目前, 按照风机塔筒与风机基础连接方式的不同, 风力发电机组的基础结构可以分为基础环式和锚栓式, 而这两种基础形式都可以采用梁板式风机基础结构, 分别如图1、图2所示。

　　 相对扩大板式风机基础 (图3、图4) 、梁板式风机基础能够节省混凝土用量, 但同时存在支模困难、钢筋间距小、混凝土不易振捣密实以及施工进度慢等缺点。

　　 为克服梁板式风机基础施工工艺复杂、施工进度慢等缺点, 本文提出了一种“预制装配式风机基础”。预制装配式风机基础是根据梁板式风机基础受力特点和施工工艺, 对于钢筋和模板比较简单的底板和中心台柱部分, 采用现场浇筑的方式;而对于肋梁, 由于钢筋和模板安装较为复杂, 采用预先制作现场直接吊装的方式;而预制的连接节点, 可在现场现浇时直接浇筑成为一体;与常规基础类似, 预制装配式风机基础锚栓预应力在第一节塔筒安装完以后施加。预制装配式风机基础结构可靠, 施工简便, 其结构示意图如图5 (a) 所示, 施工流程如图5 (b) 所示。

　　 与一般建筑结构不同, 风力发电塔作为高耸结构所承受的荷载中水平风荷载起控制作用^[1], 由于风荷载在大小和方向上具有随机性和脉动性, 发电塔传递到风机基础上的荷载也具有随机性和脉动性的特征, 风机基础受力特点具体如图6所示。

　　 风机塔筒具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性^[2], 塔筒上的作用力传递到风机基础上会有较大的水平力及倾覆力矩^[3], 风机基础受力形式复杂, 而预制装配式风机基础的预制和现浇连接节点是受力薄弱部分, 因此研究预制装配式风机基础的受力特性对解决实际工程中此类基础预制和现浇连接节点构造问题有一定的指导意义。

　　 以金风100m轮毂高度风机锚栓式基础为背景, 建立包含钢塔架底法兰、上下锚板、高强灌浆料、基础主体结构混凝土及预应力锚栓在内的数值模型, 分析预制装配式风机基础预制部分和现浇部分的协同受力情况, 找出预制装配式风机基础受力薄弱部分, 为预制装配式风机基础的设计计算提供参考。

　　 本文使用ANSYS软件建立预制装配式风机基础数值模型, 风机基础相关尺寸如图7所示, 数值模型关键建模步骤如下。

　　 基础主体混凝土结构采用Solid65单元, Solid65是8节点等参单元, 每个节点有3个自由度, 即沿X, Y和Z方向的平动^[4]。

　　 预应力锚栓采用Link180单元并通过实常数考虑锚栓型号, 预应力锚栓上下端点与钢塔架底法兰及下锚板共节点。上下锚板及钢塔架底法兰采用Solid185单元。

　　 在模型上表面中间位置定义一个质量单元Mass 21单元, Mass 21单元除了可以定义集中质量外, 还可以施加弯矩、扭矩荷载, 将该施加了弯矩与扭矩荷载的Mass 21单元与其他节点刚度耦合可以实现对实体单元施加弯矩与扭矩荷载的目的^[5]。

　　 预制装配式风机基础主体采用C40混凝土, 灌浆料为无收缩、自流平、低膨胀高强灌浆料, 强度等级为C80, 锚栓为8.8级M42预应力锚栓, 具体材料属性见表1。

　　 在对重力式基础进行受力分析时, 一般不考虑承台四周土体的侧向作用, 而仅考虑承台与地基的相互作用。因此, 本文中对数值模型承台底部混凝土与地基之间的作用以接触单元Conta178模拟, 摩擦系数为0.3。

　　 基于上述单元选择和约束方式, 为分析现浇部分混凝土收缩对基础整体结构的影响, 建立现浇部分混凝土模型如图8所示。

　　 定义混凝土温度线膨胀系数为1×10^-5/℃^[6], 28d混凝土单向收缩变形一般为2×10^-4m, 为研究现浇混凝土三向收缩变形, 在图8模型中施加20℃的温度作用, 模型三向收缩变形如图9所示。

　　 由图9可知, 混凝土收缩变形最大约为0.003m, 发生在现浇中心台柱部位, 属于小变形范围。由数值模拟结果可知, 现浇部分混凝土的收缩对预制部分与现浇部分的节点连接可靠性影响相对较小, 可忽略不计。

　　 由1.2.4小节可知, 现浇部分混凝土收缩变形较小, 且主要发生在中心台柱顶部, 故现浇部分混凝土收缩对预制部分与现浇部分的节点连接可靠性影响可忽略不计, 同时, 预制部分与现浇部分的节点连接处通过预留钢筋的形式加强了预制部分与现浇部分的整体性, 且后期锚栓张拉及风机运行过程中现浇及预制部分混凝土均能达到其强度设计值, 故基础整体结构建模过程中肋梁与中心台柱采用绑定的接触类型。

　　 预制装配式风机基础整体模型的计算规模为:266 160个节点;244 640个单元, 其中Solid65单元227 940个, Solid185单元2 112个, Link180单元176个, Conta178单元14 411个, Mass21单元1个。依据相关规范, 取基础底板直径19.6m, 基础高度3.6 m, 中心台柱直径5.8m, 底板厚度0.7m, 肋梁宽度1.0m, 肋梁高度0.3~2.3m。

　　 通过以上分析, 建立预制装配式风机基础整体数值模型如图10所示。

　　 数值分析过程中未建立基础回填土单元, 实际工程中底板所受的回填土压力为18 000×2.425N/m² (2.425m是回填土顶面至基础底板上表面的距离) , 将此压力施加在基础底板上如图11所示。8.8级M42预应力锚栓所施加的预紧力为502k N。

　　 风机运行过程中, 塔架表面受到的风荷载以及机舱、塔架的重量带来的压力等传递到基础顶面, 如表2所示。

　　 将回填土压力、锚栓预紧力及表2中的荷载施加到图10所示的数值模型上, 进行静力分析。

　　 (1) 基础主体结构混凝土受力分析

　　 基础主体结构混凝土的应力如图12所示。由图12可知, 主体结构混凝土局部水平压应力较大, 特别是基础凹槽与基础承台相交位置所受的最大水平压应力为27.1MPa, 大于C40混凝土轴心抗压强度设计值19.1MPa;最大水平拉应力为3.44MPa, 出现在受拉区肋梁和混凝土承台连接节点处, 大于C40混凝土轴心抗拉强度设计值1.71MPa。数值计算所得的局部应力较高, 可认为是模型传力路径突变导致应力集中现象所致, 在具体结构设计中, 在此部位增强混凝土配筋, 以抵抗可能出现的局部高应力。

　　 (2) 基础底板混凝土受力分析

　　 基础底板混凝土所受应力如图13所示。由图1 3 可知, 底板混凝土所受的最大水平压应力为18.3MPa, 最大水平拉应力约为0.9MPa, 均出现在下锚板上部混凝土处, 是由于由锚板钢材质过渡至底板混凝土材质所产生的刚度突变及锚杆施加预紧力导致的局部应力集中现象所致, 故具体结构设计中, 在上锚板上部混凝土处增强配筋, 以抵抗出现的局部高应力。

　　 (3) 预应力锚栓受力分析

　　 预应力锚栓所受应力如图14所示。由图14可以看出, 锚栓所受的最大拉应力为424MPa, 小于8.8级锚栓的屈服强度, 锚栓结构安全。M42锚栓有效截面积为1 121mm², 锚栓拉力为475.3k N。

　　 (4) 肋梁受力分析

　　 预制装配式风机基础预制肋梁和现浇台柱连接节点是受力薄弱部分, 本小节主要对肋梁的受力进行分析。肋梁应力图如图15所示。取图15中肋梁1、肋梁2单独看其应力分布, 如图16、图17所示。

　　 由图15~17可以看出, 肋梁混凝土所受的最大水平压应力8.43MPa, 最大水平拉应力2.59MPa, 均出现在肋梁与混凝土中心台柱连接节点上部, 分布区域较小, 可认为是应力集中现象所致, 具体结构设计中, 需着重考虑肋梁与中心台柱在此部位的连接设置。

　　 针对金风100m轮毂高度风力发电机预制装配式锚栓式基础受力性能进行研究, 通过ANSYS建立包含主体结构混凝土、高强灌浆料、上下锚板及预应力锚栓在内的三维数值模型, 研究预制装配式风机基础的受力情况, 所得主要结论如下:

　　 (1) 在本工程中, 预制装配式风机基础现浇部分混凝土收缩变形最大约0.003m, 属小变形范围。由此结果可知, 现浇部分混凝土的收缩对预制部分与现浇部分的节点连接可靠性影响相对较小, 可忽略不计。

　　 (2) 在本工程中, 基础主体结构混凝土局部部位最大水平压应力27.1MPa, 最大水平拉应力3.44MPa, 均超过C40混凝土对应强度设计值, 分析其原因是几何突变引起的应力集中现象所致, 具体结构设计中, 均需在相应位置增强混凝土配筋, 以抵抗可能出现的局部高应力。

　　 (3) 在本工程中, 底板混凝土所受的最大水平压应力为18.3MPa, 最大水平拉应力约为0.9 MPa, 均出现在下锚板上部混凝土处, 分析其原因是由于由锚板钢材质过渡至底板混凝土材质所产生的刚度突变及锚栓施加预紧力导致的应力集中现象所致, 具体结构设计中, 需在上锚板上部混凝土处增强配筋, 以抵抗此处出现的高应力。

　　 (4) 在本工程中, 锚栓所受的最大拉应力为424MPa, M42锚栓有效截面积为1 121mm², 故锚栓拉力为475.3k N。

　　 (5) 在本工程中, 肋梁混凝土所受的最大水平压应力8.43MPa, 最大水平拉应力2.59MPa, 均出现在肋梁与混凝土中心台柱连接节点上部, 具体结构设计中, 需着重考虑肋梁与中心台柱在此部位的连接设置。