风机基础环松动原因分析及处理

陈华宇，荆海城

(国家电投东北新能源发展有限公司，辽宁 沈阳 110181)

风机基础环是风机基础重要的组成部分，是保证风机安全运行的关键。作为支撑结构的塔架及基础要承受巨大的风力作用，基础环在水平方向较小的位移都将引起塔架顶端较大的水平偏心距。根据1.5 MW风机的相关参数，可以计算出塔架顶端的水平偏心距约为基础环水平位移的17倍[1]，基础环晃动严重影响风机安全稳定运行。1.5 MW及以下小功率风机采用环式基础，随着运行年限延长，风机基础环松动的问题更为严重，保证基础环风机安全稳定运行，越来越受到重视。

1 风机基础环松动案例概述

某风场1.5 MW的风机基础采用基础环连接形式，基础环埋深3.3 m。基础环下设3个槽型钢支腿，正三角形布置，支腿下部焊接在混凝土垫层的预埋件上，支腿上部通过螺栓与基础环连接。

风场运行10年后，66台机组有5台风机基础环松动，占比7.6%。基础环与混凝土之间形成缝隙，尤其主力风向区塔架外壁与基础结合处的缝隙最大为12 mm(见图1)。

塔架内壁与基础连接处产生破碎带(见图2)，裂缝周围有明显的水洇痕迹。在风机启、停的瞬间，塔架明显上下窜动并伴随钢筋与混凝土摩擦声。

为进一步查明风机基础内部失效情况，采用超声波透射探伤，结果如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，风机基础环与混凝土之间已经产生缝隙，混凝土被压碎并形成空腔。风机运行使摩擦进一步加剧，空腔和缝隙进一步扩大，严重危及风机安全稳定运行。

2 风机基础环松动原因分析

2.1 存在问题

环式钢混组合结构基础是1.5 MW风力发电机组设计中应用最广泛的结构类型，主要存在以下问题。

a.风机基础虽有专门的设计规范，但是结构设计没有明确要求，通常参考电力高耸结构设计规范[2]。基础环埋深设计无确切依据，钢环没有深入基础底板与基础形成整体，只是埋置到基础变阶处。

b.基础环开孔少，钢筋穿插困难，基础环筒壁不设栓钉，也不与基础钢筋直接焊接,基础的非主要受力部位材料浪费或者结构的安全储备不够。如果在基础环外侧表面分布式焊接栓钉，可增强基础环在混凝土内的嵌固作用,塔架摆动时可截住塔架下传给基础环的部分自重和弯矩荷载，减少基础环下法兰受力。

c.基础环与混凝土的材料性质差异较大，变形不协调，基础环受力对基础混凝土有切割作用。基础环与下法兰连接处刚度突变，周围局部混凝土形成较大的应力集中区[3],应力主要集中在基础环顶部及基础环下法兰端面[4]，这是基础环式风机基础结构的缺点。

随着风电大型化发展，风机机组的荷载增大(见表1)，基础环连接方式的风机基础随着荷载增大出现失效的时间逐渐缩短，一般2 MW以上机组3～5年，1.5 MW机组时间更长一些。

表1 风电基础的荷载

2.2 基础环锚固机理

a.基础环与混凝土粘结锚固

基础环与混凝土依靠粘结锚固作用共同受力，将塔架自重和倾覆力矩等荷载传递到混凝土基础。两者之间主要由初始化学粘结力、相对滑动的摩擦阻力、破坏后的机械咬合力、端板剪切连接件剪力4部分组成[5]。

b.基础环下法兰与混凝土抗剪锚固

基础环与混凝土之间的粘结作用主要由接触面上的水泥凝胶体产生的化学粘着力或吸附力、周围混凝土与基础环接触面上的摩擦阻力、基础环表面粗糙不平与混凝土的机械咬合力等组成[6]。混凝土与基础环之间的粘结力是一种剪力，不能完全提供风机基础的抵抗力。当基础环与混凝土交界面的化学粘结力被剪断时，两者之间产生较明显的相对滑移，基础环下法兰抵抗混凝土与钢环之间的纵向剪力，约束两者在沿基础环锚固方向的相对滑移，防止基础环掀起破坏，发挥抗剪锚固的作用。

c.基础环穿孔钢筋传力锚固

基础环穿孔钢筋是风机基础抵抗弯矩荷载的重要组件，将传至其上的弯矩及剪力分散至钢筋混凝土基础上，在整个连接体系中起着重要的传力作用。

2.3 基础环受力特征分析

湖南科技大学李艳慧利用简化模型试验对基础环与混凝土界面上的粘结应力传递及分布规律进行分析。试验表明随着拉拔力增大，基础环应变值增大，同一级拉拔力下，随着远离加载端，应变值逐渐变小(见表2)。沿埋置深度应变呈负指数形式分布，应力传递逐渐减弱。

表2 实测钢板应变值

随着拉拔力增大，粘结应力传递呈指数曲线分布[7](见图5)。

2.4 风机基础环松动过程分析

影响基础环松动的因素有很多，下面仅从基础环受力传递机理方面进行松动过程分析。

a.风机基础环所受荷载主要由风机和塔架自重作用下的竖向力，风荷载作用在叶轮上的气动推力产生倾覆力矩及塔架表面受到的分布风荷载组成。基础环与混凝土之间依靠化学粘结力抵抗风机基础所受的外荷载，在未达到屈服极限前，两者未发生滑移，但由于风机运行时塔架产生高频振动及摆动，基础环与混凝土之间会产生微小缝隙。

b.随着外荷载增大，基础环受力变形，与混凝土在循环荷载的作用下，交界面上化学粘结力被剪断，混凝土对基础环的握裹力不足，在加载端附近发生相对滑移，基础环与混凝土形成内裂缝。当混凝土丧失粘结力时，其承载能力下降约为原来的81%；当间隙宽度达到2.0 mm时,承载能力下降为原来的75%[8]。

c.产生相对滑移后，周围混凝土对基础环的摩擦阻力发挥作用，粘结力沿基础环埋置深度向下延伸。随着滑移向下扩展，化学粘结力破坏后，基础环表面和混凝土之间发生机械咬合，但无法阻挡滑移向基础环下法兰端发展的趋势。

d.随着时间推移，加载端交界面上裂缝变大，当雨水进入基础环间隙内，基础环变形自振与水、混凝土摩擦产生的粉末形成湿磨效应，进一步加剧混凝土与基础环磨损，加速了粘结破坏发展。

e.随着塔架倾斜，基础环下法兰迎风侧上部和背风侧下部出现应力集中。在剪力作用下，下法兰迎风侧上部混凝土受压，下部混凝土受拉，产生的拉弯应力超过混凝土抗压强度后，与下法兰接触的混凝土被压碎，风机基础形成缝隙或空腔。基础承载能力急剧下降，基础环与混凝土组合结构被破坏。

3 风机基础环松动处理方法

目前主要采取灌浆、加预应力和加环向箍的方法对基础环进行加固。首先是纠偏，使基础环达到符合水平度要求的位置；然后在纠偏的基础上进行加固。加预应力和加环向箍的方法应用较少，本文采用灌浆加固法，虽然灌浆料的种类不同，但都具有抗拉、抗压、抗弯强度高、自流态、渗透力强、耐疲劳性能好等特点[9]。

3.1 基础圆台混凝土裂缝处理方法

剔除风机基础圆台存在缺陷的混凝土，将裂缝清理干净并充分暴露；在基础上表面裂缝开口通畅处骑裂缝埋设注浆嘴，裂缝其余部位用灌封胶泥封堵严密；采用压力泵将灌封胶灌入裂缝内，直至灌注饱满；灌封胶充分固化后，凿掉注浆嘴。

3.2 基础环与混凝土之间缝隙处理方法

a.对裂缝表面进行处理，将基础环外壁与混凝土缝隙之间清理干净。

b.在基础环内、外侧钻孔，灌浆孔位设置在主力风向(主力风向上出现失调的可能性大)，灌浆孔的深度要深入到基础环下法兰的底部，灌浆料才能把关键破碎部位填实(见图6)。

c.将基础环内、外侧与混凝土交界面处裂缝使用灌封胶进行封堵，采用低压注气检查孔缝均无漏气，达到合格标准。

d.采用压力罐注法将灌浆料自下而上灌入风机基础内，直至裂缝和破碎处灌注饱满。

e.缝隙全部注满后继续保压固化，稳定压力一段时间，胶液完全固化后，敲去注胶嘴。

3.3 基础混凝土碎裂带处理方法

基础环在风机主力风向区域的迎风面和背风面产生松动后，受交变荷载影响，基础混凝土应力集中，形成碎裂带。将碎裂带混凝土剔除，其深度、宽度和长度根据碎裂带具体情况确定；在原基础上钻孔并植入钢筋，按要求绑扎箍筋；灌浆前，在混凝土表面刷一层混凝土界面处理剂；将混凝土灌浆料调配并搅拌均匀后倒入基础内；灌浆料固化后，进行浇水养护。

3.4 基础环密封防水处理方法

基础环与混凝土交界面转角处打磨成圆弧状；基础混凝土顶面和塔架外壁高300 mm内清理干净；将丙烯酸酯防水涂料均匀涂抹于混凝土和塔架外壁表面，沿塔架外壁向下粘贴缝织聚酯布，延伸至基础承台外边下翻30 mm；防水涂料胶固化后，涂刷基面表层。

4 超声波透射检测验证

灌浆料固化后，对加固的风机基础采用超声波透射检测，反射波形连续完整，没有波形畸变(见图7)。超声波透射检测证明采用灌浆加固法对基础环松动的处理方法可行且实用，达到了预期的修复效果。

5 结束语

针对风机基础环存在的问题，根据基础环锚固机理和受力特性，分析了基础环发生松动原因和变化过程，为加强风机基础维护和保养提供参考[10]。采用灌注建筑结构胶的方法解决风机基础环松动的问题，不仅能有效填充基础环与混凝土的间隙，还能增强基础环与混凝土的整体刚性和强度，保证风机在可变荷载下安全运行，具有广泛的实用价值。