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?；A底板固定于地基上?；炷敛捎肧olid65 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。