风机基础结构有限元分析

风机基础结构有限元分析

王卫红

王卫红江西省电力设计院

摘要：在能源型社会的当下，合理开发和利用可再生能源是社会长足发展的关键，风力发电就是顺应形势的重要举措。本文采用有限元分析方法，从荷载分配、应力分布等方面，对风机发电机组中的金属环及基础结构进行分析与研究，发现风机基础结构设计中存在的问题，并提出相应的优化设计措施。

关键词：风机基础；结构设计；有限元模型随着风机发电机组应用越来越广泛，加之用电需求的不断增长，塔架高度和风机型号不断加大，为确保风机基础结构的安全性与稳定性，就需要对以钢筋混凝土为基础结构进行分析与研究。传统板基础的设计主要是依据承受轴心竖向荷载，相比较于承受极端偏心荷载的风机基础，板基础更适用于小型风机基础结构。本文在充分考虑风机荷载传递方式、金属环与混凝土间的接触面、基础与地基间的非线性接触、离散的钢筋模型等基础上，采用有限元方法对风机基础结构进行分析，通过建立典型工况下风机基础的三维模型，采用钢筋混凝土材料的线弹性模型和弹塑性模型进行计算。

1主要计算荷载

根据REpower公司的T-1.2-RT.00.51-A-A编制的(FD77型61.5米轮毂高度风力发电机组基础设计要求)，基础设计的相关荷载如表1、2。

表1风机基础设计极端荷载

2.2钢筋离散模拟在钢筋混凝土有限元模型中，钢筋的处理方式主要有分离式、整体式和组合式模型三种，本文研究主要选用分离式模型。所谓分离式模型，是将混凝土和钢筋各自划分为足够小的单元，二者的刚度矩阵是以不同单元分开处理和求解的。其中，混凝土采用SOLID65单元模拟，钢筋采用LINK8单元模拟。在钢筋混凝土结构中，钢筋与混凝土二者之间有较好的锚固，因此混凝土与钢筋之间的粘结滑移不作考虑，钢筋模型与混凝土单元公用节点。

2.3金属环与混凝土的相互作用地基与基础之间采用ANSYS中的接触处理，接触面处的基础可以被拉起但不产生拉应力，水平方向上的基础可以自由移动。

金属环位于风机基础的上部，塔筒要连接到基础上，必须要通过板基础混凝土内的金属环。金属环断面为I形，金属环与混凝土主要是通过上下翼缘与接触面的摩擦力相互连接。

通过试验发现：不同程度质量的钢材与混凝土表面所形成摩擦系数f也是不同的，无锈与微锈钢材其摩擦系数f=0.3，重锈与腐蚀钢材其摩擦系数f=0.6，出于风机基础结构稳定与安全考虑，金属环与混凝土接触面的摩擦系数选择f=0.3。风机基础与地基接触面的摩擦系数多为f=0.65。

2.4结构的三维模拟风机基础设计时，地基的宽度及深度分别时基础结构的3倍。金属环附近分布有较为复杂的应力，并涉及接触面模型，为避免穿透接触面，取得更精准的荷载传递情况，接触面区域混凝土要划分成大小相等的网格。由于基础结构和荷载具有平面对称性，因此只建立一般结构模型。

上部结构传至塔筒底部与基础环交界面的荷载施加在上法兰环上，作用面积为环截面。结构采用8节点体单元，模型的单元总数为23630。

3有限元模拟结果分析

结合风机基础设计原理，分别采用常规计算和数值计算两种方法对抗冲切、抗剪、抗弯等进行计算，计算结果如表3所示。从表3不难发现，两种计算方法其结果存在一定的差异，常规计算是采用结构力学法，一般是假设荷载直接作用于整个基础上进行计算的；而数值计算采用有限单元法，较为真实的模拟荷载通过金属环传递至基础的情况。

与常规计算不同，数值计算考虑了基础与地基之间的粘结作用，减小脱空比例、增大接触作用，有效降低基础所受的地基反力和沉降变形。从表3的抗冲切、抗剪、抗弯计算来看，常规设计偏于保守，采用基底边缘最大的地基反力，因此计算值偏大。总的来说，数值模拟计算结果的可靠性更胜一筹，能更好的反映风机基础的受力情况。

表3数值模拟与常规计算的对比

金属环是风机基础荷载传递的重要媒介，金属环附近区域集中分布有混凝土应力。第一主应力分布在金属环受拉侧上下翼缘附近，拉应力集中在下翼缘，最大值为3．44MPa；受大弯矩作用，金属环受压侧对应的基础底部也产生拉应力，最大值达到1．94MPa。压应力主要分布在金属环上翼缘附近，最大值为7．03MPa。金属环的最大拉应力为64．8MPa，最大压应力为37．8MPa，其屈服强度小于金属材料。由此可知，在极端荷载工况下，金属环本身是安全的，但受内外拉应力影响，可能会导致局部出现破坏。

在极端荷载工况下，金属环倾倒时上表面外侧拉应力最大值为1.1MPa，而内侧拉应力很小，这时受外部应力作用可能导致金属环变形；下翼缘内外侧拉应力较大，最大值为3．19MPa。沿圆周方向上来看，超过2MPa的下翼缘拉应力占到受拉侧的一半左右，这就以为着圆周25%的范围可能会出现开裂。因此，对于主要受拉部位，如金属环上下翼缘附近、受压侧基底等需要给予特别关注。正常运行荷载工况下，混凝土应力分布相对较为规律，拉应力一般都在1．04MPa以内，风机基础结构在安全范畴之内。

4结论及建议

为确保风机基础结构的安全稳定，除了要考虑结构的最大荷载、及内外部应力，还需要加强很多细节设计与处理。为减小金属环的上拔，在切向受力筋的同时，还需将径向钢筋锚固至金属环内部的混凝土，因此金属环上预留好孔洞。钢筋长时间与空气接触容易腐蚀，由于上法兰环较厚，为防止因金属环变形导致上表面钢筋外露，出现腐蚀，就需要浇筑适当的混凝土保护层。一般来说，混凝土保护层厚度为10cm，切向筋与锚固至金属环内的径向钢筋组成上钢筋层。

对于结构的搭建，除了要确定钢筋所需数量和规格外，还需要加强细节设计，如钢筋的搭建、锚固处理等。在满足基础结构斜截面抗剪要求的情况下，为使上下钢筋层更好的巩固连接，要在径向间距150cm，网周向间距100cm配置22的马镫形架立筋。为合理控制结构弯矩，要在金属环内弯侧圆周向间距15cm布置32的竖向吊筋，共计160根。钢筋布置要越接近金属环越好，以使吊筋的作用得到最大化发挥。