一种基础环节点抗弯承载力的简化计算方法与流程

本发明属于风力发电、新能源领域，尤其涉及一种基础环节点抗弯承载力的简化计算方法。

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。

影响基础环节点抗弯承载力的因素众多，比如埋深、下法兰宽度、穿孔钢筋、基础混凝土强度等，各部件之间的荷载传递机制复杂。目前已有一些基于有限元方法的计算结果，但是有限元方法需要复杂的数值建模和计算参数准备工作，计算量也比较大。在工程设计中亟待提出简化的计算方法。目前已有文献中的基础环承载力简化计算方法仍存在不少问题，例如：1)过高估计基础环穿孔钢筋的承载力；2)无法考虑基础环埋深对抗弯承载力的影响；3)对基础环下法兰所提供的抗弯承载力计算不准确。总之，尚没有公认合理的抗弯承载力计算方法。在设计过程中，若对基础环的受力分析不够细致全面，则会造成对基础环受力性状的误判，影响结构安全和风机正常运行。为此，有必要研究风机基础环节点的承载力性状、力的传递机制以及破坏机理，进而完善有关风机基础节点设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有风机基础环抗弯承载力设计方法的不足，提出一种基础环节点抗弯承载力的简化计算方法，该方法能够对风机基础环进行抗弯承载力复核和设计，根据计算结果，改进基础环的设计参数，对于提高风机基础环节点的安全性具有重要意义。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基础环节点抗弯承载力的简化计算方法，该方法包括如下步骤：

(1)基础环穿孔钢筋的抗弯承载力的计算

考虑钢筋应力不均匀性，穿孔钢筋的抗弯承载力m穿孔钢筋采用如下公式计算：

其中，n为基础环穿孔钢筋数目的一半，fy为钢筋的屈服应力，as为一根穿孔钢筋的截面面积，l为基础环埋深，a为穿孔钢筋的混凝土保护层厚度；

(2)基础环下法兰的抗弯承载力的计算

当基础环节点受到弯矩作用时，下法兰在混凝土反力作用下所提供的弯矩如下：

其中，β为下法兰混凝土应力不均匀系数取值，r中为基础下法兰内半径r1和外半径r2之和的一半，twidth为基础环下法兰的宽度，βc为混凝土强度影响系数，βl为混凝土局部受压时的强度提高系数，fc为混凝土轴心抗压强度；

(3)基础环侧壁的抗弯承载力的计算

根据不同埋深来确定侧壁抗弯承载力贡献，近似地取基础环侧壁抗弯承载力为：

m侧壁＝k·m下法兰

其中，k为基础环侧壁的抗弯承载力占下法兰的比例；

(4)基础环节点的整体抗弯承载力的计算

如果忽略穿孔钢筋对抗弯承载力的贡献，则基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝m下法兰+m侧壁

如果考虑穿孔钢筋对抗弯承载力的贡献，则基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝m下法兰+m侧壁+m穿孔钢筋。

本发明的有益效果如下：1)能够考虑到基础环是圆形结构，钢筋应力沿圆周环向不同位置处应力的不同，这样给出的计算公式对钢筋所能提供的抗弯承载力计算更准确。2)计算方法能够考虑到基础环埋深对钢筋抗弯承载力的影响。3)能够考虑到基础环下法兰混凝土应力分布的不均匀性，并给出了下法兰处混凝土所提供的抗弯承载力计算公式。4)给出了基础环侧壁的抗弯承载力计算公式。5)通过对每个承载机理的分析，掌握了基础环总的抗弯承载力的构成要素，给出了一个比较精确的计算方法，采用该方法能够更合理的评估基础环节点的承载力，有助于提高风机基础结构的安全性。

附图说明

图1为基础环示意图；

图2为基础环下法兰混凝土作用力示意图；

图中，基础环上法兰1，基础环穿孔钢筋2，基础环3，基础环下法兰4，混凝土基础5，下法兰内径r1，下法兰外径r2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

风机上部结构主要承受水平风荷载作用，水平荷载通过塔筒与基础环的连接传递到基础上，形成塔筒底部弯矩作用和水平剪力作用，其中对风机基础节点影响最大的是弯矩作用，这部分弯矩作用主要由基础环穿孔钢筋、基础环下法兰与混凝土的锚固、基础环侧壁混凝土抗力承担。本发明的设计方法基于此三部分组成。

(1)基础环穿孔钢筋的抗弯承载力的计算

在塔筒底部弯矩作用下，基础环侧壁挤压两侧混凝土，锚固在基础环两侧的混凝土中的穿孔钢筋承受拉力，由于基础环锚固在基础混凝土中，可以认为基础环底端是固定的，穿孔钢筋所受的拉力对基础环底部的中心取弯矩，形成穿孔钢筋的抗弯承载力。

一般地，穿基础环孔钢筋沿圆周方向上均匀布置，钢筋应力并不全相等，当弯矩作用方向上的钢筋发生屈服时，其他方向上的钢筋应力尚小于屈服应力。考虑这种钢筋应力不均匀性，穿孔钢筋的抗弯承载力m穿孔钢筋可以采用如下公式计算：

其中，fy为钢筋的屈服应力，l为基础环埋深，n为基础环穿孔钢筋数目的一半；a为穿孔钢筋的混凝土保护层厚度，as为一根穿孔钢筋的截面面积。

(2)基础环下法兰的抗弯承载力的计算

当基础环节点受到弯矩作用时，基础环的下法兰起到一定的锚固作用。当弯矩由左向右施加于基础环节点时，其左侧下法兰受到混凝土的向下挤压的作用，其右侧下法兰受到混凝土向上的反力作用，下法兰两侧受到混凝土压力方向相反，下法兰在混凝土反力作用下所提供的弯矩如下：

其中，下法兰混凝土应力不均匀系数β取值为0.25；r中为基础下法兰内半径r1和外半径r2之和的一半，如图2所示；twidth为基础环下法兰的宽度；βc为混凝土强度影响系数，混凝土强度等级不超过c50时，取值1.0，当混凝土强度等级为c80时，取值0.8，其间按线性内插法确定；βl为混凝土局部受压时的强度提高系数，按照混凝土结构设计规范(gb50010-2010)6.6.1进行计算；fc为混凝土轴心抗压强度。

(3)基础环侧壁的抗弯承载力的计算

根据对工程实例的数值计算，不同埋深下基础环侧壁对抗弯承载力的贡献占下法兰的比例有所不同，本算例中当基础环埋深在1.2m-2.1m之间时，基础环侧壁的抗弯承载力占下法兰的比例k为3％-9％。故在工程实例计算中，应根据不同埋深来确定侧壁抗弯承载力贡献，近似地取基础环侧壁抗弯承载力为：

m侧壁＝k·m下法兰(3)

(4)基础环节点的整体抗弯承载力的计算

如果认为穿孔钢筋对抗弯承载力的贡献较小可以忽略(此时偏安全)，则基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝m下法兰+m侧壁(4)

如果考虑穿孔钢筋对抗弯承载力的贡献，则基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝m下法兰+m侧壁+m穿孔钢筋(5)

工程实例：

某风电场采用1.5mw风机，风机轮毂高度70m。机组塔架地基基础设计级别为2级，地震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s。ii类建筑场地，场区最大冻土深度为0.5m。风机均布置在山上，通过现场勘察，局部山顶岩石裸露，承载力较高。风机基础采用圆盘形混凝土浅基础，如图1所示。基础底板半径8m，基础底板外缘高度1.2m，基础底板圆台部分高度为0.8m，基础上部圆柱体半径为3m，圆柱体高度为1.3m。基础环半径2.1m，基础环高度1.65m，基础环在混凝土基础中的埋深为1.25m。

(1)基础环节点抗弯承载力的计算

该风电场风机基础环穿孔钢筋共有104根，基础环一侧穿孔钢筋数目n＝52，型号为hrb400，直径为32mm，抗拉强度设计值fy＝360n/mm²，基础环埋深l＝1.25m，混凝土保护层厚度a＝150mm，穿基础环孔钢筋的抗弯承载力按照公式(1)计算，可得m穿孔钢筋＝7026.4kn·m。

该风电场基础环外径为4.2m，内径为4.144m，下法兰宽度为250mm，基础混凝土等级为c35，局部抗压强度设计值为28.93mpa，代入公式(2)计算可得

m下法兰＝31471.5kn·m

若不考虑穿孔钢筋的贡献，根据公式(4)可得基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝37765.8kn·m

若考虑穿孔钢筋的贡献，根据公式(5)可得基础环节点的整体抗弯承载力为：

m＝44792.2kn·m

表1所示为风机荷载，由表可知，在极端荷载下，风机的弯矩荷载可达到48084kn·m，根据以上方法计算所得基础环节点的抗弯承载能力小于极端弯矩荷载，

说明该风电场的风机在遇到极端天气下的极端荷载时，风机基础环节点有可能发生破坏。

表1风机塔筒底部的设计荷载

(2)基础环参数改进

根据本文简化公式计算结果，原基础环节点并不能满足极限抗弯承载力设计要求，极有可能影响风机基础的安全运行。在不考虑穿孔钢筋对抗弯承载力贡献的情况下，通过改进基础环的参数，使基础环节点抗弯承载力能够提高，从而满足极限抗弯承载力设计要求。由前文分析可知，基础环节点抗弯承载力主要由下法兰附近混凝土抗力及基础环侧壁混凝土抗力提供，据此，可以通过改进基础环下法兰宽度和基础环埋深这两个参数来提供节点承载力。对埋深以及下法兰宽度参数进行改进后，根据公式计算，可得基础环节点极限抗弯承载力如表2所示。

通过上述计算实例，说明能够较好地计算基础环抗弯承载力，并据此进行基础环设计参数改进，从而保证基础环节点的安全。

表2基础环参数改进效果