超高海拔高性能纖維混凝土在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著對(duì)清潔、可再生能源的需求增加，風(fēng)能作為一種重要的能源形式受到廣泛關(guān)注。然而，在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中，常規(guī)混凝土在高海拔環(huán)境下面臨著挑戰(zhàn)，為了解決這些問題，該文研究高性能纖維混凝土在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用。通過數(shù)值模擬分析，研究高性能纖維混凝土風(fēng)電基礎(chǔ)的力學(xué)性能和變形特性。研究結(jié)果表明，隨著集中荷載的增加，風(fēng)電基礎(chǔ)的承載能力逐漸增強(qiáng)，但其所受到的最應(yīng)力的增長幅度逐漸減??；同時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓形承臺(tái)的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應(yīng)力所在區(qū)域的范圍也逐漸擴(kuò)大。隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風(fēng)電基礎(chǔ)的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。等待風(fēng)電基礎(chǔ)達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)后，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度、地基承載能力等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均滿足工程規(guī)范需求。

關(guān)鍵詞：超高海拔；高性能纖維混凝土；風(fēng)電基礎(chǔ)工程；數(shù)值模擬；工程實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0001-04

Abstract： Due to the rising demand for clean and renewable energy， wind energy has become a prominent focus as a vital energy source. Nonetheless， the use of traditional concrete encounters obstacles in ultra-high-altitude settings within wind power engineering. To tackle these challenges， this study explores the utilization of high-performance fiber-reinforced concrete in wind power foundation engineering. The mechanical properties and deformation characteristics of wind power foundations constructed with high-performance fiber-reinforced concrete are investigated through numerical simulation analysis. The research findings reveal that as concentrated loads increase， the bearing capacity of wind power foundations gradually improves， albeit at a declining rate of maximum stress. Additionally， the maximum stress is concentrated directly beneath the circular foundation， and the area of maximum stress expands progressively with higher concentrated loads. As the applied concentrated load intensifies， the lateral and vertical displacements of wind power foundations also gradually increase. Following the attainment of the corresponding strength grade by the wind power foundation， on-site tests are performed to evaluate its concrete strength and foundation bearing capacity， which successfully fulfill the requirements stipulated by engineering specifications.

Keywords： ultra-high-altitude; high performance fiber reinforced concrete; wind power foundation engineering; numerical simulation; practical engineering application

隨著能源需求的不斷增長，同時(shí)在新時(shí)代下對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不同，風(fēng)能受到了越來越多的關(guān)注和重視。風(fēng)電基礎(chǔ)工程作為風(fēng)能利用的核心環(huán)節(jié)之一，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和發(fā)電效率至關(guān)重要。混凝土在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中扮演著重要的角色，然而在高海拔環(huán)境下，常規(guī)混凝土面臨著一系列挑戰(zhàn)，如高風(fēng)速、低溫和強(qiáng)輻射等。這些因素可能導(dǎo)致常規(guī)混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性下降，從而影響風(fēng)電基礎(chǔ)工程的安全和可靠性。為了解決這一問題，高性能纖維混凝土應(yīng)運(yùn)而生。高性能纖維混凝土通過添加纖維，顯著提高了混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性，能夠適應(yīng)風(fēng)電基礎(chǔ)工程的極端環(huán)境要求[1-4]。

關(guān)于纖維混凝土的工程應(yīng)用已有大量的工程人員開展研究并取得了不錯(cuò)的成果，例如：王中荔等[5]為提高現(xiàn)澆高大模板混凝土施工穩(wěn)定性，制備了現(xiàn)澆纖維混凝土，研究發(fā)現(xiàn)纖維上午質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)混凝土的性能最強(qiáng)，且最大荷載和撓度也有所提高。吳海林等[6]研究了摻入鋼-玄武巖混雜纖維混凝土對(duì)水電站壓力管道外包混凝土的影響，通過試驗(yàn)和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)摻入鋼-玄武巖混雜纖維后，壓力管道結(jié)構(gòu)受力均勻，裂縫數(shù)量和寬度減少，鋼襯和鋼筋應(yīng)力降低。寧喜亮等[7]針對(duì)鋼筋鋼纖維自密實(shí)混凝土梁式構(gòu)件瞬時(shí)彎曲撓度，提出了基于有效截面慣性矩的簡化模型，為研究鋼筋鋼纖維自密實(shí)混凝土梁式構(gòu)件瞬時(shí)彎曲變形性能的影響并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，進(jìn)行了四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)。

本論文旨在對(duì)高性能纖維混凝土在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。通過分析高性能纖維混凝土的性能特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探討其在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中的具體應(yīng)用方式和效果。同時(shí)，通過數(shù)值模擬的方法，評(píng)估高性能纖維混凝土在高海拔環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能，為風(fēng)電基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。本研究的結(jié)果和結(jié)論對(duì)于推動(dòng)風(fēng)電基礎(chǔ)工程的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過引入高性能纖維混凝土材料，可以提高風(fēng)電基礎(chǔ)工程的結(jié)構(gòu)安全性和可靠性，減少維護(hù)和修復(fù)成本，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成的影響也會(huì)大大降低。希望本論文的研究成果能夠?yàn)轱L(fēng)電基礎(chǔ)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)，促進(jìn)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

國家能源集團(tuán)那曲100 MW風(fēng)電項(xiàng)目采用型式簡單、施工難度較低的擴(kuò)展基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用圓形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過初步計(jì)算，擴(kuò)大基礎(chǔ)的尺寸：底部基礎(chǔ)的圓形結(jié)構(gòu)的直徑是D1=18.4 m，高度H1=0.8 m；頂部結(jié)構(gòu)圓形結(jié)構(gòu)直徑D2=7.6 m，高度H2=1.1 m；中間部分是圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，圓臺(tái)上部圓形的直徑與上部結(jié)構(gòu)一樣，圓臺(tái)下部圓形的直徑與下部結(jié)構(gòu)一樣（如圖1所示）。

2 數(shù)值模型與參數(shù)

本文僅對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值仿真分析，基礎(chǔ)與地面是剛接，因此在數(shù)值分析時(shí)其地面設(shè)置為固定約束，其余邊界則為自由界面。本文主要研究高性能纖維混凝土在工程應(yīng)用中的受力及變形，因此在開展數(shù)值分析時(shí)僅考慮以素混凝土填充的方式進(jìn)行建模分析，不考慮鋼筋。本文依托工程采用的是C40的高性能纖維混凝土，一般C40混凝土的強(qiáng)度基本在40 MPa左右，但在混凝土中加入抗裂纖維后，其強(qiáng)度可穩(wěn)定到45 MPa以上，本文在前期開展配合比試驗(yàn)后，得到了基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示的C40高性能纖維混凝土。

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)進(jìn)行建模計(jì)算，風(fēng)電基礎(chǔ)在實(shí)際過程中主要承受上部結(jié)構(gòu)的自身重量及投入使用后的風(fēng)荷載，為了分析不同工況下基礎(chǔ)的穩(wěn)定狀態(tài)，本文提出在基礎(chǔ)上部圓臺(tái)區(qū)域施加4個(gè)不同的豎向集中荷載，分別為500、1 000、1 500和2 000 kN。風(fēng)電基礎(chǔ)數(shù)值模型網(wǎng)格劃分的正視圖和俯視圖如圖2所示。

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析及工程應(yīng)用

3.1 風(fēng)電基礎(chǔ)受力分析

為了研究不同狀態(tài)下風(fēng)電基礎(chǔ)的受力情況，通過改變風(fēng)電基礎(chǔ)所受的豎向荷載大小來進(jìn)行分析。在這項(xiàng)研究中，我們選擇了4種不同工況下的風(fēng)電基礎(chǔ)受力情況進(jìn)行分析，4種不同工況下風(fēng)電基礎(chǔ)在加載過程中的受力云圖如圖3所示。在這4種不同工況下，分別施加集中荷載500、1 000、1 500和2 000 kN于風(fēng)電基礎(chǔ)中央圓形承臺(tái)區(qū)域，計(jì)算結(jié)果表明，在不同荷載條件下，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的最大應(yīng)力分別為10.59、11.74、12.90和14.05 MPa，其增長比例分別為9.8%、9.0%、8.2%。隨著集中荷載的增加，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的最大應(yīng)力也隨之增大，這意味著風(fēng)電基礎(chǔ)的承載能力在不同集中荷載下逐漸增強(qiáng)，但是其所受到的最應(yīng)力的增長幅度逐漸減小。同時(shí)，還觀察到最大應(yīng)力所在區(qū)域?yàn)閳A形承臺(tái)的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應(yīng)力所在區(qū)域的范圍也逐漸擴(kuò)大，這說明風(fēng)電基礎(chǔ)的受力分布隨豎向荷載的增大呈現(xiàn)出向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。通過對(duì)這些計(jì)算結(jié)果的分析，本文所擬計(jì)算工況條件下，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的極限應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C40高性能纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度。這意味著采用C40高性能纖維混凝土作為風(fēng)電基礎(chǔ)的建設(shè)材料完全滿足工程建設(shè)需求。這項(xiàng)研究結(jié)果為風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工提供了有力的支持，保證了風(fēng)電系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)不同集中荷載下風(fēng)電基礎(chǔ)的受力情況進(jìn)行分析，得出了風(fēng)電基礎(chǔ)在不同狀態(tài)下的受力特點(diǎn)，這對(duì)于風(fēng)電基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。

3.2 風(fēng)電基礎(chǔ)位移分析

4種不同工況下風(fēng)電基礎(chǔ)在加載過程中的位移云圖如圖4所示。通過計(jì)算結(jié)果可以得知，在這4種不同工況下，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的最大橫向位移分別為1.957、2.281、2.444和2.606 mm，其增長比例分別為14.2%、6.7%、6.6%；風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的最大豎向位移分別為5.237、7.470、8.574和9.677 mm，其增長比例分別為29.9%、12.9%、11.4%。值得注意的是，隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風(fēng)電基礎(chǔ)的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。然而，可以觀察到其增長比例卻呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)。這意味著隨著荷載的增加，風(fēng)電基礎(chǔ)的位移增長速率減緩，即其對(duì)荷載的響應(yīng)逐漸減弱。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是混凝土材料的變形能力和彈性限度是有一定限值的，當(dāng)荷載施加到一定程度時(shí)，混凝土的變形將會(huì)逐漸逼近該材料的變形極限，這將導(dǎo)致位移增長比例會(huì)出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。此外，混凝土材料自身的屬性和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也會(huì)對(duì)位移增長比例產(chǎn)生影響，同時(shí)在開展數(shù)值仿真計(jì)算過程中，在圓形承臺(tái)區(qū)域施加集中荷載時(shí)是逐級(jí)加載的，其自身可能存在一些非線性因素，如基礎(chǔ)的接觸界面摩擦、材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等均可能導(dǎo)致位移增長比例的降低。但是從計(jì)算結(jié)果來看，不同加載條件下C40高性能纖維混凝土的最大變形量仍然是較小的。同時(shí)在實(shí)際施工過程中還會(huì)在混凝土中增加相應(yīng)的配筋，將大大提高風(fēng)電基礎(chǔ)整體的承載性能和增加基礎(chǔ)的變形韌性。

3.3 工程應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電基礎(chǔ)的基礎(chǔ)型式為圓形重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)坐落在塊石、強(qiáng)風(fēng)化基巖層，基礎(chǔ)主體采用C40高性能纖維混凝土澆筑，墊層采用二級(jí)配C20混凝土填充；鋼筋采用HPB300和HRB400，鋼筋網(wǎng)焊接應(yīng)符合相關(guān)的規(guī)定；型鋼采用Q235-C級(jí)鋼板。施工完成后，按照相關(guān)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)要求對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，風(fēng)電基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)施工如圖5—圖7所示。等待風(fēng)電基礎(chǔ)達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)后，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度、地基承載能力等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均滿足工程規(guī)范需求。

4 結(jié)論

1）隨著集中荷載的增加，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的最大應(yīng)力也隨之增大，風(fēng)電基礎(chǔ)的承載能力逐漸增強(qiáng)，但是其所受到的最應(yīng)力的增長幅度逐漸減小。同時(shí)，最大應(yīng)力所在區(qū)域?yàn)閳A形承臺(tái)的正下方，并且隨著集中荷載的增加，最大應(yīng)力所在區(qū)域的范圍也逐漸擴(kuò)大，隨豎向荷載的增大呈現(xiàn)出向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。本文所擬計(jì)算工況條件下，風(fēng)電基礎(chǔ)所受到的極限應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C40高性能纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2）隨著所施加的集中荷載逐漸增大，風(fēng)電基礎(chǔ)的橫向位移和豎向位移均逐漸增大。然而，其增長比例卻呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)，風(fēng)電基礎(chǔ)的位移增長速率減緩，即其對(duì)荷載的響應(yīng)逐漸減弱。

3）針對(duì)C40高性能纖維混凝土在超高海拔地區(qū)進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用后，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度、地基承載能力等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均滿足工程規(guī)范需求。

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基金項(xiàng)目：西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（XZ202401ZR0139）

第一作者簡介：旦增頓珠（1991-），男，助理工程師。研究方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>