风力发电是目前新能源中技术最成熟、发展前景最好的发电方式之一, 近年来在世界范围内得到了快速发展。风力发电塔基础作为整体结构的重要组成部分, 承担着将上部结构承受的荷载和作用传递到地基, 并保持结构整体稳定的作用。

　　 基础环基础是目前被广泛应用的基础形式之一, 但是由于基础环与柱墩混凝土的材料性能不同, 二者之间变形往往不能协调一致, 导致很多基础环在风机运行一段时间后出现了明显滑移, 并在基础环T型板上方与混凝土之间产生较大间隙。基础环与混凝土基础之间的间隙会造成接触面上的局部应力显著提升, 且间隙越大应力水平越高^[1], 在周期往复荷载作用下, 基础环与柱墩之间混凝土碎裂 (图1 (a) ) , 穿过基础环的钢筋与基础环孔壁反复碰撞接触, 导致穿孔钢筋破坏 (图1 (b) ) 。这种破坏现象已经成为这类基础形式的质量通病, 究其根源, 与目前风电行业内基础环和基础分别由主机厂家和设计院设计, 两者对交界面缺乏足够关注的现状不无关系。文献[2]已针对此类基础进行了加固措施的研究。

　　 目前, 风力发电塔基础的设计均根据《风电机组地基基础设计规定 (试行) 》 (FD 003—2007) ^[3] (简称风机地基基础设计规定) 进行, 但该规范并未给出插入式基础环基础的详细设计方法, 基础环的埋入深度、基础环T型板的宽度以及基础环周边混凝土中的配筋均影响到基础的安全性能。本文根据某实际工程案例中基础环基础的破坏形式和特点, 结合风机基础的受力特点, 给出插入式基础环基础设计的工程算法。

　　 基础环基础的破坏多表现为风机运行一段时间后, 基础环与柱墩混凝土之间出现裂隙、交界处冒浆、塔架振动过大、柱墩表面混凝土破碎等现象, 这多是由于基础环底部T型板周边混凝土压碎破坏引起的, 因此需要验算T型板上方混凝土局部受压承载力及抗冲切承载力;在周期往复荷载作用下, 风力发电塔基础容易产生疲劳破坏, 因此需要验算T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度和悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度。基础环基础的典型构造见图2, 图中H, d, r₁分别为基础高度、埋深和半径;r₂为柱墩半径;h, h₁分别为悬挑板根部高度和端部高度;d_r, h_r, t_r分别为基础环外径、高度和厚度;d₁, d₂, t_t分别为T型板内径、外径和厚度;M_r, F_z, F_r分别为上部塔架传递给基础柱墩的弯矩、竖向和水平荷载设计值。

　　 上部塔架传递给风机基础的弯矩通过基础环侧壁与柱墩的接触压力以及T型板与混凝土的接触压力传递给基础。在弯矩作用下, 迎风面T型板上方 (图3) 混凝土受压, 背风面T型板下方混凝土受压。一般设计人员会在T型板下方混凝土中配置钢筋网片来提高混凝土局部受压的承载力, 但由于基础环的割裂, T型板上方混凝土一般未配置钢筋, 因此T型板上方混凝土局部受压承载力应满足式 (1) 。

　　 $\sigma {}_{\max }\le f{}_{\text{c}\text{e}}(1)$

　　 式中: f_ce为混凝土局部受压承载力, 根据《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[4] (简称混规) 第6.6节规定按式 (2) 计算;σ为T型板外边缘上方混凝土所受压应力, 可按式 (3) 计算。

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{c}\text{e}}=0.9\beta {}_l\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}(2)\\ \sigma =\frac{-F{}_{\text{z}}}{S}+\frac{{\rm M}{}_{\text{r}}}{{\rm I}}\frac{D}{2}(3)\end{array}$

　　 式中:β_l为混凝土局部受压时强度提高系数;β_c为混凝土强度影响系数; f_c为混凝土抗压强度设计值;S为T型板上表面面积;I为T型板上表面惯性矩;D为计算直径。

　　 根据混规第6.5.3条规定, 在局部荷载或集中力作用下, 冲切截面 (图4) 和受冲切力F_l应分别满足式 (4) , (5) 。

　　 $\begin{array}{l}F{}_l\le 1.2f{}_{\text{t}}\eta u{}_{\text{m}}h{}_0(4)\\ F{}_l\le 0.5f{}_{\text{t}}u{}_{\text{m}}h{}_0+0.8f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}\text{b}\text{u}}\sin \alpha (5)\end{array}$

　　 式中:η=min (η₁, η₂) , 其中η₁为局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数, η₂为计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数;u_mh₀为冲切截面面积, 其中u_m为计算截面的周长, h₀为截面有效高度; f_t为混凝土抗拉强度设计值; f_y为弯起钢筋抗拉强度设计值;A_sbu为与冲切破坏锥体截面相交的弯起钢筋截面面积;α为弯起钢筋与板底面的夹角。

　　 T型板上方混凝土所受冲切力F_l与基础环环壁承受的拉力大小相等, 可根据式 (6) 计算。

　　 $F{}_l=S\sigma {}_{\text{r}}(6)$

　　 式中:S为基础环T型板面积;σ_r为T型板上方基础环外侧混凝土所受压应力, 可按式 (3) 计算。

　　 由于钢基础环与混凝土材料性能不同, 二者之间变形往往不能协调一致, 在周期往复荷载作用下, T型板上方基础环外侧混凝土容易产生疲劳破坏, 需要对其进行疲劳验算。但是混规中混凝土的疲劳强度验算是基于200万次疲劳荷载进行的, 不适用于风机基础, 本文采用FIB Model Code 2010^[5]中第7.4.1条的方法进行T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度验算, 混凝土疲劳抗压强度 f_{cd, fat}根据式 (7) 计算。

　　 f_{cd, fat}=0.85β_cc (t) [ f_ck (1- f_ck/250) ]/γ_{c, fat} (7)

　　 式中:β_cc为混凝土强度系数, 与混凝土浇筑到疲劳荷载开始施加时的天数有关, 一般按60d计; f_ck为混凝土抗压强度标准值;γ_{c, fat}为疲劳工况混凝土材料分项系数, 取1.5。

　　 混凝土所受最大压应力σ_{c, max}可根据式 (3) 计算, 当γ_Edσ_{c, max}η_c≤0.45 f_{cd, fat}, 不需要进行疲劳验算;否则, 需要根据式 (3) 计算混凝土所受最小压应力σ_{c, min}, 并根据式 (8) ～ (10) 计算应力水平幅ΔS_c。

　　 $\begin{array}{l}S{}_{\text{c},\max }=\gamma {}_{\text{E}\text{d}}\sigma {}_{\text{c},\max }\eta {}_{\text{c}}/f{}_{\text{c}\text{d},\text{f}\text{a}\text{t}}(8)\\ S{}_{\text{c},\min }=\gamma {}_{\text{E}\text{d}}\sigma {}_{\text{c},\min }\eta {}_{\text{c}}/f{}_{\text{c}\text{d},\text{f}\text{a}\text{t}}(9)\\ \text{Δ}S{}_{\text{c}}=S{}_{\text{c},\max }-S{}_{\text{c},\min }(10)\end{array}$

　　 式中:γ_Ed为疲劳工况荷载安全系数;η_c为混凝土压力不均匀系数。

　　 根据式 (11) 和式 (12) 计算疲劳强度对应的疲劳荷载次数logN, 当logN₁>6且ΔS_c≥0.3-0.375S_{c, min}时, 取logN=logN₂, 否则取logN=logN₁, 疲劳次数应满足logN≥7。

　　 logN₁= (12+16S_{c, min}+8S${}_{\text{c},\min }^2$) (1-S_{c, max}) (11)

　　 $\log {\rm N}{}_2=0.2\log {\rm N}{}_1(\log {\rm N}{}_1-1)(12)$

　　 在周期往复荷载作用下, 风力发电塔基础悬挑板根部 (图5) 钢筋容易产生疲劳破坏, 需要对其进行抗拉疲劳强度验算。

　　 对于带柱墩的圆形基础内力计算, 相关规范中都没有提及, 根据其形状特点, 可按沿柱墩圆周固接的悬臂环形板计算内力, 其计算公式与带环壁圆形板基本一致^[6]。本文按《烟囱设计规范》 (GB 50051—2013) ^[7]第12.4节计算悬挑板根部弯矩, 压力按均布考虑。根据式 (13) ～ (16) 计算悬挑板根部单位弧长径向弯矩M_R和环向弯矩M_θ, 根据式 (17) , (18) 计算钢筋径向应力σ_R和环向应力σ_θ。

　　 $\begin{array}{l}{\rm M}{}_{\text{R}}=\frac{p}{3(r{}_1+r{}_2)}(2r{}_1^3-3r{}_1^{2}r{}_2+r{}_2^3)(13)\\ p=\frac{F{}_{\text{Ζ}}}{A}+\frac{{\rm M}}{{\rm I}{}_0}\frac{r{}_2+r{}_1}{2}(14)\\ {\rm M}={\rm M}{}_{\text{r}}+F{}_{\text{r}}{\rm H}(15)\\ {\rm M}{}_{\text{θ}}={\rm M}{}_{\text{R}}/2(16)\\ \sigma {}_{\text{r}}=\frac{{\rm M}{}_{\text{R}}}{0.87A{}_{\text{s}}h{}_0}(17)\\ \sigma {}_{\text{θ}}=\frac{{\rm M}{}_{\text{θ}}}{0.87A{}_{\text{s}}h{}_0}(18)\end{array}$

　　 式中:p为悬挑板上均布荷载值;A为基础底面面积;I₀为基础底面惯性矩;A_s为悬挑板根部径向或环向实配钢筋截面面积;h₀为悬挑板根部截面有效高度。

　　 根据混规第4.2.6条, 受拉纵向钢筋应力幅Δσ应满足:

　　 $\text{Δ}\sigma \le \text{Δ}f{}_{\text{y}}^{\text{f}}(19)$

　　 式中Δf_y^f为钢筋疲劳应力幅限值。

　　 某风场共70台2.2～2.3MW风机, 混凝土设计强度等级为C35, 大量风机基础的柱墩表面出现混凝土压碎和开裂现象 (图1 (a) ) 。经现场检测, 发现主要原因为现场搅拌混凝土的质量不满足设计要求, 造成有24台风机柱墩表面混凝土回弹强度平均值低于30MPa, 低于35MPa的风机合计27台。本文以某台经安全性评估后基础混凝土强度等级为C25的EN2.2型风机为例对基础的安全性能采用工程算法进行评估, 上部塔架传递给基础的荷载如表1所示。根据风机地基基础设计规定第7.3.2条规定, 弯矩和水平力分项系数取1.5, 竖向力分项系数取1.2;钢筋强度等级为HPB300, HRB400。基础几何参数 (图2) 取值如下:H=3 100mm, d=2 900mm, r₁=9 600mm, r₂=3 900mm, h=2 300mm, h₁=1 000mm, d_r=4 300mm, h_r=2 000mm, d₁=3 814mm, d₂=4 714mm, t_r=44mm, t_t=105mm。

　　 T型板上方混凝土局部受压承载力验算所需的部分参数的取值如表2所示。

　　 根据式 (2) , T型板上方混凝土局部受压承载力 f_ce为:

　　 $f{}_{\text{c}\text{e}}=0.9\beta {}_l\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}=10.7\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}$

　　 根据式 (3) , T型板外边缘上方混凝土所受最大压应力:

　　 $\sigma {}_{\max }=\frac{-F{}_{\text{z}}}{S}+\frac{{\rm M}{}_{\text{r}}}{{\rm I}}\frac{d{}_2}{2}=14.6\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}$

　　 由此可见, σ_max> f_ce, 混凝土局部受压承载力验算不满足要求。

　　 T型板上方混凝土抗冲切承载力验算所需的部分参数的取值如表3所示。

　　 根据式 (6) , T型板上方混凝土所受冲切力F_l为:

　　 $F{}_l=S\sigma {}_{\text{r}}=72.4\times 10{}^3\text{k}\text{Ν}$

　　 受冲切截面和抗冲切承载力根据式 (4) , (5) 分别进行验算:

　　 $\begin{array}{l}1.2f{}_{\text{t}}\eta u{}_{\text{m}}h{}_0=70.6\times 10{}^3\text{k}\text{Ν}<F{}_l\\ 0.5f{}_{\text{t}}u{}_{\text{m}}h{}_0+0.8f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}\text{b}\text{u}}\sin \alpha =100.7\times 10{}^3\text{k}\text{Ν}>F{}_l\end{array}$

　　 由此可见, T型板上方混凝土抗冲切承载力满足要求, 但是受冲切截面不满足要求, 因此抗冲切承载力验算不满足要求。

　　 T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度验算所需的部分参数的取值如表4所示。

　　 根据式 (11) 和式 (12) 计算疲劳强度对应的疲劳荷载次数, 得logN₁=4.538<6, 所以logN=logN₁<7。因此, T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度验算不满足要求。

　　 悬挑板根部上部径向实配钢筋面积为4 090.6mm², 环向实配钢筋面积为1 570.8mm², 抗拉疲劳强度验算所需的部分参数的取值如表5所示。

　　 根据表5可以得到钢筋径向应力幅Δ_σr和环向应力幅Δ_σθ:

　　 $\begin{array}{l}\Delta {}_{\text{σ}\text{r}}=\sigma {}_{\text{r},\max }-\sigma {}_{\text{r},\min }=28.5\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\\ \Delta {}_{\text{σ}\text{θ}}=\sigma {}_{\text{θ},\max }-\sigma {}_{\text{θ},\min }=37.1\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 查混规表4.2.6-1, 得径向和环向钢筋疲劳应力幅限值均为161.0MPa, 所以悬挑板根部上部钢筋径向和环向抗拉疲劳强度验算均满足要求。

　　 悬挑板根部下部径向实配钢筋面积为4 719.9mm², 环向实配钢筋面积为4 719.9mm², 抗拉疲劳强度验算所需的部分参数的取值如表6所示。

　　 根据表6可以得到钢筋径向应力幅Δ_σr和环向应力幅Δ_σθ:

　　 $\begin{array}{l}\Delta {}_{\text{σ}\text{r}}=\sigma {}_{\text{r},\max }-\sigma {}_{\text{r},\min }=26.3\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\\ \Delta {}_{\text{σ}\text{θ}}=\sigma {}_{\text{θ},\max }-\sigma {}_{\text{θ},\min }=13.2\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 查混规表4.2.6-1, 得径向和环向钢筋疲劳应力幅限值均为100.9MPa, 所以悬挑板根部下部钢筋径向和环向抗拉疲劳强度验算均满足要求。

　　 通过以上验算分析可以发现, 经安全性评估后, 混凝土强度等级为C25的风力发电塔基础的T型板上方混凝土局部受压承载力、抗冲切承载力和T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度均不满足要求。

　　 采用本文工程算法对同一风场中经安全性评估混凝土强度等级为C35的同种型号 (EN2.2型) 风力发电塔进行验算, 结果见表7。从表中可以看出, 各项验算结果均满足要求, 该台风机在实际运行过程中也未出现明显破坏。

　　 本文根据工程案例中基础环基础的特点和常见破坏形式, 结合有关规范和文献, 给出了基础环T型板上方混凝土局部受压承载力、抗冲切承载力、T型板上方基础环外侧混凝土抗压疲劳强度以及悬挑板根部钢筋抗拉疲劳强度验算的工程算法, 可为同类风力发电塔基础环基础的设计提供参考。