基础环式风机基础损伤的模拟及水平度研究

皮本谦?李嘉晖?王健?郑潇

摘 要：基础环式风机基础的损伤是基础环式风机发生安全事故的主要原因。针对风机基础的损伤，利用ABAQUS有限元软件建立风机基础的三维有限元模型，计算风机基础环在基础环-混凝土黏结逐渐失效、基础环侧壁混凝土裂缝扩展、基础环下法兰处混凝土空腔扩展这三种情况下的水平度。结果表明：随着基础环-混凝土黏结逐渐失效和基础环侧壁混凝土裂缝的扩展，基础环水平度都有一定程度的增加，但未超过规范规定的数值，此时风机基础虽有损伤，但尚能正常运行;随着基础环下法兰处混凝土空腔的扩展，基础环水平度呈几何式增长，基础环最大水平度远远超过规范所允许的数值，此时风机不能正常运行。

关键词：风机基础;基础环水平度;风机损伤;有限元模拟

中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0033-05

Abstract： The damage of foundation ring fan foundation is the main cause of safety accident of foundation ring fan. Aiming at the damage of fan foundation， a three-dimensional finite element model of fan foundation was established by using ABAQUS finite element software to calculate the damage of fan foundation ring， such as gradual failure of foundation ring concrete bond， expansion of concrete crack on side wall of foundation ring and expansion of concrete cavity at flange under foundation ring levelness under three working conditions. The results show that： with the gradual failure of the foundation ring concrete bond and the expansion of the concrete cracks on the side wall of the foundation ring， the levelness of the foundation ring increases to a certain extent， but it does not exceed the value specified in the specification. At this time， although the fan foundation is damaged， the fan can still operate normally; with the expansion of the concrete cavity at the lower flange of the foundation ring， the levelness of the foundation ring increases geometrically， and the foundation ring is the most stable The large levelness far exceeds the value allowed by the specification， and the fan can not operate normally at this time.

Keywords： fan foundation;foundation ring levelness;fan damage;finite element simulation

我國陆上风机多数采用基础环式风机。基础环式风机基础由钢制基础环和钢筋混凝土组成。基础环作为预埋在基础混凝土内部的钢制部分，是基础和钢塔连接的过渡构件，也是钢塔筒与基础连接的关键构件。基础环设上下法兰，其中上法兰用于连接上部风机钢筒，下法兰用于连接基础。风机基础环的水平度是风机基础施工控制的重要参数，基础环的水平度直接关系到风机的平稳运行。《风力发电机组 装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）规定基础环水平度不得超过3 mm[1]。

关于基础环式风机基础，大量研究者集中研究风机基础的损伤机理和基础的疲劳损伤演变过程。例如，吕伟荣和朱峰等基于国内外大量的研究及工程事故调查结果，提出了风机基础损伤破坏过程：由初始裂隙→疲劳、冲击及雨水侵蚀致裂隙扩展，摇摆加大影响使用→裂隙进一步扩展致形成局部“杠杆”受力机制，直至倾覆[2]。吕伟荣还与何潇锟等通过对国内多台问题风机基础进行现场勘查和基础环水平度、混凝土强度及基础环下法兰视频探测等，分析了插环式风机基础的风致疲劳损伤[3]。张家志等运用通用有限元分析软件ANSYS，对风机基础的简化模型试验进行基于面面接触的非线性有限元模拟与分析，并对其内部钢板表面的应变分布以及钢-混凝土的滑移黏结等性能进行研究[4]。周新刚等利用有限元方法分析在各种工况下基础的应力及变形，并根据计算结果分析风机塔筒预埋筒环法兰盘上侧混凝土破坏的原因。破坏调查、检测及计算分析表明，在极端荷载作用下，筒环与混凝土之间的黏结力丧失，导致筒环法兰盘上侧的混凝土受到较大的应力作用，使混凝土发生剪切和疲劳破坏，筒环与混凝土基础之间发生明显的滑动位移，塔筒的振动加大，最终引起风机报警停机[5]。康明虎等也通过有限元方法分析了基础环周边混凝土的局部应力情况，对可能导致基础发生损伤的原因进行了研究[6]。艾腾腾等在ABAQUS有限元软件中引入内聚力黏结单元，对钢-混凝土的黏结滑移过程进行模拟[7]。

本文通过建立基础环-混凝土黏结逐渐失效、基础环侧壁混凝土裂缝扩展、基础环下法兰处混凝土空腔扩展这三种模型来模拟基础环式风机基础的疲劳损伤演变过程，以了解风机基础损伤对基础环水平度造成的影响。

1 计算模型及参数

1.1 风机基础尺寸参数

根据湖南某风力发电场提供的风力发电机基础设计说明书以及风机基础尺寸示意图建立有限元模型，基础模型尺寸如图1所示。基础环直径为4.4 m，基础混凝土台柱直径为8 m，基础下部直径为19.8 m，基础环的埋置深度为2 m。基础环和混凝土都采用8节点线性六面体实体单元，钢筋采用桁架单元。

1.2 计算荷载工况及材料参数

本文只考虑正常运行工况下的组合极限值，具体荷载值见表1。采用C35混凝土作为基础的主体混凝土，基础环钢材采用Q345，基础内钢筋采用HRB400。具体材料参数见表2。基础混凝土采用ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型，通过对材料弹性刚度的折减来实现对混凝土在拉、压应力下的损伤引起的强度和刚度退化。对基础混凝土单元进行划分，形成六面体，采用扫掠划分，基础各组成部位网格均为环向对齐分布，风机基础模型经多次修改后收敛。

2 不同模型数值设置

2.1 基础环-混凝土黏结逐渐失效模型设置

风机基础环-混凝土间的黏结力逐渐失效是风机基础损伤的起因。本文利用ABAQUS有限元软件中的非线性弹簧单元来模拟基础环-混凝土间的黏结力，在建立风机基础三维模型时，在基础环和基础混凝土连接面对应的网格节点上采用三个非线性弹簧单元来模拟基础环-混凝土之间的黏结滑移，分别代表沿连接面法向、纵向切向和横向切向的相互作用。在ABAQUS有限元分析中，非线性弹簧单元的布置流程为：首先，将基础环部件与基础混凝土部件的网格进行精确化一一对应;其次，利用软件中的Python二次开发功能批量布置线性弹簧单元;最后，在提交Job后生成的inp文件中将线性弹簧的参数替换成非线性弹簧的参数。布置完的非线性弹簧单元如图2所示。

本文利用ABAQUS有限元軟件中非线性弹簧单元来模拟基础环与基础混凝土之间的黏结力，利用非线性弹簧单元逐渐减少来模拟基础环侧壁黏结力逐渐消失的过程。在基础环与混凝土之间一一对应的节点上添加全部非线性弹簧单元来模拟基础环与混凝土的理想黏结状态。然后，逐渐减小非线性弹簧单元的布置区域，假设失效区域以每200 mm高度向下扩展，对失效区域采用库仑摩擦接触方式来模拟基础环与混凝土之间黏结损失后的接触情况，直至基础环与混凝土之间全部为库伦摩擦接触方式。因为基础环埋置在混凝土的高度为2 m，将基础环和混凝土的网格划分为200 mm的高度后，共形成11层非线性弹簧单元，所以一共形成12种工况来分析基础环-混凝土黏结高度对结构的影响。

2.2 基础环侧壁混凝土裂缝扩展模型设置

随着基础环-混凝土间黏结力的完全失效，风机基础受到上部结构传递下来的弯矩荷载作用，会导致在主风向上的表面混凝土产生微小裂缝，然后在往复疲劳荷载作用下，裂缝会扩展至下法兰处。本文采用挖空基础环侧壁混凝土来模拟基础环出现裂缝和裂缝从表面混凝土扩展至下法兰处混凝土。图3为基础环侧壁混凝土裂缝扩展图，裂缝范围为基础环环向，裂缝宽度为2 mm，裂缝深度从0 m以200 mm递增至2 m，共分为11种工况。

2.3 基础环下法兰处空腔扩展模型设置

随着基础环侧壁混凝土裂缝扩展至下法兰处，此时下法兰处受拉侧混凝土出现应力集中，说明主风向上的下法兰处混凝土最先出现混凝土空腔，随后空腔区域面积逐渐向两侧扩大。在此期间，下法兰处受压侧混凝土也将出现空腔。图4为基础环下法兰处混凝土空腔示意图。混凝土空腔高度为100 mm，宽度与基础环下法兰翼缘宽度一致，空腔区域沿基础环环向。将风机基础中心周围的空腔面积的弧度设置为30°，以模拟混凝土的初始空腔面积。随着基础环下部翼缘上部的混凝土空腔面积在作用于对称轴线两侧的荷载方向上的扩展，将风机基础中心周围的空腔面积增加到60°、90°、120°、150°、180°，以模拟空腔范围的扩展。

3 不同模型数值模拟分析

3.1 基础环-混凝土黏结逐渐失效对基础环水平度的影响

《风力发电机 组装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）规定基础环水平度不得超过3 mm[1]，基础环水平度由基础环受拉侧顶面最大竖向位移和受压侧顶面最大竖向位移相加而得。

基础环顶面最大竖向位移、基础环水平度与黏结高度的关系分别如图5和图6所示。从图上可知，随着基础环-混凝土之间的黏结力逐渐消失，基础环受拉侧顶面最大竖向位移逐渐由0.771 4 mm增加至0.787 6 mm，基础环受压侧顶面最大竖向位移逐渐由0.829 1 mm增加至0.847 5 mm;基础环水平度由1.595 2 mm增加至1.635 1 mm。可见，当基础环-混凝土之间的黏结力完全消失时，基础环的最大水平度未超过3 mm，此时风机基础尚处于健康状况。

3.2 基础环侧壁混凝土裂缝扩展对基础环水平度的影响

基础环顶面最大竖向位移、基础环水平度与裂缝深度的关系如图7和图8所示。

从两幅图可知，随着基础环侧壁混凝土裂缝深度的不断增加，基础环受拉侧顶面最大竖向位移由0.787 6 mm线性增加到0.803 5 mm，基础环受压侧顶面最大竖向位移逐渐由0.847 5 mm增加至0.859 3 mm;基础环水平度由1.635 1 mm增加至1.662 8 mm。可见，随着基础环侧壁混凝土裂缝逐渐加深，基础环的水平度未超过3 mm，此时风机基础混凝土虽有损伤，但风机仍可以正常运行。

3.3 基础环下法兰处空腔扩展对基础环水平度的影响

图9和图10分别为基础环顶面最大竖向位移和水平度随着下法兰处受拉侧混凝土空腔由30°增加到180°的变化图。从图9和图10可知，随着基础环下法兰处受拉侧混凝土空腔的逐渐增大，基础环受压侧顶面最大竖向位移由0.867 6 mm线性增加至1.042 0 mm，基础环受拉顶面最大竖向位移受到下法兰处受拉侧混凝土空腔增大的影响，由0.829 2 mm几何式增长至2.625 0 mm;基础环水平度也由1.696 8 mm增加至3.667 0 mm。此时基础环水平度已超过《风力发电机组 装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）所规定的3 mm，说明风机已经不能正常运行。

图11和图12分别为基础环顶面最大竖向位移和水平度随着下法兰处两侧混凝土空腔由30°增加到180°的变化图。从图11和图12可知，随着基础环下法兰处两侧混凝土空腔的逐渐增大，基础环受拉侧顶面最大竖向位移由0.868 7 mm几何式增长至2.762 0 mm，基础环受压侧顶面最大竖向位移由0.901 5 mm几何式增长至3.097 0 mm;基础环水平度由1.770 2 mm几何式增长至5.85 9 mm。此时基础环水平度已远远超过3 mm，故可认为当基础环下法兰处两侧混凝土均出现大范围空腔时，风机已不能运行。

4 结论

通过上述研究，可得出以下结论。

①在基础环-混凝土黏结逐渐失效和基础环侧壁混凝土裂缝扩展两种基础损伤模型中，基础环最大水平度均未超过《风力发电机组 装配和安装规范》（GB/T 19568—2017）所规定的3 mm，说明这两种工况下风机基础尚处于健康状况。

②随着基础环下法兰处两侧混凝土空腔逐渐增加，基础环顶面最大竖向位移和基础环水平度都呈几何式增长，此时基础环水平度远远超过了3 mm，风机已不能运行。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.风力发电机组 装配和安装规范：GB/T19568—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[2]吕伟荣，朱峰，张家志，等.风机基础损伤破坏发展机理研究[C]//全国结构工程学术会议.2015.

[3]吕伟荣，何潇錕，卢倍嵘，等.插环式风机基础疲劳损伤机理研究[J].建筑结构学报，2018（9）：140-148.

[4]张家志，王超飞，吕伟荣，等.基于非线性接触的风电基础数值模拟[J].太阳能学报，2016（3）：591-597.

[5]周新刚，孔会.某风机钢筋混凝土基础破坏实例及有限元分析[J].中国电力，2014（2）：116-119.

[6]康明虎.某风电场风机基础故障分析及处理[J].可再生能源，2014（6）：809-813.

[7]艾腾腾，刘继明，宋晨晨，等.考虑粘结滑移的箱型钢骨混凝土纯扭构件ABAQUS模拟方法研究[J].工程建设，2016（5）：14-19.