风电机组基础环受力分析

2013-04-26雍飞胥勇丛欧

风能 2013年4期

雍飞，胥勇，丛欧

（北京金风科创风电设备有限公司，北京100176）

0 引言

风电机组基础承受巨大的弯矩作用。作为承受和传递巨大弯矩的基础环，在基础设计时应验算其抗拔承载能力、抗弯承载力以及抗冲切等作用。基础环底部混凝土的厚度、基础环底法兰上部混凝土的厚度以及钢筋的布置，对基础环式基础的安全性均有重要的影响。《风电机组地基基础设计规定》（试行）[1]FD003－2007第5.0.9款要求：“应对制造商提出的基础环与基础的连接设计进行复核”。目前，国内规范尚无复核基础环承载能力的工程算法[2]。实际工程中存在许多因基础环整体被拔出而导致结构破坏的事故。加强对基础环受力性能的研究，意义重大。本文采用有限元分析方法，研究了基础环的承载能力、基础环和基础的相互作用，以及基础环与基础的连接强度等问题，为后续工程设计提供有意义的参考。

1 研究案例

某实际工程，采用机型为xx87/1500－75m，III类风区，其载荷如下：

表1 1500KW风电机组75m塔架极限载荷（III类风区）

表2 1500KW风电机组75m正常发电工况（III类风区）

结构设计使用年限为25年，安全等级为二级，丙类，6度设防，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅰ类，采用C35混凝土，最大水灰比为0.5，最大氯离子含量为0.15%，最大碱含量为3.0kg/m3，钢筋为：HRB335和HRB400，力学性能指标符合《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499中的要求，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率，穿孔钢筋为φ28HRB400，基础环选用Q345，基础几何尺寸如图1所示。

2 结构分析

ANSYS软件中的LINK8单元是轴向拉伸—压缩杆件单元，具有两个节点，每个节点有3个平移自由度（沿X、Y以及Z方向），可以用于模拟两端铰接的空间杆件，不考虑杆件的弯曲以及扭转。Solid65单元具有8个节点，每个节点有3个方向线位移自由度，用其建立的模型可具有拉裂和压碎性能。在混凝土的应用方面，可以用Solid65单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用；Solid95单元通过20个节点来定义，它可以接受不规则的形状并且不损失精度，每个节点有3个自由度：转化为节点坐标系下的X，Y，Z方向。Solid95单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变等能力。综上，本文选用Link8单元模拟基础中钢筋，Solid65单元模拟基础混凝土，Solid95单元模拟基础环。

2.1 模型简介

模型由混凝土、基础环、穿孔钢筋组成。基础底板固定于地基上。混凝土采用Solid65单元，基础环采用Solid95单元，穿孔钢筋采用Link8单元。整个模型包含38191个单元，221366个节点。荷载施加于基础环顶法兰上表面形心位置，如图2所示。

2.2 分析结果

通过分析可知：

基础环顶部的最大竖向位移为1.148mm，如图3所示；

混凝土最大压应力为2.99MPa，发生在基础环底法兰下表面与基础接触部位，混凝土无拉应力，如图4所示；

图1 基础图

图2 模型图

图3 变形图

图4 混凝土应力图

图5 穿孔钢筋应力图

图6 基础环应力图

穿孔钢筋最大压应力为：9.44MPa，最大拉应力为10.5MPa，如图5所示；

基础环最大压应力为312MPa，无拉应力，如图6所示。

2.3 分析结论

通过以上分析可知，基础环中不存在拉应力，全截面受压，基础混凝土与基础环以及穿孔钢筋的承载能力均满足规范要求[3]。基础环最大应力发生在侧壁开孔处。

3 基础环开孔分析

基础环可以开成椭圆孔，也可以开成圆形孔。对于以上模型，仅将基础环孔洞由椭圆孔调整为圆形孔，其计算结果最大压应力仍发生在基础环上为417MPa，基础环局部受压承载力不满足要求，如图7所示。

经计算分析知：与圆形孔相比，椭圆孔能有效改善应力集中现象。

图7 基础环局部受压应力图

4 总结

通过分析发现：此基础环满足承载力要求，在受力过程中全截面受压，基础环中不存在拉应力。设计人员可借鉴本文的方法分析判断基础环是否满足承载力要求。基础环的最大应力发生在侧壁开孔处，是基础环的薄弱部位，设计时应重点考虑。椭圆孔与圆孔相比，能有效改善开孔处的应力集中现象，在设计时，基础环应优先考虑设计成椭圆孔。