风机基础中钢-混凝土间的接触有限元模拟

王超飞， 霍治澎， 魏 弦

(陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西西安 710018)

风机基础中钢-混凝土间的接触有限元模拟

王超飞， 霍治澎， 魏 弦

(陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西西安 710018)

运用通用有限元软件ANSYS对风机基础的缩尺简化模型试验进行了模拟与分析，采用面面接触对模拟基础环钢板与混凝土的接触作用，对其内部钢-混凝土的滑移粘结等性能进行了研究，分析了试验模型的传力机理和应变分布特征，确定出合理的库伦摩擦本构的静摩擦系数，有限元计算结果与试验曲线吻合较好，可为风机基础实体模型的理论研究和工程实际分析提供依据。

风机基础; 简化试验; 接触非线性; 滑移

风力发电机组的塔筒与基础构成风力发电机组的支撑结构，将风力发电机支撑在60～100 m的高空，以获得足够的风力来发电。风机基础主要由混凝土、基础环钢板及钢筋等材料组成，风机基础内部存在钢筋与混凝土、型钢与混凝土等多种连接形式，基础环钢板与基础混凝土的连接关系如图1所示。

对于钢筋与混凝土的连接，大量文献中认为两者弹性相连，不考虑钢筋和混凝土间的滑移效应［1-3］。而型钢与混凝土的连接方式，国内外学者主要是对型钢与混凝土的粘结滑移性能作了大量相关研究，这里不再赘述。近几年来，随着我国加大风电发展的力度，学者对风机基础整体结构的研究工作也逐步展开，为风机基础的设计提出了宝贵的建议。季荣［4］针对内蒙古大唐国际红牧风电场风机基础特点，对其进行了优化，底层主筋优先采用径向配置，使其更符合风机基础的受力特点。张迪等［5］利用ANSYS有限元软件建立了风力发电机基础三维有限元模型，计算后得出了主要受力钢筋应力情况，并指出底部主筋采用径向分布要优于双向正交分布。王炽欣等［6］通过建立发电机组基础有限元模型，获得了发电机组基础的最大Von Mises应力随基础的底板与基础环护壁厚的变化规律，为风机基础设计及优化提出了可行性建议。尽管已有一些风机基础的相关研究，但由于基础环结构的特殊性，专门针对风机基础内部粘结滑移的理论研究比较少，简单实用的有限元数值分析方法还不多。本文针对湖南科技大学土木工程学院的风机基础简化试验［7］，运用ANSYS建立了试验的有限元模型，对基础环钢板与混凝土间的粘结滑移性能进行模拟，分析了试验模型的传力机理和应变分布特征。

图1 风机基础剖面图

1 试验模型

根据风机基础设计资料，湖南科技大学土木工程学院通过数学微元思想缩尺后的简化模型尺寸如图2所示［7］。分别研究钢板和翼缘在混凝土中的锚固作用，采用两种试件:试件(a)的混凝土尺寸为400 mm×400 mm×700 mm，钢板插入混凝土700 mm，外露于混凝土长200 mm;试件(b)的混凝土尺寸为400 mm×400 mm×600 mm，钢板插入混凝土500 mm，外露于混凝土200 mm，插入混凝土的钢板末端为54 mm×50 mm×12 mm的翼缘。在钢板一侧表面以100 mm为间隔粘贴应变片，应变值从距混凝土顶面100 mm处开始采集。

图2 简化试验模型

2 材料模型选择

2.1 材料模型

本文采用大型通用有限元分析程序ANSYS进行分析，混凝土采用Solid65单元。根据设计要求取C30混凝土，弹性模量取3.00×104MPa，泊松比为0.2。混凝土本构关系采用文献［8］的单轴受压σ-ε曲线，该模型能较好反映混凝土的下降段，并且使用方便［9-10］。钢板采用Solid45单元，采用双线性随动强化模型(BKIN)，单轴应力-应变关系为理想弹塑性模型。钢板选用Q235，fy取235 MPa。考虑到结构与荷载的对称性，建立了1/4有限元模型。

2.2 接触模型

2.2.1 竖向钢板和混凝土间的接触

在有限元模型中，用面-面接触对Targe170和Contac173来模拟钢板和混凝土的粘结滑移。指定刚体即钢板表面为目标面，用Targe170单元模拟，指定柔体即混凝土表面为接触面，用Contac173单元模拟。接触对的粘结滑移关系采用ANSYS程序的库伦摩擦模型，即:

式中:τ为接触面上的剪应力;p为界面上法向压应力;COHE是没有法向压力时开始滑动的摩擦应力值，即初始粘结力，这里以混凝土的抗拉强度ft取代粘结强度COHE，采用文献［11］中光圆钢筋与混凝土的粘结锚固长度的换算公式是界面静摩擦系数，分析中取0.42［12］。库伦摩擦模型中需设置最大等效剪应力TAUMAX，它是区别接触过程中是否发生滑动的分界值，如图3所示，该值近似取为σy/(σy是表面附近材料的VonMises屈服应力)。

2.2.2 翼缘钢板和混凝土间的接触

结合模型(a)的试验和有限元分析，通过调节翼缘和混凝土

间接触对的摩擦系数μ可以得到较好模拟结果，最终确定翼缘钢板和混凝土间的接触静摩擦系数μ=0.6，接触对的其余参数同模型(a)的设置。

图3 ANSYS程序库伦摩擦模型

3 建立有限元模型

有限元模型采用“自上而下”的建模方式，虽然方便直观，但需要对块体进行布尔操作来实现网格划分，为保证计算的高效和收敛。有限元分析中，根据模型机荷载的对称性，在1/4模型的对称面上施加对称约束。构件顶部加一块刚度很大的中间开口的钢垫板，目的是使其和试验加载方式尽量保持一致，钢垫板板顶所有节点的自由度全部约束。

试验加载时，在钢板顶部直接施加受向上(z向)100 kN的拉力。模型中将拉力转化为面荷载，采用在钢板顶面施加面荷载的办法进行加载，以使钢板截面受力均匀。结构的自重通过设置竖直向上的重力加速度予以实现。整个求解过程为一个荷载步，分50个荷载子步加载计算。

4 后处理及分析结果

4.1 有限元结果分析

ANSYS的后处理功能非常强大而方便，在求解后进行结果处理时，通常可以选择图片、数值或曲线的方式来人为控制，有限元结果如图4和图5所示。

图5 混凝土yz向剪应力/MP

有限元结果表明，钢板受力初始端位移最大，沿其长度方向逐级递减，钢板所受的应力变化呈递减趋势，靠近混凝土顶部的应力变化明显，外露于混凝土的钢板应力最大且基本不变，埋入混凝土的钢板受界面粘结力而应力值递减。由于靠近受力端，混凝土yz向剪应力从与钢板接触面顶部开始迅速增大，受界面粘结力的影响，达到最大值后以较缓速度递减。

4.2 计算与试验结果对比分析

根据试验施加荷载的大小，对有限元模型(a)、(b)分别提取与试验荷载值相对应的有限元结果的钢板表面应变值，提取点位置和试验测点位置相同，将有限元结果和试验实测值进行对比，应变曲线如图6所示。

图6(a)应变分布与文献［13］中的曲线相似，首先，加载端部的钢板表面应变最大，由于混凝土和钢板间的粘结力的存在，钢板表面应变随埋深的增加而递减;其次，钢板应变在靠近加载端的递减速度较大，而后缓慢。图6(b)的曲线表明，与模型(a)不同，由于翼缘参与受力，使得钢板表面应变的下降速度在距底部300 mm高度处有突变，有限元结果与试验实测情况是相符的。两个模型的计算值与试验实测值的对比曲线均吻合较好，证明了用有限元模拟的可行性和参数设置的合理性。

5结论

本文针对文献［7］的风机基础简化模型试验，通过通用有限元软件ANSYS建立考虑钢-混凝土接触非线性作用的有限元模型，验证了有限元分析模拟粘结滑移问题的可行性。计算结果表明，通过对材料的有限单元和本构的合理选取，特别是接触本构的模型及参数的设置，较好地模拟了风机基础简化模型试件中钢-混凝土结构拉拔作用的接触非线性，可为今后的理论研究和数值模拟提供参考，对风机基础结构设计优化也有实际指导意义。

图6 模型的试验与有限元结果对比

［1］陆新征，江见鲸.用ANSYS Solid 65单元分析混凝土组合构件复杂应力［J］.建筑结构，2003，33(61):22-24.

［2］郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2007:76.

［3］江见鲸，陆新征，叶列平.混凝土结构有限元分析［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［4］季荣.红牧风电场工程风机基础施工图优化设计［J］.广西水利水电，2009(2):53-55.

［5］张迪，罗全胜，刘宪亮.风力发电机钢筋混凝土基础有限元分析［J］.山西建筑，2010，36(31):78-80.

［6］王炽欣，王浩，梁瑞庆.风力发电机组桩基础的力学性能有限元分析［J］.水电能源科学，2010，28(4):69-71.

［7］孔德伟.风机基础钢环与混凝土锚固机理分析与试验［D］.长沙:湖南科技大学，2012:17-25.

［8］GB50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，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］过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［12］徐有邻.钢筋与混凝土粘结锚固的分析研究［J］.建筑科学，1992(2):18-24.

［13］薛建阳，赵鸿铁，杨勇，等.型钢混凝土柱粘结滑移性能及ANSYS数值模拟方法研究［J］.建筑钢结构进展，2006(10):8-16.

［责任编辑: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

王超飞(1987—)，男，陕西省西安市人，陕西省建筑设计研究院有限责任公司助理工程师，硕士，主要研究方向为钢筋混凝土结构。