某低强预应力锚栓风机桩基础结构安全评估

华润电力投资有限公司华东分公司建设部 付振林

风机基础与塔筒连接采用预应力锚栓连接方式于21世纪初首次出现在美国、加拿大等国家，对传统的基础钢环结构连接形式进行了变革式技术创新，是采用预应力高强度锚栓组合件和基础混凝土一起浇筑的结构形式，这种连接方式连接连续，很好的解决了刚度突变的问题，且此种方式施工方便，整体性好，预应力的作用为基础提供了较强的抗压抗弯能力，即在外部荷载作用下，混凝土处于受压状态，不会产生裂缝，耐久性大大提高。

工程概况：风机基础为钢筋混凝土圆形扩展基础，与上部塔筒采用预应力螺栓连接。混凝土强度设计等级为C40。根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS 03-2007）检测，芯样抗压强度代表值为C30强度，基础混凝土按照C30强度模拟。

1 有限元模型

1.1 现有强度有限元模型建立

建立模型：为避免应力集中的问题，建立塔筒，将上锚板、灌浆料、基础、钢筋、下锚板、垫层、桩基按照实际尺寸进行建模，锚栓组合件作为非主要研究对象，且只考虑预应力作用对基础产生的影响，故不对锚栓组合件进行实际模拟，以均布荷载的形式加载到上、下锚板上。考虑到桩基础埋深较大且桩身周围存在土侧向约束作用，另外桩基不是本文研究重点，故不考虑桩土作用。重力式基础受力分析往往不考虑周围土体的侧向作用，故只考虑覆土竖向力作用。考虑扭矩不到弯矩的3%，忽略扭矩对基础的影响[1]。

材料参数：混凝土采用工程中常用的塑性损伤模型，该模型是一种以塑性为基础，具有连续性的损伤模型，其基本假定是各向同性的受压和受拉导致了材料的损伤开裂破坏。本构关系按照GB50010-2010(2015版)混凝土结构设计规范附录C进行选取，其它的物理力学参数按照（GB50010）中的4.1节进行选取。混凝土的塑性损伤参数为剪胀角38°、偏心率0.1、fb0/fc01.16、K0.6666667、粘聚系数1E-005。除基础混凝土采用塑性损伤模型，其余结构均按照理想线弹性体进行计算，各材料密度(kg/m3)、杨氏模量(GPa)、泊松比分别为：混凝土2500，32.5/30.0/22.0，0.2；钢筋/上、下锚板/塔筒7800，200.0，0.3；高强灌浆料2400，39.0，0.3；桩基2400，30.0，0.2。

单元类型及边界条件：钢筋模型采用T3D2杆单元（只能承载拉伸或压缩荷载，可根据材料情况具体定义横截面的面积）；基础、垫层、上锚板、下锚板、塔筒、灌浆料、桩基等均为实体C3D8R八节点三维缩减积分单元。考虑到网格与计算时间之间的矛盾，对基础进行细化网格，其余结构不进行细化，现有强度有限元模型单元总数大约为13.5万个。一般钢筋混凝土结构默认钢筋与混凝土之间锚固情况良好，不会出现粘结滑移，所以钢筋模型以嵌入形式嵌入混凝土模型之中，默认二者的节点间紧密接触[2]。塔筒与上锚板、上锚板与灌浆料、灌浆料与基础、基础与下锚板、基础与垫层、桩基与基础均采用绑定约束。桩基底面设置U2=0的竖向约束，桩基侧面设置U1=U3=0的水平约束。

荷载工况：根据NBT10311-2019陆上风电场工程风电机组基础设计规范的相关规定，按照荷载效应基本组合并用极限状态荷载对基础的承载能力极限状态进行验算，Fxz、Mxz分项系数1.4，Fy分项系数1.0，安全系数1.0下正常运行及极限状态Fxz(kN)、Fy(kN)、Mxz(kNm)分别为486/-4376/63438、870/-4070/93334。预应力设计值为655kN，共176根锚栓。

1.2 现有强度有限元模拟结果

本次模拟出于安全考虑，不考虑混凝土在三向受力条件下的应力提高，默认混凝土达到抗拉/抗压强度标准值，也即混凝土应变达到峰值拉/压应变时认为混凝土发生受拉/压破坏，所以可根据主应力图或主应变图及损伤云图来判断混凝土的破坏情况。通过损伤云图判断混凝土损伤位置，通过主应力云图或主应变云图判断混凝土破坏状态。混凝土达到峰值抗拉/压强度标准值后混凝土开裂，此后混凝土应力减小，应变增加，钢筋应力承担增加，当钢筋达到屈服应力时构件发生破坏。

图1 基础最大主应力/受拉损伤云图（Z=0主风向剖面图）

由最大主应力云图可知，基础最大主应力为1.996MPa，小于规范中C30抗拉强度标准值2.01MPa，部分混凝土未达到极限抗拉强度，迎风侧台柱及扩展部分混凝土和背风侧台柱根部及扩展部分底面存在应力集中以及刚度退化现象。然后由基础受拉塑性损伤云图可知，损伤区域发生在迎风侧台柱与扩展部分交接处及向下延伸区域、背风侧台柱与扩展部分交接处及向上延伸区域，背风侧扩展部分相应底部位置以及背风侧台柱上部相应位置等，损伤因子最大值达到0.984。背风侧台柱上部相应位置及背风侧台柱下部相应位置因为灌浆料与混凝土、下锚板与混凝土之间存在结构变化，也会出现拉应力集中以及损伤情况[3]。

基础最小主应力云图及基础受压损伤云图如图2，可知基础最大压应力为33.47MPa，大于规范中C30抗压强度标准值20.1MPa，混凝土达到极限抗压强度，混凝土会被压碎，背风侧台柱及向下延伸区域及迎风侧台柱底部出现应力集中及刚度退化现象。然后由基础受压塑性损伤云图可知，损伤区域发生在背风侧台柱及向下延伸区域、背风侧台柱底部位置等，损伤因子最大值达到0.96。

图2 基础最小主应力/受压损伤云图（主风向剖面图）

图3 钢筋综合应力云图（右侧为主风向）

根据钢筋综合应力云图可知，钢筋最大应力为286MPa，小于钢筋抗拉强度设计值360MPa，且在迎风侧台柱与扩展部分范围内、背风侧台柱顶面、背风侧台柱根部及扩展部分底部等区域存在应力集中的现象。根据钢筋应力计算出最大裂缝宽度为0.631mm，大于限值0.3mm。

综上，低强风机基础在经历极限荷载工况后，混凝土在迎风侧台柱及扩展部分混凝土、背风侧台柱根部及扩展部分底面存在拉应力集中和刚度退化，在背风侧台柱及向下延伸区域迎风侧台柱底部存在压应力集中和刚度退化的现象，其最大拉应力和压应力往往会超过规范要求的抗拉、抗压强度标准值，易产生拉开及压碎，往往会存在钢筋应力增加、裂缝宽度较大的情况。在荷载重复作用及环境影响因素下混凝土会继续开裂，钢筋应力进一步增大，当钢筋应力达到其屈服强度，可能存在钢筋断裂，结构会出现破坏的风险。

针对上述问题，通过扩大基础截面面积、适当降低预应力等措施，可有效降低基础应力集中程度及范围，降低相应部位的损伤程度和范围，又改善了钢筋的受力情况，进而减小了基础最大裂缝宽度，提高了基础的耐久性，为工程实践提供了一定的参考。