风电机组基础环受力分析

　　0 引言
　　风电机组基础承受巨大的弯矩作用。作为承受和传递巨大弯矩的基础环，在基础设计时应验算其抗拔承载能力、抗弯承载力以及抗冲切等作用。基础环底部混凝土的厚度、基础环底法兰上部混凝土的厚度以及钢筋的布置，对基础环式基础的安全性均有重要的影响。《风电机组地基基础设计规定》（试行）[1]FD003 － 2007 第5.0.9 款要求：“应对制造商提出的基础环与基础的连接设计进行复核”。目前，国内规范尚无复核基础环承载能力的工程算法[2]。实际工程中存在许多因基础环整体被拔出而导致结构破坏的事故。
　　加强对基础环受力性能的研究，意义重大。本文采用有限元分析方法，研究了基础环的承载能力、基础环和基础的相互作用，以及基础环与基础的连接强度等问题，为后续工程设计提供有意义的参考。
　　1 研究案例
　　某实际工程，采用机型为xx87/1500 － 75m，III 类风区，其载荷如下：

表1 1500KW风电机组75m塔架极限载荷（III类风区）

表2 1500KW风电机组75m正常发电工况（III类风区）

　　结构设计使用年限为25 年，安全等级为二级，丙类，6 度设防，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅰ类，采用C35 混凝土，最大水灰比为0.5，最大氯离子含量为0.15%， 最大碱含量为3.0kg/m3， 钢筋为：HRB335 和HRB400，力学性能指标符合《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499 中的要求，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率，穿孔钢筋为φ28HRB400，基础环选用Q345，基础几何尺寸如图1 所示。

图1 基础图

　　2 结构分析
　　ANSYS 软件中的LINK8 单元是轴向拉伸—压缩杆件单元，具有两个节点，每个节点有3 个平移自由度（沿X、Y 以及Z 方向），可以用于模拟两端铰接的空间杆件，不考虑杆件的弯曲以及扭转。Solid65 单元具有8 个节点，每个节点有3 个方向线位移自由度，用其建立的模型可具有拉裂和压碎性能。在混凝土的应用方面，可以用Solid65 单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用；Solid95 单元通过20 个节点来定义，它可以接受不规则的形状并且不损失精度，每个节点有3 个自由度：转化为节点坐标系下的X，Y，Z 方向。Solid95 单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变等能力。综上，本文选用Link8 单元模拟基础中钢筋，Solid65 单元模拟基础混凝土，olid95 单元模拟基础环。
　　2.1 模型简介
　　模型由混凝土、基础环、穿孔钢筋组成。基础底板固定于地基上。混凝土采用Solid65 单元，基础环采用Solid95 单元，穿孔钢筋采用Link8 单元。整个模型包含38191 个单元，221366 个节点。荷载施加于基础环顶法兰上表面形心位置，如图2 所示。

图2 模型图

　　2.2 分析结果
　　通过分析可知：
　　基础环顶部的最大竖向位移为1.148mm，如图3 所示；混凝土最大压应力为2.99MPa，发生在基础环底法兰下表面与基础接触部位，混凝土无拉应力，如图4 所示；穿孔钢筋最大压应力为：9.44MPa，最大拉应力为10.5MPa，如图5 所示；基础环最大压应力为312MPa，无拉应力，如图6 所示。