風電機組基礎環受力分析

　　0 引言
　　風電機組基礎承受巨大的彎矩作用。作為承受和傳遞巨大彎矩的基礎環，在基礎設計時應驗算其抗拔承載能力、抗彎承載力以及抗沖切等作用。基礎環底部混凝土的厚度、基礎環底法蘭上部混凝土的厚度以及鋼筋的布置，對基礎環式基礎的安全性均有重要的影響。《風電機組地基基礎設計規定》（試行）[1]FD003 － 2007 第5.0.9 款要求：“應對制造商提出的基礎環與基礎的連接設計進行復核”。目前，國內規范尚無復核基礎環承載能力的工程算法[2]。實際工程中存在許多因基礎環整體被拔出而導致結構破壞的事故。
　　加強對基礎環受力性能的研究，意義重大。本文采用有限元分析方法，研究了基礎環的承載能力、基礎環和基礎的相互作用，以及基礎環與基礎的連接強度等問題，為后續工程設計提供有意義的參考。
　　1 研究案例
　　某實際工程，采用機型為xx87/1500 － 75m，III 類風區，其載荷如下：

表1 1500KW風電機組75m塔架極限載荷（III類風區）

表2 1500KW風電機組75m正常發電工況（III類風區）

　　結構設計使用年限為25 年，安全等級為二級，丙類，6 度設防，設計基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅰ類，采用C35 混凝土，最大水灰比為0.5，最大氯離子含量為0.15%， 最大堿含量為3.0kg/m3， 鋼筋為：HRB335 和HRB400，力學性能指標符合《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499 中的要求，鋼筋的強度標準值應具有不小于95%的保證率，穿孔鋼筋為φ28HRB400，基礎環選用Q345，基礎幾何尺寸如圖1 所示。

圖1 基礎圖

　　2 結構分析
　　ANSYS 軟件中的LINK8 單元是軸向拉伸—壓縮桿件單元，具有兩個節點，每個節點有3 個平移自由度（沿X、Y 以及Z 方向），可以用于模擬兩端鉸接的空間桿件，不考慮桿件的彎曲以及扭轉。Solid65 單元具有8 個節點，每個節點有3 個方向線位移自由度，用其建立的模型可具有拉裂和壓碎性能。在混凝土的應用方面，可以用Solid65 單元的實體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用；Solid95 單元通過20 個節點來定義，它可以接受不規則的形狀并且不損失精度，每個節點有3 個自由度：轉化為節點坐標系下的X，Y，Z 方向。Solid95 單元具有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變等能力。綜上，本文選用Link8 單元模擬基礎中鋼筋，Solid65 單元模擬基礎混凝土，olid95 單元模擬基礎環。
　　2.1 模型簡介
　　模型由混凝土、基礎環、穿孔鋼筋組成。基礎底板固定于地基上。混凝土采用Solid65 單元，基礎環采用Solid95 單元，穿孔鋼筋采用Link8 單元。整個模型包含38191 個單元，221366 個節點。荷載施加于基礎環頂法蘭上表面形心位置，如圖2 所示。

圖2 模型圖

　　2.2 分析結果
　　通過分析可知：
　　基礎環頂部的最大豎向位移為1.148mm，如圖3 所示；混凝土最大壓應力為2.99MPa，發生在基礎環底法蘭下表面與基礎接觸部位，混凝土無拉應力，如圖4 所示；穿孔鋼筋最大壓應力為：9.44MPa，最大拉應力為10.5MPa，如圖5 所示；基礎環最大壓應力為312MPa，無拉應力，如圖6 所示。