某低強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

華潤(rùn)電力投資有限公司華東分公司建設(shè)部 付振林

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔筒連接采用預(yù)應(yīng)力錨栓連接方式于21世紀(jì)初首次出現(xiàn)在美國(guó)、加拿大等國(guó)家，對(duì)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)鋼環(huán)結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行了變革式技術(shù)創(chuàng)新，是采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨栓組合件和基礎(chǔ)混凝土一起澆筑的結(jié)構(gòu)形式，這種連接方式連接連續(xù)，很好的解決了剛度突變的問(wèn)題，且此種方式施工方便，整體性好，預(yù)應(yīng)力的作用為基礎(chǔ)提供了較強(qiáng)的抗壓抗彎能力，即在外部荷載作用下，混凝土處于受壓狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生裂縫，耐久性大大提高。

工程概況：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為鋼筋混凝土圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)，與上部塔筒采用預(yù)應(yīng)力螺栓連接。混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C40。根據(jù)《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS 03-2007）檢測(cè)，芯樣抗壓強(qiáng)度代表值為C30強(qiáng)度，基礎(chǔ)混凝土按照C30強(qiáng)度模擬。

1 有限元模型

1.1 現(xiàn)有強(qiáng)度有限元模型建立

建立模型：為避免應(yīng)力集中的問(wèn)題，建立塔筒，將上錨板、灌漿料、基礎(chǔ)、鋼筋、下錨板、墊層、樁基按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，錨栓組合件作為非主要研究對(duì)象，且只考慮預(yù)應(yīng)力作用對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響，故不對(duì)錨栓組合件進(jìn)行實(shí)際模擬，以均布荷載的形式加載到上、下錨板上。考慮到樁基礎(chǔ)埋深較大且樁身周?chē)嬖谕羵?cè)向約束作用，另外樁基不是本文研究重點(diǎn)，故不考慮樁土作用。重力式基礎(chǔ)受力分析往往不考慮周?chē)馏w的側(cè)向作用，故只考慮覆土豎向力作用?？紤]扭矩不到彎矩的3%，忽略扭矩對(duì)基礎(chǔ)的影響[1]。

材料參數(shù)：混凝土采用工程中常用的塑性損傷模型，該模型是一種以塑性為基礎(chǔ)，具有連續(xù)性的損傷模型，其基本假定是各向同性的受壓和受拉導(dǎo)致了材料的損傷開(kāi)裂破壞。本構(gòu)關(guān)系按照GB50010-2010(2015版)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄C進(jìn)行選取，其它的物理力學(xué)參數(shù)按照（GB50010）中的4.1節(jié)進(jìn)行選取?；炷恋乃苄該p傷參數(shù)為剪脹角38°、偏心率0.1、fb0/fc01.16、K0.6666667、粘聚系數(shù)1E-005。除基礎(chǔ)混凝土采用塑性損傷模型，其余結(jié)構(gòu)均按照理想線彈性體進(jìn)行計(jì)算，各材料密度(kg/m3)、楊氏模量(GPa)、泊松比分別為：混凝土2500，32.5/30.0/22.0，0.2；鋼筋/上、下錨板/塔筒7800，200.0，0.3；高強(qiáng)灌漿料2400，39.0，0.3；樁基2400，30.0，0.2。

單元類(lèi)型及邊界條件：鋼筋模型采用T3D2桿單元（只能承載拉伸或壓縮荷載，可根據(jù)材料情況具體定義橫截面的面積）；基礎(chǔ)、墊層、上錨板、下錨板、塔筒、灌漿料、樁基等均為實(shí)體C3D8R八節(jié)點(diǎn)三維縮減積分單元?？紤]到網(wǎng)格與計(jì)算時(shí)間之間的矛盾，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格，其余結(jié)構(gòu)不進(jìn)行細(xì)化，現(xiàn)有強(qiáng)度有限元模型單元總數(shù)大約為13.5萬(wàn)個(gè)。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)默認(rèn)鋼筋與混凝土之間錨固情況良好，不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)滑移，所以鋼筋模型以嵌入形式嵌入混凝土模型之中，默認(rèn)二者的節(jié)點(diǎn)間緊密接觸[2]。塔筒與上錨板、上錨板與灌漿料、灌漿料與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與下錨板、基礎(chǔ)與墊層、樁基與基礎(chǔ)均采用綁定約束。樁基底面設(shè)置U2=0的豎向約束，樁基側(cè)面設(shè)置U1=U3=0的水平約束。

荷載工況：根據(jù)NBT10311-2019陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，按照荷載效應(yīng)基本組合并用極限狀態(tài)荷載對(duì)基礎(chǔ)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，F(xiàn)xz、Mxz分項(xiàng)系數(shù)1.4，F(xiàn)y分項(xiàng)系數(shù)1.0，安全系數(shù)1.0下正常運(yùn)行及極限狀態(tài)Fxz(kN)、Fy(kN)、Mxz(kNm)分別為486/-4376/63438、870/-4070/93334。預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為655kN，共176根錨栓。

1.2 現(xiàn)有強(qiáng)度有限元模擬結(jié)果

本次模擬出于安全考慮，不考慮混凝土在三向受力條件下的應(yīng)力提高，默認(rèn)混凝土達(dá)到抗拉/抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，也即混凝土應(yīng)變達(dá)到峰值拉/壓應(yīng)變時(shí)認(rèn)為混凝土發(fā)生受拉/壓破壞，所以可根據(jù)主應(yīng)力圖或主應(yīng)變圖及損傷云圖來(lái)判斷混凝土的破壞情況。通過(guò)損傷云圖判斷混凝土損傷位置，通過(guò)主應(yīng)力云圖或主應(yīng)變?cè)茍D判斷混凝土破壞狀態(tài)。混凝土達(dá)到峰值抗拉/壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后混凝土開(kāi)裂，此后混凝土應(yīng)力減小，應(yīng)變?cè)黾?，鋼筋?yīng)力承擔(dān)增加，當(dāng)鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)構(gòu)件發(fā)生破壞。

圖1 基礎(chǔ)最大主應(yīng)力/受拉損傷云圖（Z=0主風(fēng)向剖面圖）

由最大主應(yīng)力云圖可知，基礎(chǔ)最大主應(yīng)力為1.996MPa，小于規(guī)范中C30抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa，部分混凝土未達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱及擴(kuò)展部分混凝土和背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱根部及擴(kuò)展部分底面存在應(yīng)力集中以及剛度退化現(xiàn)象。然后由基礎(chǔ)受拉塑性損傷云圖可知，損傷區(qū)域發(fā)生在迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱與擴(kuò)展部分交接處及向下延伸區(qū)域、背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱與擴(kuò)展部分交接處及向上延伸區(qū)域，背風(fēng)側(cè)擴(kuò)展部分相應(yīng)底部位置以及背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱上部相應(yīng)位置等，損傷因子最大值達(dá)到0.984。背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱上部相應(yīng)位置及背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱下部相應(yīng)位置因?yàn)楣酀{料與混凝土、下錨板與混凝土之間存在結(jié)構(gòu)變化，也會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中以及損傷情況[3]。

基礎(chǔ)最小主應(yīng)力云圖及基礎(chǔ)受壓損傷云圖如圖2，可知基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力為33.47MPa，大于規(guī)范中C30抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20.1MPa，混凝土達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度，混凝土?xí)粔核椋筹L(fēng)側(cè)臺(tái)柱及向下延伸區(qū)域及迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱底部出現(xiàn)應(yīng)力集中及剛度退化現(xiàn)象。然后由基礎(chǔ)受壓塑性損傷云圖可知，損傷區(qū)域發(fā)生在背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱及向下延伸區(qū)域、背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱底部位置等，損傷因子最大值達(dá)到0.96。

圖2 基礎(chǔ)最小主應(yīng)力/受壓損傷云圖（主風(fēng)向剖面圖）

圖3 鋼筋綜合應(yīng)力云圖（右側(cè)為主風(fēng)向）

根據(jù)鋼筋綜合應(yīng)力云圖可知，鋼筋最大應(yīng)力為286MPa，小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360MPa，且在迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱與擴(kuò)展部分范圍內(nèi)、背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱頂面、背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱根部及擴(kuò)展部分底部等區(qū)域存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。根據(jù)鋼筋應(yīng)力計(jì)算出最大裂縫寬度為0.631mm，大于限值0.3mm。

綜上，低強(qiáng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在經(jīng)歷極限荷載工況后，混凝土在迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱及擴(kuò)展部分混凝土、背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱根部及擴(kuò)展部分底面存在拉應(yīng)力集中和剛度退化，在背風(fēng)側(cè)臺(tái)柱及向下延伸區(qū)域迎風(fēng)側(cè)臺(tái)柱底部存在壓應(yīng)力集中和剛度退化的現(xiàn)象，其最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力往往會(huì)超過(guò)規(guī)范要求的抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，易產(chǎn)生拉開(kāi)及壓碎，往往會(huì)存在鋼筋應(yīng)力增加、裂縫寬度較大的情況。在荷載重復(fù)作用及環(huán)境影響因素下混凝土?xí)^續(xù)開(kāi)裂，鋼筋應(yīng)力進(jìn)一步增大，當(dāng)鋼筋應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度，可能存在鋼筋斷裂，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)擴(kuò)大基礎(chǔ)截面面積、適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力等措施，可有效降低基礎(chǔ)應(yīng)力集中程度及范圍，降低相應(yīng)部位的損傷程度和范圍，又改善了鋼筋的受力情況，進(jìn)而減小了基礎(chǔ)最大裂縫寬度，提高了基礎(chǔ)的耐久性，為工程實(shí)踐提供了一定的參考。