具有翼板的风机基础环、风机基础环的设计方法及用途与流程

本发明属于风力发电、新能源领域，尤其涉及局部加翼板的风机基础环及利用翼板加固风机基础的方法。
背景技术：
：风力发电发展迅速，近年来我国兴建了一大批大型风电场。风力发电机主要由机舱、叶片、塔筒、基础环、基础等组成，其中机舱和叶片位于塔筒的顶部，塔筒与基础之间采用基础环连接。基础环是一个大直径的钢筒型构件，在该钢筒的顶面和底面各有法兰(图1)。基础环连接的做法是：基础环的下部大部分埋置在基础混凝土中，基础环的上部有一小段高度露出于基础混凝土，塔筒与基础环顶面采用法兰连接。风机所受到的巨大荷载通过基础环传递到基础中，基础环连接是保障风机结构整体安全的重要节点。在风机的运行中发现，有很多风机基础环连接节点在长期的运行荷载作用下出现损坏，损坏症状是：基础环的下部法兰处的混凝土破碎，基础环与混凝土脱开、产生裂缝，雨水通过裂缝渗入到基础混凝土中，并加速基础混凝土的劣化。造成基础环连接损坏的主要原因是：基础环的体型不合理，基础环在混凝土中的埋深偏小，基础混凝土强度偏低等，造成基础环下部法兰处的混凝土应力偏大，超出了混凝土的承载力。当基础环连接出现损坏后，风机塔筒和基础的连接刚度降低，风机塔筒的晃动位移加大，当遇到较大的风荷载时，极易发生风机倒塌，严重影响风机安全运行，因此亟待对常规基础环型式进行改进和优化，对于已经在工程中应用的基础环应提出合理的加固方法。授权公告号为CN202731399U的实用新型，在基础环环形体外壁上增加多个径向的加劲板，该加劲板为T形，沿基础环外壁全高度分布。由于T型加劲板沿环外壁全高度分布，造成T形加劲板周边混凝土应力集中，应力集中不利于混凝土基础的承载，因此加劲板的几何参数需要进一步优化，现有专利和文献中均未给出带加劲板基础环的计算方法。另外，这种带T形加劲板的基础环只适用于新建风机基础工程。当以往工程中已使用的常规基础环(图1，无加劲板)出现损坏后，由于基础环周边已浇筑了混凝土并布置了密集的钢筋，无法在常规基础环的环形体外壁上安置全高度的T形加劲板，即：这种带T形加劲板的基础环无法应用于已有风机基础环的加固。专利号为ZL201410315031.6发明专利，在基础环下端通过焊接方式连接扩大底板，在基础环的下部与扩大底板之间焊接有若干翼板，扩大底板上开有若干螺栓孔，扩大底板经支撑杆支撑于地基上。这种改进的基础环也提到了采用翼板，但是这些翼板被设置于基础环的下部，并与扩大底板连接。在实际工程中，很多基础环与周边混凝土的脱开裂缝发生在基础的顶面，因此将翼板设在基础环的下部的效果仍需要进一步优化，现有专利和文献中未给出下部加翼板和扩大底板的基础环的计算方法。另外，这种下部加翼板的基础环仅能用于新建工程，当以往工程中已使用的常规基础环(图1，无加劲板)出现损坏后，由于基础环周边已浇筑了混凝土并布置了密集的钢筋，无法在常规基础环的下部安装翼板和扩大底板，即：这种下部安装翼板和扩大底板的基础环无法应用于已有风机基础环的加固。针对风机基础环损坏的情况，有文献提到采用基础钻孔灌浆的加固方法，但是这种灌浆方法仅能够填充、修复已损坏的、空隙较大的混凝土，灌浆后基础的体型并未改变，并未解决基础环体型不合理的问题，基础环的荷载传递模式也未有改善。还有文献提到采用在原有混凝土基础的顶面添加混凝土环梁的加固方式，由于混凝土环梁所能提供的约束刚度较小，限制基础环与混凝土之间裂缝脱开的能力不强，因此这种加固方式效果并不显著。综上所述，风机基础环连接对于风机结构安全非常重要，现有的基础环型式仍有一些缺陷需要改进，目前也缺少基础环损坏后的有效的加固方案和相应的计算方法。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有翼板的风机基础环、风机基础环的设计方法及用途，该方法采用高精度的数值模拟方法，能够有效的评估加翼板对风机基础承载力的改善状况；通过对本发明的应用，不会对原有基础的混凝土和配筋造成重大改变和破损，在不影响上部风机运行的情况下施工方便，且施工周期短，降低加固成本。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种具有翼板的风机基础环，包括风机基础环，所述风机基础环为圆筒形钢构件，所述圆筒形钢构件的上顶面处具有基础环上法兰，所述圆筒形钢构件的下底面处具有基础环下法兰，所述风机基础环的上部筒壁上沿圆周方向布设若干竖向翼板或水平向翼板。进一步的，所述竖向翼板的形状为四边形，水平向翼板的形状为圆弧形，竖向翼板和水平向翼板上可以局部开孔。进一步的，所述竖向翼板和水平向翼板的直角和拐角处做倒圆弧处理。本发明的另一目的是提供具有翼板的风机基础环的设计方法，该方法具体包括如下步骤：(1)根据风机基础的实际尺寸建立风机基础的三维有限元模型，风机基础环、竖向翼板(或水平向翼板)和混凝土采用三维实体单元模拟，风机基础环中的钢筋采用钢筋单元模拟；(2)对步骤(1)建立的三维有限元模型赋予材料属性，风机基础环、竖向翼板(或水平向翼板)与钢筋采用理想弹塑性本构模拟，混凝土采用混凝土损伤塑性本构模拟；(3)确定混凝土损伤塑性本构的计算参数：(3.1)通过对混凝土试块进行抗压、抗拉试验，得到混凝土的抗压强度、抗拉强度、及其应力应变曲线；(3.2)根据混凝土应力应变曲线计算拉压损伤因子与非弹性应变的关系，得到混凝土的压缩硬化曲线、压缩损伤因子、拉伸硬化曲线、拉伸损伤因子；(4)对三维有限元模型分别施加风机的极限荷载设计值、正常运行荷载设计值和疲劳荷载，采用有限单元法计算获得风机基础混凝土的应力分布、风机基础环周边配筋的应力、翼板的应力、风机基础环和混凝土之间的脱开裂缝宽度；(5)通过调整水平向翼板或竖向翼板的参数、加固混凝土的强度等级、加固混凝土中的配筋参数，使风机基础的承载效果满足以下指标：1)基础混凝土应力低于其抗压或抗拉强度；2)钢筋及翼板的应力低于钢的屈服强度，翼板与风机基础环的焊缝处应力低于焊缝的允许应力限值；3)风机基础环与混凝土基础脱开的裂缝宽度不大于0.2mm。进一步的，所述竖向翼板的参数为翼板的长度(L)、高度(W)、厚度(T)和翼板的数量(N)；所述水平向翼板的参数为翼板沿基础环径向的延伸长度(L)，厚度(T)，每个翼板的弧长角度为β，相邻水平翼板间可以留空隙，也可以紧凑布置并在水平向翼板上开孔。本发明的另一目的是提供一种上述的具有翼板的风机基础环的用途，该用途为将具有翼板的风机基础环用于加固风机基础，具体步骤如下：(1)风机基础环露出混凝土基础部分的高度为h2，需要加固时，先凿除基础顶面的保护层厚度h11的混凝土，露出基础所配置的钢筋位置，在凿除施工时，不能直接敲击基础中的钢筋；(2)此时，风机基础环上部露出混凝土部分的高度为h11+h2，对这部分基础环的筒壁进行除油漆、除锈并清洗干净；(3)将竖向翼板或水平向翼板采用焊接方式连接在风机基础环的筒壁上；(4)竖向翼板或水平向翼板焊接完成后，在基础顶面采用高性能混凝土进行加固修复，为了提高加固混凝土的承载力，在混凝土中掺加体积百分比为0.2-3％的PVA纤维或钢纤维，加固混凝土的高度为h11+h2，即完全覆盖新增加的竖向翼板或水平向翼板；(5)竖向翼板或水平向翼板的翼板之间的混凝土区域进行配钢筋加强，并将竖向钢筋锚固到原基础的混凝土中；(6)在新加固混凝土和风机钢塔筒之间的交接面上，采用塑性止水材料进行防水封堵。本发明的有益效果如下：(1)改变了风机基础的荷载传递模式。风机基础混凝土顶面与基础环之间往往是开裂位移最大的地方，通过在基础环的上部添加翼板，可有效发挥基础混凝土的抗力，提高了基础环连接的抗弯刚度。(2)增加翼板后，原来作用于基础环上的荷载被众多翼板所分担，混凝土的应力水平有显著降低，并显著降低了基础环和混凝土之间的脱开裂缝宽度，进一步地能够防止雨水通过裂缝渗入混凝土的内部。(3)提供了一个高精度的数值模拟方法，能够有效的评估加翼板对风机基础承载力的改善状况。(4)提供了一个有效、可行的风机基础加固方法，不会对原有基础的混凝土和配筋造成重大改变和破损，在不影响上部风机运行的情况下施工方便，且施工周期短，降低加固成本。附图说明图1为加固前风机基础环与基础剖面图；图2为采用竖向翼板加固风机基础的剖面图；图3为竖向翼板加固风机基础的俯视图；图4为水平翼板加固风机基础的剖面图；图5为圆弧形水平翼板加固风机基础的俯视图；图6为局部开孔水平翼板加固风机基础的俯视图；图7为设计计算流程图；图8为加固基础环流程图；图9为实施例中原基础及基础环剖视图；图10为实施例中混凝土受压参数曲线图；图11为实施例中混凝土拉伸参数曲线图；图12为实施例中不同工况下的基础环与混凝土脱开裂缝宽度图；图13为实施例中不同工况下的基础环穿孔钢筋应力图；图中，基础环1、上法兰2、下法兰3、竖向翼板、水平翼板5、基础环穿孔钢筋6、混凝土基础7、基础环内径R、两竖向翼板间夹角α、水平翼板弧度β。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。如图1所示，为常规风机基础剖面图，包括风机基础环1，所述风机基础环1为圆筒形钢构件，所述圆筒形钢构件的上顶面处具有基础环上法兰2，所述圆筒形钢构件的下顶面处具有基础环下法兰3。如图2-6所示，为本发明的具有翼板的基础环剖面图，为了改善基础环周边混凝土的应力状态，本发明的一种具有翼板的风机基础环，包括风机基础环1，所述风机基础环1为圆筒形钢构件，所述圆筒形钢构件的上顶面处具有基础环上法兰2，所述圆筒形钢构件的下底面处具有基础环下法兰3，所述风机基础环1的筒壁上部沿圆周方向布设若干竖向翼板4(图2和图3所示)或水平向翼板5(图4和图5所示)；所述竖向翼板4或水平向翼板5的直角和拐角处做倒圆弧处理，使翼板的体型平顺过渡，防止因应力集中而发生局部混凝土破坏。这种带翼板的基础环可用于新建工程，也可以用于对常规基础环受损后的加固处理。如图7所示，本申请还提供具有翼板的风机基础环的设计方法，该方法具体包括如下步骤：(1)根据风机基础的实际尺寸建立风机基础的三维有限元模型，风机基础环、翼板和混凝土采用三维实体单元模拟，风机基础中的钢筋采用钢筋单元模拟；(2)对步骤(1)建立的三维有限元模型赋予材料属性，风机基础环、翼板与钢筋采用理想弹塑性本构模拟，混凝土采用混凝土损伤塑性本构模拟；(3)确定混凝土损伤塑性本构的计算参数：(3.1)通过对混凝土试块进行抗压、抗拉试验，得到混凝土的抗压强度、抗拉强度、及其应力应变曲线；(3.2)根据混凝土应力应变曲线计算拉压损伤因子与非弹性应变的关系，得到混凝土的压缩硬化曲线、压缩损伤因子、拉伸硬化曲线、拉伸损伤因子，用这些参数描述混凝土的损伤塑性本构；(4)对三维有限元模型分别施加风机的极限荷载设计值、正常运行荷载设计值和疲劳荷载，采用有限单元法计算获得风机基础混凝土的应力分布、风机基础环周边配筋的应力、翼板的应力、风机基础环和混凝土之间的脱开裂缝宽度，这些计算结果用于进行基础环受力性状的安全评判；(5)通过调整翼板的参数、加固混凝土的强度等级、加固混凝土中的配筋参数，使风机基础的承载效果满足以下指标：1)基础混凝土应力低于其抗压或抗拉强度设计值；2)钢筋及翼板的应力低于钢的屈服强度，翼板与风机基础环的焊缝处应力低于焊缝的允许应力限值；3)风机基础环与混凝土基础脱开的裂缝宽度不大于0.2mm。所述竖向翼板4的参数为翼板的长度(L)、高度(W)、厚度(T)和翼板的数量(N)。所述水平向翼板5的参数为翼板沿基础环径向的延伸长度(L)、厚度(T)，每个翼板的弧长角度为β，相邻水平翼板间可以留一定空隙，也可以紧凑布置并在水平翼板上开孔，如图6所示。如图8所示，本申请还提供具有翼板的风机基础环的用途，该用途为将具有翼板的风机基础环用于加固风机基础，目前的很多工程都采用了图1形式的常规基础环，常规基础环在混凝土基础中的埋深为h1，常规基础环的顶面所配置钢筋的保护层厚度为h11，常规基础环露出混凝土基础部分的高度为h2；具体步骤如下：(1)凿除需要加固的基础顶面的保护层厚度h11的混凝土，露出基础所配置的钢筋位置，在凿除施工时，不能直接敲击基础中的钢筋；(2)此时，风机基础环1上部露出混凝土部分的高度为h11+h2，对这部分基础环的筒壁进行除油漆、除锈并清洗干净；(3)根据上述设计方法计算确定的翼板参数，主要包括竖向翼板的长度(L)、高度(W)、厚度(T)和翼板的数量(N)，或者是水平翼板5沿基础环径向的延伸长度(L)、厚度(T)，每个翼板的弧长角度为β，相邻水平翼板间可以留一定空隙，也可以紧凑布置并在水平翼板上开孔。将这些翼板采用焊接方式连接在风机基础环1的筒壁上；(4)焊接完成后，在基础顶面采用高性能混凝土进行加固修复，为了提高加固混凝土的承载力，在混凝土中掺加体积百分比0.2-3％的钢纤维或PVA纤维，加固混凝土的高度为h11+h2，即完全覆盖新增加的翼板；(5)翼板之间的混凝土区域进行配钢筋加强，并将竖向钢筋锚固到原基础的混凝土中；(6)在新加固混凝土和风机钢塔筒之间的交接面上，采用塑性止水材料进行防水封堵。实施例：某风电基础的基础环周边混凝土破碎，基础环与混凝土之间裂缝过大。以该工程为例，说明采取加翼板方式进行风机基础加固的效果。圆筒形风机基础环埋设在混凝土基础中，原基础及基础环，如图9所示，基础环的直径为4.2m，基础环在混凝土中的埋深h1＝1.25m，基础顶面所配置钢筋的混凝土保护层厚度h11＝0.15m，基础环露出混凝土顶面的高度为h2＝0.4m，基础环底部距离整个混凝土基础的底部约2.2m。建立风机基础的三维有限元模型，计算该风机基础的应力和位移情况。混凝土强度等级为C35，抗压强度设计值为16.7MPa，抗压强度标准值为23.4MPa，混凝土采用实体单元(C3D4)模拟。基础环内半径为2.1m，高度为1.65m，基础环钢板厚度为28mm，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，基础环采用壳单元(S4R)模拟。基础共有104根直径为32mm的径向穿基础环孔钢筋，钢筋材料为HRB400，弹性模量为200GPa，屈服强度为220MPa，极限抗拉强度为360MPa。穿孔钢筋埋设在混凝土中，在模型中设定穿孔钢筋与基础环不接触，钢筋采用钢筋单元(T3D2)模拟。约束混凝土基础底面的所有方向共六个自由度，基础环和混凝土之间考虑接触作用，摩擦系数取为0.4。对基础环周边进行单元网格加密。根据风机生产厂家提供的设计荷载数据，在基础环顶部施加弯矩48084kN·m、竖直向下荷载2630.2kN、水平剪力658kN。取C35强度混凝土制作立方体试块，尺寸为150mm*150mm*150mm进行抗压试验，混凝土平均抗压强为35.56MPa，根据混凝土结构设计规范(GB50010-2010)换算标准值为23.78MPa，抗拉强度标准值为2.32MPa，计算得到混凝土压缩硬化曲线、压缩损伤因子、拉伸硬化曲线、拉伸损伤因子如图10、图11所示。在风机的设计荷载作用下，该风机基础环下法兰处混凝土有大面积的应力集中，应力高于其抗压强度设计值，因此会造成混凝土局部破坏。在长期荷载作用下，基础环与基础表面混凝土脱开，计算的脱开距离为0.244mm，大于裂缝宽度允许的限值0.2mm，风机基础在长期运行中受损严重，该风机基础需要进行加固。基础环半径R为2100mm，初步确定翼板大小采用W＝400mm，L＝800mm，T＝20mm，初步确定翼板个数为N＝16个，凿除基础表层混凝土15cm后，新加固的混凝土高度为55cm。在Abaqus计算中，加16个翼板后的基础应力计算与未加固基础相比，混凝土应力集中区域有所改善，大部分已低于混凝土的抗压强度，基础环与基础表面混凝土的脱开裂缝也有所减小，但翼板分担承载力过大，翼板的应力过于集中，易造成翼板破坏，故仍需要进一步计算优化。增加至88个翼板后，翼板应力可减小到170MPa左右，焊缝处应力低于钢结构设计规范中要求的焊缝允许强度限值。不同翼板个数情况下基础环脱开位移和翼板应力见表1所示。随着翼板个数的增加，基础环与混凝土基础表面脱开的裂缝宽度也逐渐减小；翼板的应力分布沿基础环径向即翼板长度方向逐渐减小，翼板长度400mm以外的应力很小。经多次计算优化，将翼板大小调整为400mm*400mm*10mm，翼板个数N＝88。表1不同数量翼板对翼板应力和基础环脱开裂缝的影响加翼缘个数/个016326488脱开裂缝宽度/mm0.2440.1510.1470.1450.141翼板最大应力/MPa/1554770440170根据以上的计算结果，最终确定的加固方案为：凿除原基础上的钢筋保护层混凝土，凿除深度约为钢筋保护层厚度h11＝150mm，对混凝土表面进行凿毛和清洗处理，以便于新老混凝土的粘结；对基础环筒壁进行除油漆、除锈、清洗处理；在基础环外壁上焊接N＝88个翼板，翼板大小为W＝400mm，L＝400mm，T＝10mm，翼板的顶面距离基础环上法兰水平面100mm；在凿毛后的原基础顶面上，浇筑高性能混凝土，在混凝土中添加钢纤维或PVA纤维提高混凝土的韧性，加固的混凝土高度h2+h11＝550mm；在加固后的基础混凝土和塔筒连接部位做塑性防水止水。加了这些翼板后，同样在风机设计荷载下，基础环下法兰处原应力集中部位的应力大幅降低。在如表2所示的三种工况下，加固后的风机基础环的穿孔钢筋应力、基础环与混凝土基础表面的裂缝宽度均逐渐降低(详图12、13)，极限荷载下，裂缝宽度距离为0.141mm。表2不同设计荷载工况工况123荷载极限荷载80％的极限荷载正常运行荷载通过实施上述加固，所取得的显著效益是：(1)改变了风机基础的荷载传递模式。风机基础混凝土顶面与基础环之间往往是开裂位移最大的地方，通过在基础环的上部添加88个翼板，可有效发挥基础混凝土的抗力，提高了基础环连接的抗弯刚度。(2)增加88个翼板后，原来作用于基础环上的荷载被众多翼板所分担，混凝土的应力水平有显著降低，并显著降低了基础环和混凝土之间的脱开裂缝宽度，进一步地能够防止雨水通过裂缝渗入混凝土的内部。(3)提供了一个高精度的数值模拟方法，能够有效的评估加翼板对风机基础承载力的改善状况。(4)提供了一个有效、可行的风机基础加固方法，在不影响上部结构的情况下施工方便，且施工周期短，降低加固成本。当前第1页1 2 3