一种风机基础裂缝开口位移计算方法及基础安全性评价方法

1.本发明涉及风力发电、新能源领域，具体涉及一种风机基础裂缝开口位移计算方法及基础安全性评价方法。


背景技术：

2.近年来我国风力发电发展迅速，装机容量增长迅猛。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预埋基础环连接。基础环是一个大直径的钢筒型构件，其下部埋置于混凝土基础之中，其顶部略高于混凝土基础顶面。通常风机基础的设计年限都超过20年。然而在过往是工程实例中发现，风机基础结构在早期会产生混凝土开裂与损伤，影响风机整体结构的安全性和可靠性。
3.由于基础环与混凝土基础的连接传力机制，基础中混凝土的起裂以及扩展难以避免。基础环底部与混凝土基础之间采用法兰连接(如图1所示)，风机机体所受的力通过环底法兰传递给混凝土基础，从而避免基础环的拔出及对混凝土击穿。这也导致了在环底法兰周围存在高应力集中。当应力达到混凝土的抗拉强度时，混凝土受拉侧会产生裂缝，降低了基础环与混凝土基础的连接强度。随着裂缝的扩展，其有可能会贯穿整个基础。稳定的裂缝扩展在工程中是可以接受的，然后不稳定的裂缝扩展会导致基础整体的突然破坏。因此，对风机混凝土基础中裂缝扩展的稳定性进行评估，根据评估结果及时对混凝土基础进行修复加固，对于提高风机基础环节点的安全性具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对风机混凝土基础内部裂缝稳定性评估困难的问题，提出一种风机基础裂缝开口位移计算方法及风机基础安全评估方法。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种风机基础裂缝开口位移计算方法及基础安全性评价方法，其特征在于，包括：基于起裂韧度的裂缝起裂开口位移cod
ini
的计算方法、裂缝失稳扩展临界开口位移codc的计算方法以及基础安全性评价；
7.基于起裂韧度的裂缝起裂开口位移cod
ini
的计算方法具体包括：
8.已知埋置于混凝土中的风机基础环下锚板的宽度为a0，混凝土基础的初始裂缝长度为a0，起裂弯矩为m
ini
，通过混凝土的起裂韧度计算基础环处裂缝起裂开口位移cod
ini
，包含以下三个步骤：
9.(1)计算混凝土起裂弯矩m
ini
，其表达式为：
10.11.式中，dm为混凝土基座的平均直径，t为基础环外混凝土基座厚度，为受弯荷载下边缘裂缝的几何修正函数，其表达式为：
[0012][0013]
(2)计算最大正应力σn，因起裂弯矩m
ini
引起的最大正应力由下式计算：
[0014][0015]
其中，ro和ri分别为混凝土基座的内、外半径；
[0016]
(3)计算裂缝起裂开口位移cod
ini
，其表达式为：
[0017][0018]
式中，e和v分别为混凝土的弹性模量和泊松比，d
p
(a0/t)为受弯荷载下边缘裂缝几何因子，其表达式为：
[0019][0020]
裂缝失稳扩展临界开口位移codc的计算方法，具体包括：
[0021]
在裂缝失稳扩展的开始阶段，假设穿过裂缝的剪力钢筋已达到屈服强度，通过以下四个步骤计算裂缝失稳扩展开始时的临界裂缝开口位移codc：
[0022]
(1)计算最大正应力σn[0023]
混凝土的最大正应力通过以下公式计算：
[0024][0025]
其中，m为外部荷载弯矩；
[0026]
(2)定义与之间的关系
[0027]
混凝土失稳韧度与外部荷载相关应力强度因子及钢筋裂缝闭合力相关应力强度因了之间的平衡关系为：
[0028][0029]
其中，在已知混凝土平面假设下的弹性模量e
′
以及断裂能gf条件下，上式三者的关系表达扩展为：
[0030]
[0031]
上式中，为裂缝失稳状态下因钢筋造成的最大裂缝闭合力，b为两排抗剪钢筋中心在周向的距离，为与钢筋裂缝闭合力相关的几何修正函数，其表达式为：
[0032][0033]
(3)采用试算方法，对步骤(2)中的公式求解计算得到解裂缝长度ac；
[0034]
(4)计算裂缝失稳扩展开始时的裂缝开张位移codc，将步骤(3)中得到的裂缝长度ac以及步骤(1)中得到的最大正应力σn代入下式求解codc：
[0035][0036]
其中，为受弯荷载下解裂缝几何因子。
[0037]
基础安全性评价包括：
[0038]
通过实测或计算得到风机服役过程中基础环处裂缝开口位移cod，通过比较cod与裂缝起裂开口临界位移cod
ini
与裂缝失稳临界开口位移codc，预测基础混凝土裂缝的扩展阶段以及评估风机基础的安全性，比较结果包括以下三种状况：
[0039]
(1)cod＜cod
ini
，裂缝不会扩展；
[0040]
(2)cod
ini
≤cod＜codc，裂缝稳定扩展；
[0041]
(3)cod≥codc，裂缝失稳扩展，需要采取维修和补救措施。
[0042]
或者，基础安全性评价包括：
[0043]
基础环周边混凝土开裂后会引起基础环产生位移fcod，通过在风机基础和/或基础环和/或风机塔筒上安装传感器(包括位移传感器、和/或倾斜传感器和/或振动传感器等)，通过传感器实测可以计算得到相应的位移fcod，通过比较fcod与裂缝起裂开口临界位移cod
ini
与裂缝失稳临界开口位移codc，预测基础混凝土裂缝的扩展阶段以及评估风机基础的安全性，比较结果包括以下三种状况：
[0044]
(1)fcod＜cod
ini
，裂缝不会扩展；
[0045]
(2)cod
ini
≤fcod＜codc，裂缝稳定扩展；
[0046]
(3)fcod≥codc，裂缝失稳扩展，需要采取维修和补救措施。
[0047]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0048]
本发明方法能够根据基础裂缝开口位移和基础环位移，评估基础环两侧混凝土基体的开裂状态及裂缝的稳定性。根据评估结果，可及时对损坏的混凝土基础采取补救措施，缩短停机时间，对于提高风机基础环节点的安全性具有重要意义。
附图说明
[0049]
图1为风机基础结构示意图；
[0050]
图2为开裂混凝土基础示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0052]
一种风机基础裂缝开口位移计算方法及基础安全性评价方法，包括：
[0053]
通过预埋基础环的竖向位移近似风机基础的裂缝开口位移cod。通过比较cod与裂缝起裂开口位移cod
ini
与裂缝失稳临界开口位移codc，预测基础混凝土裂缝的扩展阶段以及评估风机基础的安全性，比较结果包括以下三种状况：
[0054]
(1)cod＜cod
ini
，裂缝不会扩展；
[0055]
(2)cod
ini
≤cod＜codc，裂缝稳定扩展；
[0056]
(3)cod≥codc，裂缝失稳扩展，需要采取维修和补救措施。
[0057]
本发明方法使用基础环竖向位移近似风机基础混凝土内的裂缝宽度。采用双k断裂理论，分析比较基础环竖向位移与混凝土起裂开口位移及失稳开口位移，评估风机基础混凝土开裂的安全性及稳定性。根据评估结果，及时对混凝土基础进行修复加固，对于提高风机基础环节点的安全性具有重要意义。
[0058]
一种基于起裂韧度的裂缝起裂开口位移cod
ini
的计算方法，在已知混凝土基础初始裂缝长度a0及起裂弯矩m
ini
情况下，通过混凝土的起裂韧度计算裂缝起裂开口位移cod
ini
，其计算包含以下三个步骤：
[0059]
(1)计算混凝土起裂弯矩m
ini
，其表达式为：
[0060][0061]
式中，dm为混凝土基座的平均直径，t为基础还外混凝土基座厚度，为受弯荷载下边缘裂缝的几何修正函数，其表达式为：
[0062][0063]
(2)计算最大正应力σn，因起裂弯矩m
ini
引起的最大正应力由下式计算：
[0064][0065]
其中，ro和ri分别为混凝土基座的内、外半径；
[0066]
(3)计算裂缝起裂开口位移cod
ini
，其表达式为：
[0067][0068]
式中，e和v分别为混凝土的弹性模量和泊松比，d
p
(a0/t)为受弯荷载下边缘裂缝几何因子，其表达式为：
[0069][0070]
一种裂缝失稳扩展临界开口位移codc的计算方法，在裂缝失稳扩展的开始阶段，假设穿过裂缝的剪力钢筋已达到屈服强度。可通过以下四个步骤计算裂缝失稳扩展开始时的临界裂缝开口位移codc：
[0071]
(1)计算最大正应力σn[0072]
混凝土的最大正应力通过以下公式计算：
[0073][0074]
其中，m为外部荷载弯矩，可参考风机的极限设计弯矩；
[0075]
(2)定义与之间的关系
[0076]
混凝土失稳韧度与外部荷载相关应力强度因子及钢筋裂缝闭合力相关应力强度因子之间的平衡关系为：
[0077][0078]
其中，在已知混凝土平面假设下的弹性模量e
′
以及断裂能gf条件下，可根据双k断裂理论中的定义求得。因此，上式三者的关系表达可扩展为：
[0079][0080]
上式中，为裂缝失稳状态下因钢筋造成的最大裂缝闭合力，b为两排抗剪钢筋中心在周向的距离，为与钢筋裂缝闭合力相关的几何修正函数，其表达式为：
[0081][0082]
(3)采用试算法，对步骤(2)中的公式求解计算得到解裂缝长度ac；
[0083]
(4)计算裂缝失稳扩展开始时的裂缝开张位移codc，将步骤(3)中得到的裂缝长度ac以及步骤(1)中得到的最大正应力σn代入下式求解codc：
[0084][0085]
实施例：
[0086]
给定一个风机基础结构如图1所示，1为基础环，2为扩展底座，3为混凝土基础表面，4为剪切钢筋，其混凝土基础平均直径dm为5550mm，基础环1外侧厚度t为1250mm，基础环1底法兰一侧长度a0为146mm，两排抗剪钢筋中心在周向的距离b为275mm，风机的设计最大弯矩m为58100knm。基础混凝土的抗压强度f
cu
为20mpa，弹性模量e为27000mpa，泊松比v为0.167，钢筋屈服强度为400mpa。测得基础环的竖向位移为5mm。
[0087]
首先需要确定混凝土裂缝起裂开口位移cod
ini
和失稳临界开口位移codc。对于起裂开口位移cod
ini
，可根据混凝土的初始裂缝长度a0，起裂韧度以及起裂弯矩m
ini
计算。针对基础环底部周围混凝土开裂的工况，初始裂缝长度即环底法兰宽度。混凝土起裂韧度可根据混凝土抗压强度f
cu
确定
[0088]
外部荷载弯矩施加在基础环顶部。裂缝起裂所对应的临界弯矩m
ini
为：
[0089][0090]
式中，dm为混凝土基座的平均直径，t为基础环外混凝土基座厚度，a0为环底法兰宽度(如图2所示)；为受弯荷载下边缘裂缝的几何修正函数，其表达式为：
[0091][0092]
因临界弯矩m
ini
在混凝土基础受拉一侧形成的最大主应力σn的表达式为：
[0093][0094]
其中，ro和ri分别为混凝土基座的内、外半径；最终混凝土裂缝起裂开口位移cod
ini
的表达式为：
[0095][0096]
将实施例中各参数代入公式(1)-(4)，可求得cod
ini
＝0.10mm。
[0097]
对于混凝土裂缝失稳扩展临界开口位移codc，可根据混凝土的裂缝长度ac，失稳韧度以及风机设计弯矩m计算。失稳韧度可视作混凝土的材料特性，由混凝土的弹性模量e、泊松比v及断裂能gf计算求得。
[0098]
在弯矩m作用下混凝土基础受拉一侧形成的最大主应力σn的表达式为：
[0099][0100]
在不稳定裂缝扩展开始时，由于混凝土在此阶段提供的界面粘结力可以忽略不计，可假设裂缝闭合力仅由钢筋提供。因此混凝土失稳韧度与外部荷载相关应力强度
因子及钢筋裂缝闭合力相关应力强度因子三者之间的平衡关系写作：
[0101][0102]
进而扩展为：
[0103][0104]
上式中，为裂缝失稳状态下因钢筋造成的最大裂缝闭合力，b为两排抗剪钢筋中心在周向的距离，为与钢筋裂缝闭合力相关的几何修正函数，其表达式为：
[0105][0106]
根据公式(6)-(7)，可采用试算法求解得到裂缝长度ac、将上式得到的裂缝长度ac以及步及最大正应力σn代入下式求解codc：
[0107][0108]
将实施例中各参数代入公式(5)-(9)，可求得codc＝10.05mm。
[0109]
对于风机基础，直接测量混凝土内的裂缝开口位移(cod)是困难的。可采用基础环的竖向位移近似。在已知混凝土裂缝起裂开口位移cod
ini
与裂缝失稳临界开口位移codc的前提下，比较cod与cod
ini
以及codc之间的关系，可判断裂缝扩展的三个阶段：
[0110]
(1)cod＜cod
ini
，裂缝不会扩展；
[0111]
(2)cod
ini
≤cod＜codc，裂缝稳定扩展；
[0112]
(3)cod≥codc，裂缝失稳扩展，需要采取维修和补救措施。
[0113]
本实施例中基础环竖向位移cod＝5mm，属于上述裂缝扩展的第二阶段，可确定风机基础内裂缝处于稳定扩展阶段。