超過3 mm，也只是在安裝過程中的偏差，并沒有規(guī)定基礎在各種荷載和基礎傾斜作用下基礎環(huán)水平度的限值[4]。因此，應用有限元方法建立一種土與風機基礎結(jié)合的模型，對基礎環(huán)水平度和基礎受力狀況進行研究具有重要意義。

在考慮地基土對基礎結(jié)構的影響時，初始地應力平衡必不可少。通過有限元分析軟件ABAQUS對風機基礎與地基土建立實際尺寸的有限元模型，首先進行地應力平衡，然后通過生死單元模擬風機基礎在施工中從基坑開挖、吊裝基礎、基礎環(huán)水平度校核到基礎填土的全過程，計算出地基土自重作用和風機基礎荷載下的綜合沉降值，并且與剛性連接的風機基礎受力狀況和基礎環(huán)水平度進行對比分析。

1風機基礎與地基土計算模型

1.1荷載條件與材料參數(shù)

將風機上部結(jié)構傳給基礎的豎向重力荷載為Fy；水平荷載為Fx；合力矩MZ施加在基礎環(huán)上表面耦合約束點上。風機表面上覆土荷載通過建立實際尺寸的上覆土部件與風機基礎表面摩擦接觸，這樣能更清楚地反映風機基礎在實際土層中的運動狀態(tài)，對基礎和地基土自重施加重力荷載。

根據(jù)湖南郴州某風場提供的地質(zhì)報告說明書以及基礎設計圖紙，該風機基礎類型為基礎環(huán)式風機基礎，基礎主體為圓形擴展基礎，塔筒高度為80 m?；A混凝土取C40，墊層取C15混凝土?；A環(huán)鋼材采用Q345，基礎內(nèi)鋼筋籠采用HRB400。具體荷載工況以及材料參數(shù)如表1、表2所示。

1.2地質(zhì)條件與模型尺寸

1.2.1基礎與地基尺寸。地質(zhì)基礎與地基尺寸如圖1和圖2所示。基礎埋置深度為3.1 m。風機基礎上表面邊緣距地基土表面2 m，基礎直徑為18.6 m，基礎環(huán)直徑為4.4 m，在混凝土中的埋置深度為2.2 m。根據(jù)該風場地質(zhì)勘查報告，該風場風機基礎上覆土層為砂質(zhì)黏土，以全風化巖石作為其持力層，第三層為強風化巖層。

1.2.2模型范圍與單元選擇。地基土模型為高21.9 m、直徑46 m的圓柱體。風機基礎置于地基土中，基礎環(huán)與基礎混凝土之間采用摩擦接觸（摩擦因數(shù)為0.35），鋼筋籠與整個模型采用內(nèi)置區(qū)域連接；基礎和地基土之間的接觸關系為摩擦接觸，根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范摩擦因數(shù)取0.4?；A混凝土、基礎環(huán)均采用C3D8R六面體單元，實際土體采用C3D8單元，鋼筋籠采用兩節(jié)點抗彎梁單元。

1.2.3本構模型。根據(jù)材料的不同，選取不同的本構關系，基礎混凝土采用C40混凝土損傷模型，墊層混凝土為C15線彈性本構?；A環(huán)和鋼筋籠通過屈服應力定義塑性，地基土中強風化巖采用線彈性本構，全風化巖和上覆土層采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構模型。

1.2.4邊界條件與約束。根據(jù)圣維南原理，為了減小地基對風力發(fā)電機組基礎受力的影響，應盡量擴大有限元模型的計算范圍[5]。該模型采用有限元與無限單元結(jié)合的建模方法，，基礎被包裹在實際土體中，在實際土體外層布置水平環(huán)向和底部向下的無限單元。實際土體采用C3D8單元，將最外層有限單元類型C3D8R單元修改為無限單元CIN3D8，模擬基礎處于半無限邊界條件下的土應力變化[6]。模型側(cè)面和底部無限單元不設置約束，如圖3所示。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1初始地應力平衡

對于涉及開挖和回填的動態(tài)巖土工程問題，初始地應力平衡是正確模擬施工過程的前提條件[7]。此處采用自動平衡geo來平衡地應力。由于開挖后模型表面不水平，直接采用自動平衡方法將無法使地應力平衡，故此處在第一個分析步采用geo分析步的同時，采用生死單元在此分析步中將風機基礎部件和回填土部件殺死，并在土體掏空面上施加固定約束，圖4為約束施加圖。在第二個分析步中施加風機上部荷載，計算風機內(nèi)力時將風機基礎和回填土激活，固定約束在此分析步中取消，再將重力荷載施加在荷載分析步中模擬地基自重下沉和回填土荷載。

初始應力平衡是指地基土保持一個存在初始應力而沒有應變的狀態(tài)。施加地基土初始應力以后，再施加重力平衡，就能達到施工建設最初的狀態(tài)。如圖5所示，豎向應力呈分層狀，隨深度的增大而增大。圖6中豎向位移達到1×10-10m，符合地應力平衡要求。

2.2考慮土-結(jié)構作用時的數(shù)值模擬結(jié)果

如圖7所示，在正常荷載和極端荷載作用下，地基土的最大沉降值分別為-164.1 mm和-170.7 mm，都小于最大沉降-200 mm。如圖8所示，在極端荷載作用下，基礎迎風側(cè)下沉-141.9 mm，背風側(cè)下沉-170.7 mm，其最大沉降差為28.8 mm，傾斜率為0.001 5，滿足規(guī)范要求。風機正常運行工況中，基礎位移分布較均勻，迎風側(cè)與背風側(cè)相差不大。隨著荷載進一步增大至極端工況，迎風側(cè)位移分布相較于背風側(cè)發(fā)生明顯的變化，沉降差變大，風機傾斜更加嚴重。從圖8可以看出，極端工況與正常工況相比，迎風側(cè)上抬7.6 mm，背風側(cè)下沉8.5 mm?？傮w來說，風機從施工完成到運行，由于基礎受順時針彎矩以及考慮到水平力在基礎底部形成的附加彎矩，基礎將發(fā)生一定傾斜。但由于上覆土和基礎自重以及塔筒自重還有地基土在自重作用下對基礎的豎向沉降，比基礎上抬的位移大得多，因此基礎主要發(fā)生豎向沉降。但當豎向沉降完成，傾覆彎矩足夠大時，迎風側(cè)基礎上抬位移過大，此處表面土體由于基礎上抬向上拱起破壞，基礎底部脫開，風機發(fā)生傾覆性破壞[8]。

2.3兩種邊界條件對比分析結(jié)果

基礎環(huán)作為基礎和塔筒的連接構件，其水平度能直接反映整個風機的健康狀況。風機基礎底部分別設置兩種不同的邊界條件。一種考慮地基土的作用，即柔性連接；另一種不考慮沉降，直接設置三向固定約束，即剛性連接。設置兩種不同的工況分別進行水平度的對比。如圖9所示，柔性連接時，兩種工況下基礎環(huán)傾斜方向兩邊緣最大豎向位移均為負值，并且基礎環(huán)下法蘭處位移與基礎環(huán)上法蘭豎向位移大致相同，受拉側(cè)相對于受壓側(cè)抬起，其正常和極端荷載工況基礎環(huán)水平度分別為4.2 mm和9.7 mm。如圖10所示，剛性連接時，基礎環(huán)兩邊緣最大豎向位移受拉側(cè)為正，受壓側(cè)為負，法蘭處最大豎向位移與基礎環(huán)上法蘭位移相差較大，其水平度分別為1.31 mm和3.045 mm。從以上分析可知，風機在實際環(huán)境中，基礎環(huán)水平度受基礎的不均勻沉降影響很大。特別是在極端荷載工況下，與剛性連接的基礎環(huán)水平度相比，兩者相差6.65 mm。正常工況下，基礎環(huán)水平度相差2.89 mm。也就是說，隨著風機基礎所受荷載的增加，基礎的不均勻下沉對基礎環(huán)水平度的影響增大，塔筒傾斜加劇。

基礎混凝土應力狀況可以用來觀察混凝土的受力特性。同樣設置兩種邊界條件，觀察正常荷載工況下基礎混凝土的應力分布。如圖11所示，剛性連接時，基礎環(huán)上抬側(cè)混凝土拉應力為0.86 MPa，下壓側(cè)混凝土承受的最大拉應力為2.14 MPa，兩者相差較大，遠小于C40混凝土的抗拉強度設計值2.39 MPa。隨著荷載的增加，只有一側(cè)混凝土發(fā)生受拉破壞，與實際情況不符。而基礎柔性連接時，上抬側(cè)與下壓側(cè)混凝土拉應力較為接近，分別為2.34 MPa和2.35 MPa?；A環(huán)下法蘭兩側(cè)均出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，兩側(cè)混凝土均可能出現(xiàn)損傷。特別是基礎環(huán)下壓側(cè)外部混凝土應力集中區(qū)域較大，此處大面積混凝土容易被拉壞。圖12為兩種情況下等效塑性應變云圖。剛性連接時，塑性應變區(qū)域只發(fā)生在下法蘭上抬側(cè)和下壓側(cè)周圍混凝土。而柔性連接時，塑性應變從下法蘭向基礎底部延伸，下法蘭至基礎底部均產(chǎn)生塑性應變，其塑性應變區(qū)域變大。

3結(jié)論

通過ABAQUS建立了風機基礎-地基相互作用的無限單元邊界模型，設置兩種工況和兩種邊界條件，對基礎環(huán)水平度以及基礎混凝土應力進行對比分析，得出結(jié)論。

①基礎的不均勻沉降對基礎環(huán)水平度影響很大。在考慮地基土作用時，其基礎環(huán)水平度超過了安裝規(guī)范規(guī)定的3 mm限值，說明該限值不能評判基礎環(huán)的水平度。

②在考慮地基土的情況下，與不考慮時的基礎應力相比，前者基礎環(huán)下法蘭兩側(cè)混凝土均出現(xiàn)較大的拉應力，后者只在下法蘭下壓側(cè)出現(xiàn)較大拉應力，上抬側(cè)混凝土拉應力較小。也就是說，在考慮地基土作用時，基礎損傷更符合實際情況。

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