劉錫軍，孔德偉，張少樺，徐 云

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

風(fēng)力發(fā)電機組的塔筒與基礎(chǔ)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)［1－2］，將風(fēng)力發(fā)電機支撐于60～100m高空，以獲得充足、穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電.風(fēng)機基礎(chǔ)主要有金屬環(huán)和混凝土組成，由于目前對于倒T形型鋼混凝土構(gòu)件還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，對鋼環(huán)的埋置深度缺乏必要的理論依據(jù)和試驗驗證.為了確定風(fēng)機基礎(chǔ)金屬環(huán)的合理埋置深度，本文依據(jù)《鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》［3－5］確定的鋼筋錨固長度，初步確定風(fēng)機基礎(chǔ)金屬環(huán)的埋深，制作2組簡化風(fēng)機基礎(chǔ)模型試件，根據(jù)實驗結(jié)果，分析了金屬環(huán)與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布，提出合理的金屬環(huán)埋設(shè)深度，揭示了結(jié)構(gòu)受力的合理性和安全性，本文的研究成果對風(fēng)機基礎(chǔ)鋼混組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考和實用價值.

1 模型設(shè)計及試驗概況

風(fēng)機基礎(chǔ)金屬環(huán)埋設(shè)深度直接決定了風(fēng)機基礎(chǔ)受力作用下的粘結(jié)應(yīng)力分布和破壞機理，埋置深度過大，造成不必要的材料浪費，埋設(shè)深度過小，容易造成風(fēng)機金屬環(huán)拉拔掀起破壞，因此合理的確定埋設(shè)深度對于風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計十分重要.

1.1 模型試驗數(shù)據(jù)設(shè)計

1.1.1 抗拔鋼板應(yīng)力的確定

根據(jù)某風(fēng)電場提供的風(fēng)機荷載及筒體鋼板厚度，計算筒體工作應(yīng)力

已知：基礎(chǔ)頂部內(nèi)力M＝60708kN·m，V＝847.6kN，N＝3335.3kN，筒體外徑D＝4300mm，筒體壁厚t＝34mm，計算筒體最大應(yīng)力值.

根據(jù)計算，筒體最大拉應(yīng)力為－118.63MPa.

1.1.2 抗拔鋼板最大抗拔力及千斤頂選用確定

根據(jù)試驗條件初步確定抗拔鋼板厚度10mm（設(shè)計厚度的1／3～1／4），寬度50mm，鋼材最大應(yīng)力取鋼材的抗拉平均強度：

根據(jù)鋼材強度設(shè)計值與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系，鋼材均方差：

根據(jù)鋼材設(shè)計強度與平均強度的關(guān)系

鋼板截面為10mm×50mm，鋼板最大拉力

1.2 確定鋼板錨固長度

鋼板的錨固長度參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010－2010）光圓鋼筋錨固長度計算公式確定，按鋼板表面積相等的原則換算成鋼筋直徑計算［1］.規(guī)范規(guī)定鋼筋的基本錨固長度按下列公式計算：

其中l(wèi)ab－受拉鋼筋的基本錨固長度；d－錨固鋼筋的直徑；fy－普通鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；ft－混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，取1.43N／mm2；α為錨固鋼筋的外形系數(shù)，光圓鋼筋外形系數(shù)取值α＝0.16.

等效鋼筋直徑：

（1）鋼板周長為μ＝2（10＋100）＝220mm，

為了測試到抗拔試驗中的粘結(jié)滑移，取計算錨固長度的0.8倍作為埋置深度，即：lab＝0.8×1645＝1316mm

（2）鋼板周長為μ＝2（10＋50）＝120mm，

按材料平均強度值計算

為了測試到抗拔試驗中的粘結(jié)滑移，近似取計算錨固長度最小值作為埋置深度，即：

lab＝600mm，取埋置深度700mm.

1.3 試驗概況

試驗簡圖，如圖1.鋼板正面從底邊開始每隔10 cm粘貼一個應(yīng)變片，反面每隔30cm粘貼，用以校核應(yīng)變片數(shù)值，然后用環(huán)氧樹脂封蓋并引出導(dǎo)線，混凝土澆搗過程中不得損傷引出線，混凝土澆搗前后量測應(yīng)變片電阻值是否正常，用以測量鋼板沿錨固長度的應(yīng)變.測量型鋼沿錨固長度的采用重復(fù)加載的方法，用靜態(tài)應(yīng)變測試儀系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)，并繪制鋼板受力應(yīng)變曲線，根據(jù)最大抗拔力確定選用30 t千斤頂作為加力設(shè)備，以荷載控制，每級荷載以10 kN為一級向上遞增.

2 實驗結(jié)果與計算值的比較

本次試驗通過在加載過程中對鋼板的應(yīng)變實測值來分析鋼板的抗拔性能，如表1所示.實測的曲線如圖3所示.

表1 實測各點應(yīng)變及三線圖

圖3 各級荷載作用下鋼板應(yīng)力分布規(guī)律

曲線隨荷載的增大越加陡峭飽滿，而型鋼仍處于彈性階段，曲線呈指數(shù)變化.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是型鋼與混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料通過粘結(jié)應(yīng)力共同工作的.鋼板抗拔力與鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力相似［6－8］，由3部分組成：型鋼在滑動之前主要取決于混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產(chǎn)生的化學(xué)膠結(jié)力、產(chǎn)生滑移后周圍混凝土與型鋼接觸面上的摩阻力和型鋼表面狀況與混凝土的機械咬合力.

在實驗中通過對鋼板上應(yīng)變片的測量可以得到各個測點處的應(yīng)變值，以兩個測點之間的平均粘結(jié)應(yīng)力計算，根據(jù)表1，對應(yīng)測點間距為Δl，由實測的兩測點ε差可以算出平均粘結(jié)應(yīng)力，它正好對應(yīng)測段中間點處的τ值.

式中dT為dx長度上的兩端的拉力差，S為鋼板截面的周長，A為鋼板的凈截面積，dε為兩應(yīng)變片之間的應(yīng)變差，dx為應(yīng)變片之間的距離.

由此算出各側(cè)段粘結(jié)應(yīng)力如表2所示，粘結(jié)應(yīng)力分布如圖4所示.

表2 各測段平均粘結(jié)應(yīng)力各測段平均粘結(jié)應(yīng)力（MPa）

圖4 各測段粘結(jié)應(yīng)力分布圖

3 結(jié) 論

隨著拉拔力的增加，其應(yīng)變值有不同程度的增大，同一級拉拔力下，隨著遠離加載端，應(yīng)變值逐漸變小.試件從開始加載，其鋼板的應(yīng)力應(yīng)變值不是很大，最大的應(yīng)力值均未達到最高值，在拉拔力較小時，自由端的應(yīng)變基本上為零，隨著拉拔力的增大，粘結(jié)力的傳遞使自由端逐步向內(nèi)發(fā)展，呈曲線分布，粘結(jié)應(yīng)力沒有顯著下降，因此按照目前光圓鋼筋錨固長度的計算方法確定鋼板的錨固長度是可行的.

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