某预应力岩石锚杆风电机组基础有限元分析

吉林省电力勘测设计院 ■ 陈康东

0 引言

风电机组的一个重要发展趋势就是轮毂高度(风轮中心高度)越来越高、机组功率越来越大，这就要求风电机组塔架的基础抗力不断增强。岩石锚杆基础是依靠锚杆与岩土之间的粘结力来维持风电机组基础的稳定，因此，锚杆粘结破坏机制是锚杆基础研究的重点。阎石等[1]运用商用有限元软件对某新建工程的风电机组岩石锚杆基础进行了受力分析，探讨了岩石锚杆基础的受力特性。刘波等[2]采用室内锚杆拉拔试验与现场锚杆拉拔试验来研究锚杆-砂浆粘结界面的滑移关系与破坏过程，并得出有效锚固深度随上拔荷载增大而增加的计算公式。孙益振等[3]采用数值模拟的方法研究了岩土及注浆体等因素对注浆锚杆基础抗拔力的影响。马人乐等[4]以某风力发电塔基础为工程背景，指出现有基础结构形式的缺点，并提出了多向预应力方案以优化原设计方案，总结出预应力锚杆的面积估算公式。岩石锚杆基础已在工程实践中被广泛应用，但仍缺乏合理完善的理论依据[5]。

1 工程概况

某风电场工程采用2 MW风电机组，该机组基础的底部直径为15 m，过渡段直径为7 m，基础总高度为2.4 m。基础底面布置一圈锚杆，分布半径为7 m，共布置36根；锚杆孔直径为0.13 m，扩底部分直径为0.23 m；锚杆锚入岩石长度为5 m。风电机组基础俯视图如图1所示，剖面图如图2所示。

锚杆与钻孔之间采用高强无收缩水泥灌入密实。灌浆材料28天抗压强度不小于60 MPa。风电机组轮毂高度为100 m，风电机组基础设计荷载由风电机组设备单位提供，具体参数如表1所示。其中，Mxy表示风电机组传递至基础的倾覆弯矩，Mz表示风电机组传递至基础的扭矩，Fxy表示风电机组传递至基础的水平力，Fz表示风电基础传递至基础的竖向力。

图1 风电机组基础俯视图(单位：mm)

图2 风电机组基础剖面图(单位：mm)

图3 主应力空间中的米塞斯屈服面

表1 风电机组基础荷载设计值

2 有限元分析模型

本文采用岩土结构专用有限元分析软件midas GTS NX对上述风电机组基础进行建模分析，研究风电机组基础与地基协同工作的机理，混凝土基础的变形、应力分布规律等，为岩石锚杆基础的设计提供参考。

在材料本构模型选择上，土体材料选择摩尔库伦本构模型。针对混凝土材料，选用软件内置的Von Mises屈服准则，当等效应力超过材料的屈服应力时，材料将会出现塑性变形。在三维应力空间中，米塞斯屈服面是一个圆柱面；在单向拉压情况下，米塞斯屈服面则是一个椭圆，如图3所示。在屈服面内，结构发生的是弹性变形，若超出了屈服面，任何应力状态都会引起屈服。锚杆采用理想弹塑性材料。

为了有效模拟风电机组基础与地基的协同作用，模型外部土体边界取基础地面半径的4倍，基础下部土体厚度取锚杆长度的2倍。采用三维实体单元模拟外部土体、混凝土及风电机组下插钢管，采用桁架单元模拟锚杆，锚杆与基础、土体之间的粘结按节点耦合进行考虑。锚杆与基础的模型图如图4所示，整体分析模型如图5所示。

图4 锚杆与基础模型图

图5 三维整体分析模型

为简化表1中提到的作用在风电机组基础上的荷载，采用刚性连接的方式将风电机组钢管外圈节点与钢管中心进行耦合，从而将设计荷载直接作用在钢管中心节点上，荷载作用方式如图6所示。

图6 荷载作用方式示意图

3 有限元计算结果分析

采用非线性分析更能反映混凝土这一脆性材料的应力-应变关系。本节根据有限元分析结果，探究岩石锚杆基础的沉降规律、应力分布及锚杆内力变化等。

3.1 岩石锚杆基础沉降分析

计算正常运行状态与极端状态两种工况下岩石锚杆基础的沉降值，两种工况的沉降云图分别如图7、图8所示。由图可知，在倾覆弯矩作用下，地基一侧产生隆起，另一侧则受压沉降。地基变形的影响范围与幅值受荷载大小的影响。在正常运行状态下，风电机组基础最大隆起值约为2.6 mm，最大沉降值约为5.6 mm；而在极端状态下，基础最大隆起值约为4.1 mm，最大沉降值约为7.3 mm。极端状态下的基础最大隆起值为正常状态下的1.6倍，而极端状态下的最大沉降值为正常状态下的1.3倍。这主要是由于极端状态下的倾覆弯矩是正常运行状态下的1.96倍。

将正常运行状态下与极端状态下基础顶面测点沉降沿水平方向的变化趋势进行对比，趋势图如图9所示。由图9可知，在风电机组上部传递的荷载作用下，基础一侧隆起，一侧沉降，呈现出一定的倾斜态势。

图7 正常运行状态下基础沉降云图

图8 极端状态下基础沉降云图

图9 基础顶面测点沉降对比图

图10 正常运行状态下基础第一主应力云图

3.2 应力分布

对混凝土基础在正常运行状态与极端状态的第一主应力状态进行分析，基础应力云图分别如图10、图11所示。混凝土基础的第一主应力最大值在正常运行状态下约为3.4 MPa，在极端状态下约为3.8 MPa。混凝土基础最大应力值主要出现在钢管柱与混凝土基础的连接部位，这与实际受力情况一致。在正常运行与极端两种状态下，基础混凝土不会被压碎，但受拉区存在局部受拉开裂的风险，因此在实际项目中，有必要对受拉侧基础混凝土实施动态监测。

图11 极端状态下基础第一主应力云图

对正常运行与极端两种状态下钢环的应力进行分析，应力云图分别如图12、图13所示。钢环最大应力在正常运行状态下约为41 MPa，而在极端状态下约为47 MPa。钢环应力最大区域的分布有所不同，即在正常运行状态下，钢环最大应力分布在钢环上部与混凝土接触的部位；而在极端状态下，钢环最大应力则分布在下方。两种状态下最大应力所占比例也有所不同，在正常运行状态下，最大应力占比为1.9%；而在极端状态下，最大应力占比为0.3%，即存在一定程度的应力集中问题。

图12 正常运行状态下钢环应力云图

图13 极端状态下钢环应力云图

3.3 锚杆受力分析

对正常运行状态和极端状态下的锚杆受力进行分析，锚杆内力云图如图14、图15所示(图中拉力为正，压力为负)。由图可知，在倾覆弯矩作用下，一侧锚杆受拉，一侧受压，锚杆内力由上到下逐渐增大。在正常使用状态下，锚杆最大拉力约为237 kN，而采用文献[5]中的简化公式法得出的锚杆最大拉力为404 kN，由此可见，采用简化公式法得出的锚杆拉力值远大于采用数值仿真得出的结果。这说明仿真结果更接近工程实际，可靠性更高。在极端状态下，锚杆最大拉力约为308 kN，这与极端状态下基础受倾覆弯矩较大的受力特征吻合。

图14 正常运行状态下锚杆内力云图

图15 极端状态下锚杆内力云图

4 结语

本文基于有限单元法，通过软件模拟了岩石锚杆风电机组基础在正常运行状态及极端状态下的受力状态，对计算结果进行分析后得出以下结论：

1)在极端状态下，岩石锚杆基础一侧隆起位移与另一侧沉降位移均明显大于正常运行状态时的情形。

2)混凝土基础受压一侧与钢环连接区域所受应力较大，按计算结果所设计的基础满足抗压性能要求。

3)在倾覆弯矩与水平力作用下，单根锚杆的内力沿深度方向不断增大。有限元仿真分析得出的锚杆拉力小于经验公式计算得出的结果，可见该数值计算具有一定的前瞻性与可行性，有利于为设计提供参考。