土-结构相互作用下基础环式风机基础受力特性研究

2021-04-25陈龚刘哲锋伍军向康楚加翼

河南科技 2021年35期

陈龚刘哲锋伍军向康楚加翼

摘要：针对某陆上风电场2 MW风电塔结构，建立了“地基土-风机基础”有限元与无限单元结合的半无限边界模型，研究土-结构相互作用下，风机基础上部荷载、回填土重度、基础重度对地基的作用以及地基形变对风机基础的反向作用等。通过ABAQUS中的生死单元模拟风机基础从基坑开挖、吊装基础、基坑回填到风机运行的全过程，分析风机在运行过程中正常工况和极端工况下的基础环水平度、混凝土基础的沉降与倾斜及其应力情况，并与底部刚性连接的基础进行对比。研究表明，地基土对风机基础环水平度影响较大，基础应力方面变化也较为明显。

关键词：地基土；风机基础；水平度；应力

中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：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

風力发电机作为一种高耸结构，其风机基础承受着机舱和塔筒的重力荷载，其风机表面承受着施工完成后的回填土荷载，同时要承受风机摇摆带来的巨大倾覆力矩[1]。对于松软的地基，风机基础更容易发生不均匀下沉。风机基础整体倾斜以及竖向下沉超限，严重影响风机安全运行，因此对地基的稳定性要求很高。基础环作为基础环式风机基础连接基础和上部塔筒的构件，在各种荷载叠加作用下，基础环发生较小的倾斜就会引起塔筒顶部产生较大水平偏心距。之前大多研究都不考虑地基土对风机基础的作用，直接将基础底部绑定去研究基础环水平度和风机基础受力特性[2]，但是风机基础不均匀下沉对基础环水平度影响很大。《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10311—2019）中给定，置于实际环境中的风机基础，随塔筒高度的增加，倾斜率与沉降规定值变小[3]。《风力发电机组装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）中规定了基础环在施工安装过程中水平度偏差不能超过3 mm，也只是在安装过程中的偏差，并没有规定基础在各种荷载和基础倾斜作用下基础环水平度的限值[4]。因此，应用有限元方法建立一种土与风机基础结合的模型，对基础环水平度和基础受力状况进行研究具有重要意义。

在考虑地基土对基础结构的影响时，初始地应力平衡必不可少。通过有限元分析软件ABAQUS对风机基础与地基土建立实际尺寸的有限元模型，首先进行地应力平衡，然后通过生死单元模拟风机基础在施工中从基坑开挖、吊装基础、基础环水平度校核到基础填土的全过程，计算出地基土自重作用和风机基础荷载下的综合沉降值，并且与刚性连接的风机基础受力状况和基础环水平度进行对比分析。

1风机基础与地基土计算模型

1.1荷载条件与材料参数

将风机上部结构传给基础的竖向重力荷载为Fy；水平荷载为Fx；合力矩MZ施加在基础环上表面耦合约束点上。风机表面上覆土荷载通过建立实际尺寸的上覆土部件与风机基础表面摩擦接触，这样能更清楚地反映风机基础在实际土层中的运动状态，对基础和地基土自重施加重力荷载。

根据湖南郴州某风场提供的地质报告说明书以及基础设计图纸，该风机基础类型为基础环式风机基础，基础主体为圆形扩展基础，塔筒高度为80 m。基础混凝土取C40，垫层取C15混凝土。基础环钢材采用Q345，基础内钢筋笼采用HRB400。具体荷载工况以及材料参数如表1、表2所示。

1.2地质条件与模型尺寸

1.2.1基础与地基尺寸。地质基础与地基尺寸如图1和图2所示。基础埋置深度为3.1 m。风机基础上表面边缘距地基土表面2 m，基础直径为18.6 m，基础环直径为4.4 m，在混凝土中的埋置深度为2.2 m。根据该风场地质勘查报告，该风场风机基础上覆土层为砂质黏土，以全风化岩石作为其持力层，第三层为强风化岩层。

1.2.2模型范围与单元选择。地基土模型为高21.9 m、直径46 m的圆柱体。风机基础置于地基土中，基础环与基础混凝土之间采用摩擦接触（摩擦因数为0.35），钢筋笼与整个模型采用内置区域连接；基础和地基土之间的接触关系为摩擦接触，根据建筑地基基础设计规范摩擦因数取0.4。基础混凝土、基础环均采用C3D8R六面体单元，实际土体采用C3D8单元，钢筋笼采用两节点抗弯梁单元。

1.2.3本构模型。根据材料的不同，选取不同的本构关系，基础混凝土采用C40混凝土损伤模型，垫层混凝土为C15线弹性本构。基础环和钢筋笼通过屈服应力定义塑性，地基土中强风化岩采用线弹性本构，全风化岩和上覆土层采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构模型。

1.2.4边界条件与约束。根据圣维南原理，为了减小地基对风力发电机组基础受力的影响，应尽量扩大有限元模型的计算范围[5]。该模型采用有限元与无限单元结合的建模方法，，基础被包裹在实际土体中，在实际土体外层布置水平环向和底部向下的无限单元。实际土体采用C3D8单元，将最外层有限单元类型C3D8R单元修改为无限单元CIN3D8，模拟基础处于半无限边界条件下的土应力变化[6]。模型侧面和底部无限单元不设置约束，如图3所示。

2数值模拟结果分析

2.1初始地应力平衡

对于涉及开挖和回填的动态岩土工程问题，初始地应力平衡是正确模拟施工过程的前提条件[7]。此处采用自动平衡geo来平衡地应力。由于开挖后模型表面不水平，直接采用自动平衡方法将无法使地应力平衡，故此处在第一个分析步采用geo分析步的同时，采用生死单元在此分析步中将风机基础部件和回填土部件杀死，并在土体掏空面上施加固定约束，图4为约束施加图。在第二个分析步中施加风机上部荷载，计算风机内力时将风机基础和回填土激活，固定约束在此分析步中取消，再将重力荷载施加在荷载分析步中模拟地基自重下沉和回填土荷载。

初始应力平衡是指地基土保持一个存在初始应力而没有应变的状态。施加地基土初始应力以后，再施加重力平衡，就能达到施工建设最初的状态。如图5所示，竖向应力呈分层状，随深度的增大而增大。图6中竖向位移达到1×10-10m，符合地应力平衡要求。

2.2考虑土-结构作用时的数值模拟结果

如图7所示，在正常荷载和极端荷载作用下，地基土的最大沉降值分别为-164.1 mm和-170.7 mm，都小于最大沉降-200 mm。如图8所示，在极端荷载作用下，基础迎风侧下沉-141.9 mm，背风侧下沉-170.7 mm，其最大沉降差为28.8 mm，倾斜率为0.001 5，满足规范要求。风机正常运行工况中，基础位移分布较均匀，迎风侧与背风侧相差不大。随着荷载进一步增大至极端工况，迎风侧位移分布相较于背风侧发生明显的变化，沉降差变大，风机倾斜更加严重。从图8可以看出，极端工况与正常工况相比，迎风侧上抬7.6 mm，背风侧下沉8.5 mm。总体来说，风机从施工完成到运行，由于基础受顺时针弯矩以及考虑到水平力在基础底部形成的附加弯矩，基础将发生一定倾斜。但由于上覆土和基础自重以及塔筒自重还有地基土在自重作用下对基础的竖向沉降，比基础上抬的位移大得多，因此基础主要发生竖向沉降。但当竖向沉降完成，倾覆弯矩足够大时，迎风侧基础上抬位移过大，此处表面土体由于基础上抬向上拱起破坏，基礎底部脱开，风机发生倾覆性破坏[8]。

2.3两种边界条件对比分析结果

基础环作为基础和塔筒的连接构件，其水平度能直接反映整个风机的健康状况。风机基础底部分别设置两种不同的边界条件。一种考虑地基土的作用，即柔性连接；另一种不考虑沉降，直接设置三向固定约束，即刚性连接。设置两种不同的工况分别进行水平度的对比。如图9所示，柔性连接时，两种工况下基础环倾斜方向两边缘最大竖向位移均为负值，并且基础环下法兰处位移与基础环上法兰竖向位移大致相同，受拉侧相对于受压侧抬起，其正常和极端荷载工况基础环水平度分别为4.2 mm和9.7 mm。如图10所示，刚性连接时，基础环两边缘最大竖向位移受拉侧为正，受压侧为负，法兰处最大竖向位移与基础环上法兰位移相差较大，其水平度分别为1.31 mm和3.045 mm。从以上分析可知，风机在实际环境中，基础环水平度受基础的不均匀沉降影响很大。特别是在极端荷载工况下，与刚性连接的基础环水平度相比，两者相差6.65 mm。正常工况下，基础环水平度相差2.89 mm。也就是说，随着风机基础所受荷载的增加，基础的不均匀下沉对基础环水平度的影响增大，塔筒倾斜加剧。

基础混凝土应力状况可以用来观察混凝土的受力特性。同样设置两种边界条件，观察正常荷载工况下基础混凝土的应力分布。如图11所示，刚性连接时，基础环上抬侧混凝土拉应力为0.86 MPa，下压侧混凝土承受的最大拉应力为2.14 MPa，两者相差较大，远小于C40混凝土的抗拉强度设计值2.39 MPa。随着荷载的增加，只有一侧混凝土发生受拉破坏，与实际情况不符。而基础柔性连接时，上抬侧与下压侧混凝土拉应力较为接近，分别为2.34 MPa和2.35 MPa。基础环下法兰两侧均出现明显的应力集中现象，两侧混凝土均可能出现损伤。特别是基础环下压侧外部混凝土应力集中区域较大，此处大面积混凝土容易被拉坏。图12为两种情况下等效塑性应变云图。刚性连接时，塑性应变区域只发生在下法兰上抬侧和下压侧周围混凝土。而柔性连接时，塑性应变从下法兰向基础底部延伸，下法兰至基础底部均产生塑性应变，其塑性应变区域变大。

3结论

通过ABAQUS建立了风机基础-地基相互作用的无限单元边界模型，设置两种工况和两种边界条件，对基础环水平度以及基础混凝土应力进行对比分析，得出结论。

①基础的不均匀沉降对基础环水平度影响很大。在考虑地基土作用时，其基础环水平度超过了安装规范规定的3 mm限值，说明该限值不能评判基础环的水平度。

②在考虑地基土的情况下，与不考虑时的基础应力相比，前者基础环下法兰两侧混凝土均出现较大的拉应力，后者只在下法兰下压侧出现较大拉应力，上抬侧混凝土拉应力较小。也就是说，在考虑地基土作用时，基础损伤更符合实际情况。