扩容风电机组的基础加固研究_楚加翼.pdf

技术|Technology74 风能 Wind Energy 早期的技术水平限制和资金不足等问题,导致老旧风电场风电机组的发电转化效率较低,对项目所在地风能资源的利用水平较低。为满足风电高质量发展的需求,老旧风电场升级改造开始为行业所关注,老旧风电机组迎来扩容改造的机遇期。对于扩容可行性研究,基础承载力分析是其中的重要内容。目前,风电机组基础承载力提升研究主要聚焦在基础破坏后的加固方面。例如,王健等1在基础环周围设置高强度锚杆,可使风电机组基础环的应力集中情况下降 30%左右。Minjuan He 等2在产生裂缝的基础外加装预应力地脚螺栓和工字形钢梁,以此来限制裂缝的宽度,提高截面刚度。黄时雨等3在原基础台柱上增设环梁,以此来减小基础薄弱区域的应力。汪宏伟4采用注浆的方式对基础下法兰扩容风电机组的基础加固研究文|楚加翼，刘哲锋，黄时雨，陈庚浩的损伤区域进行加固,阐述了钻孔、材料选择、清孔和注浆等关键步骤。由于当前国内外针对风电机组扩容后的基础承载力提升研究较少,本文基于破坏后维持基础承载力的思路,提出了一种在原有基础上扩大底盘、增加埋深,并用栓钉和植筋组合的方案,拟将 1.65MW 老旧风电机组扩容至3.2MW；运用 CFD 风电基础软件和 ABAQUS 有限元软件对该方案进行验算,判断基础加固的有效性。工程概况以湖南某风电场服役期超过十年的老旧风电机组为例,其设计基本参数如表 1所示,基础的基本设计尺寸如图 1所示。1:王健,黄时雨,李嘉晖,等.基础环式风电机组基础疲劳改善的竖锚加固方法研究 J.西北水电,2021（2）：100 106.2:He M,Bai X,Ma R,et al.Field experimental study on the retrofit of cracked onshore wind turbine foundations using externally prestressed anchor boltsJ.Structural concrete：journal of the FIB,2018,19（3）：864 875.3:黄时雨,刘哲锋,楚加翼,等.扩容风机基础承载力提升方案的研究 J.工程建设,2022,54（4）：30 37.4:汪宏伟.风机基础环松动原因分析和注浆加固 J.中国安全生产科学技术,2016,12（3）：104 107.表1 风电机组基本设计参数底板直径/m基础高度/m塔筒外径/m基础环外径/m场地类别设计等级结构安全等级18.23.24.0044.004类乙级二等图1 原基础尺寸示意（单位：mm）Technology|技术2023年第02期 75 5:王一达.风荷载作用下风机基础疲劳可靠度研究 D.沈阳建筑大学,2020.6:Pedro,Eduardo.Factors Affecting Bond between New and Old ConcreteJ.ACI materials journal,2011,108（4）：449 456.7:Maili C,Jing M.Experimental Study on Shear Behavior of the Interface between New and Old Concrete with ReinforcedJ.KSCE journal of civil engineering,2017,22（5）：1882 1888.8:刘梅梅,杨敏.风力机基础环与混凝土间相互作用研究 J.太阳能学报,2017,38（7）：1973 1978.表3 土层主要物理力学指标推荐值层号土层名称天然密度干密度承载力特征值压缩模量抗剪指标g/cm3g/cm3kPaMPa/C/kPa残坡积土1.621.221203.621516全风化花岗岩1.691.39250300672510强风化花岗岩2.402.306008006000-表2 风电机组荷载及提升比例（安全系数1.5）工况名称Fz/kNFxy/kNMxy/MPa1.65MW 风电机组极端工况荷载-1986.9289.8535817.93.2MW 风电机组极端工况荷载-3216.2776.10467377主风向荷载提升比例61.905%167.761%88.110%图2 风电机组等效荷载作为高耸结构,风电机组在服役期间处于承受随机风荷载、自重荷载、上部塔架及叶轮运行中产生的振动荷载等复杂荷载的状态5。载荷经由塔筒、基础环传递,最终到达风电机组基础。为了简化荷载的传递过程,本文在笛卡尔坐标下,将负载荷载转变为等效荷载,包括沿 X 或 Y 轴方向的水平合力 Fxy,沿 Z 轴方向的竖向力 Fz,以及绕 X或 Y 轴旋转的合弯矩 Mz,如图 2 所示。表 2 中给出了风电机组基础扩容前后在此种荷载等效方式下的荷载变化和提升比例。根据风电场提供的工程地质详细勘察报告,可得到风电机组所在场地的土层情况,如表 3 所示。加固方案设计先根据 CFD 风电基础软件的计算,得到满足风电机组基础抗滑移和抗倾覆验算的基本尺寸条件,再在现有基础尺寸上对基础进行升级。针对在此过程中遇到的新浇筑混凝土与原混凝土之间的粘结问题,国内外采取的常见连接方式包括：使用界面剂6来增强新老混凝土的粘结强度,或在新老混凝土界面垂直植入钢筋7并填补植筋胶来提高强度。而附加基础环与外侧新浇筑混凝土之间同样存在粘结问题,对此采用在附加基础环上焊接栓钉8的方式进行处理。一、基础尺寸在极端荷载工况下,上部荷载的大幅度提升导致偏心距与基础底板半径的比值超过了 0.43,根据风电机组基础设计软件 CFD 的试算结果,底板半径至少需要达到 11.5m才可满足要求。根据陆上风电场工程风电机组基础设计规范（NB/T 103112019,下称“设计规范”）,基础悬挑板长与悬挑板高度的比值要满足小于等于 2.5,因此,需相应地调整悬挑板的高度 h2 至 3.5m；台柱部分 h3 的高技术|Technology76 风能 Wind Energy 度则根据援引自设计规范的式（1）式（3）计算脱开面积比进行限制。加固后基础尺寸如图 3 所示。（1）（2）（3）式中,R 为基础底板半径,m；ac是基底受压面积宽度,m；为基底脱开面积比；为基底最大压力系数；为基底脱开区域弧度。采用援引自设计规范的式（4）式（7）对基础变形和稳定性进行验算,分别得到风电机组的沉降值、倾斜率。由于设计规范中根据轮毂高度的不同而对于沉降和倾斜率限值有相应规定,通常装机容量超过 3MW 的风电机组轮毂高度均超过 100m,本文扩容后的轮毂高度按超 120m 的规范挡位进行设计。将计算结果与规范限值进行对比的结果（表 4）表明,两项指标均满足规范要求。（4）（5）（6）（7）式中,s 为地基最终沉降量,mm；P0k为荷载效应标准组合下基础底面处的附加压力,kPa；zi、zi-1为基底至第 i、i-1层土底面范围内平均附加应力系数；为基础倾斜角度,。图3 加固后基础尺寸示意（单位：mm）表4 基础沉降及倾斜验算沉降量/mm倾角/计算值30.50.001设计规范限值300.00.003表5 基础滑移及倾覆验算滑移倾覆结构抗力/荷载7.183.29结构安全系数1.301.60设计规范中分别对抗倾覆、抗滑移指标进行验算的公式,为本文所述的式（8）式（9）。采用两式可以得到基础的倾覆力矩设计值、抗倾力矩与滑动力设计值、抗滑力。结构的抗力/荷载与结构安全系数的比较结果（表 5）证明基础的稳定性可靠。（8）（9）式中,FS为荷载效应基本组合下的滑动力设计值,kN；FR为荷载效应基本组合下的抗滑力,kN；MS为荷载效应基本组合下的倾覆弯矩设计值,kN m；MR为荷载效应基本组合下的抗倾覆弯矩,kN m；d为结构安全系数；0为建筑结构设计安全系数。二、植筋方案对于加固方案中新老混凝土接触的区域,采用植筋与涂抹界面剂的方式来提高接触强度。其中,植入钢筋选用直径为 20mm 的 HRB400 钢筋,植筋所选用的植筋胶为悍Technology|技术2023年第02期 77 马 HM-500 改性环氧注射式植筋胶9,界面剂采用 CFRP（碳纤维增强聚合物）10,其材料参数如表 6 所示。根据混凝土结构加固设计规范（GB 503672013）中提到的公式,即式（10）,计算得到植筋深度为 20d。（10）式中,N是考虑各种因素对植筋受承载力影响而需增大锚固深度的修正系数；ae是考虑植筋位移延性要求的修正系数；ls是植筋的基本锚固深度。根据植筋位置的不同,将植筋分为 a、b、c 三个区域。其中 a 区域为环梁底部与台柱上端相接触的部位,b、c 区域分别为基础台柱部分侧壁、基础底部侧壁与新浇筑混凝土的接触区域。根据周新刚等11的研究,将 a 区域的植筋参数带入单筋的承载力计算公式（11）,得到每根植筋可承受的极限强度,以及大致钢筋数量,再将其代入界面抗剪强度计算公式（12）12,对其进行抗剪粘结力的验算,得出该区域需要 132 根钢筋进行加固；区域 b、c 的植筋参数根据张家志等13提到的穿筒钢筋的强度计算方法,利用材料力学第四强度理论中植筋的抗剪强度为抗拉屈服强度的0.58 倍来进行计算,见式（13）,界面上所需要的剪力幅也根据基础的受力状态进行计算,得出这两个区域各需要 32根钢筋进行植筋加固。界面承载力的验算结果见表 7。9:丁国印,唐兴荣.植筋胶与混凝土界面粘结滑移性能的试验研究 J.苏州科技大学学报（工程技术版）.2022,35（1）:31 38.10:Rashid K.Experimental investigation of the bond strengthJ.Construction and Building Materials,2020,249,118798.1118798.13.11:周新刚,王尤选,曲淑英.混凝土植筋锚固极限承载能力分析 J.工程力学,2002（6）：82 86.12:田稳苓,宋昭,肖成志,等.带植筋新老混凝土粘结面剪切试验及有限元模拟分析 J.建筑结构,2019,49（23）：127 133.13:张家志,胡益民,吕伟荣,等.风机基础局部加固设计与计算 J.湖南科技大学学报（自然科学版）,2020,35（4）：38 41.（11）（12）V=0.58nd24 fy （13）式中,D、L 为植筋的孔洞直径和深度,mm；0为平均粘结应力,MPa；n 为所需要的植筋根数,根；d 为植筋的半径,mm；ft为混凝土抗拉强度,MPa；为组合强化方法下的界面抗剪强度,MPa；为界面的植筋率；r、R分别为塔筒半径和台柱半径,mm；fy为普通钢筋强度设计值,MPa。三、栓钉方案加固方案中塔筒与新混凝土接触的部位在施工初期会因新浇筑混凝土湿度较大而丧失摩擦作用,故该处采用在基础环上焊接栓钉的方式加强两者共同工作的能力。选用直径 22mm、长度 200mm 的圆柱头焊钉,沿高度方向的间距为 250mm。采用张家志等13提到的栓钉数量计算公式,即式（14）,计算得到需要 400 根栓钉（以环梁高度方向的中线为基准,按 4 排布置,每排 100 根）。表6 粘结剂性能参数名称劈裂抗拉强度/MPa抗弯强度/MPa抗压强度/MPa粘结力/MPa平均粘结应力/MPa碳纤维增强聚合物（CFRP）-0.7悍马 HM-500 植筋胶8.550601114表7 界面承载力验算区域 a劈裂抗拉强度/MPa抗弯强度/MPa抗压强度/MPa粘结力/MPa1.5122.1450.01482.183区域 b、c剪力幅/kN抗剪承载力/kN39204480技术|Technology78 风能 Wind Energy （14）式中,As为单根栓钉截面面积,mm2；Ec为混凝土的弹性模量,MPa；fc为混凝土的抗压强度设计值,MPa；为屈强比；ft为混凝土的抗拉强度设计值,MPa。数值模拟原基础部分采用 C35 混凝土,原塔筒外围区域包裹的混凝土环梁使用 UHPC 混凝土,环梁下方的混凝土使用C60 混凝土；植筋和混