试析如何控制风电场风机基础施工中常见的质量问题

试析如何控制风电场风机基础施工中常见的质量问题

曹梦春,张林松,李灿辉

中国电建集团河南工程有限公司 河南省郑州市 450000

摘要：风电作为可再生能源的核心主体之一，经过近些年的大力发展，逐步形成了对电力系统的支撑作用。在大规模的风电设施建设和发展过程中，倒塌、基础倾覆等安全事故时有发生。风机基础结构的安全服役状态是风电机组安全运行的重要保障，风机基础为大体积混凝土结构，施工、养护技术条件不当或环境影响及荷载异常均可能造成基础混凝土不同程度开裂，混凝土开裂后对结构耐久性或安全性可能存在不利影响。

关键词：风电场；风机

本文以某存在开裂损伤的风机基础为例，通过对存在开裂损伤的既有风机基础的现场调查、检测及数值模拟等方式对其开裂原因及影响进行分析、评价，并提出有针对性的处理建议。

1 工程概况

某风机基础于1999年建成投入使用，采用钢筋混凝土扩展基础，基础混凝土设计强度等级为C35，基础埋深2.60 m，台柱顶面为正八边形，边长1.49 m，台柱高1.80 m;基础底板为11.60 m×11.60 m，锚板底部锚固端埋深在台柱顶面以下1.75 m处(图1）。

2021年年初现场巡视发现该基础的台柱顶面及侧面混凝土多处开裂。

图1 基础外形尺寸mm 

2 调查与检测

2.1 开裂损伤调查

1)风机塔筒外部台柱顶面混凝土多处开裂，裂缝以径向为主。对裂缝进行剔凿和钻芯检查发现，西南侧台柱侧面可见部分裂缝明显向下发展，裂缝宽度沿发展方向逐渐减小。

2)塔筒内部基础台柱顶面混凝土也发生多处开裂现象;对Ⅰ号裂缝进行钻芯检查发现，裂缝沿1号～3号孔位方向，由台柱顶面从上向下(越来越深)斜向发展，裂缝宽度沿发展方向逐渐减小。

3)在主风向对称方位点的台柱西南侧斜向取芯探测锚固端附近混凝土情况。检查结果表明，风机基础锚固端周边混凝土无明显开裂、挤压破坏、脱空等缺陷或损伤。

2.2 基础现状检测

1)基础环水平度最大偏差为2.5 mm，未见显著偏差。

2)钻芯法检测基础混凝土抗压强度，结果标明，该基础混凝土的抗压强度最小值为62.8 MPa，满足设计要求。

3)采用非金属超声检测仪及裂缝测宽仪对塔筒内、外各裂缝进行检测。

3 数值模拟及裂缝成因分析

3.1 数值模拟

采用ABAQUS有限元软件，建立风机基础模型进行数值模拟加载，分析风机基础运行过程中基础开裂部位的受力特点，从而分析评价现有裂缝与基础受力的相关性。

根据设计图纸并结合现场实测结果，建立基础模型。基础台柱尺寸、材料强度及主要受力钢筋布置依据设计图纸确定。在不影响基础开裂部位力学行为特征的前提下，锚板和锚固端等效为连续环状建模以便于单元划分及接触面设置，远离开裂部位的基础放脚边缘则等效为圆形建模。

1)混凝土模型参数。混凝土材料采用CDP塑性损伤本构模型，材料强度采用设计混凝土强度(C35)。

2)钢筋模型参数。采用Truss杆单元(拉压杆模型)模拟锚板两侧主受力钢筋。钢筋材料强度依据设计强度(HRB335)确定，材料本构采用二折线弹塑性本构模型。

3)接触设置。钢筋单元与混凝土单元通过ABAQUS的内置区域命令进行连接，不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移;锚板和底部锚固端通过装配命令，放置于基础混凝土预留的孔道中。锚板接触面与混凝土内孔道接触面采用“表面与表面接触”的命令进行接触，允许锚板与孔道表面接触后分离，以此来模拟锚板与混凝土基础内部的接触及传力。

4)荷载条件。基础所受荷载主要为上部风机传来的竖向荷载、水平荷载和弯矩，其中弯矩荷载起主要控制作用。由于原设计荷载资料缺失，故在模拟时，采用逐级加载的方式，逐步分析在不同荷载作用等级条件下，基础的受力特点变化规律及可能的导致的开裂特征。

5)计算结果。在上部荷载作用下，弯矩荷载起主要控制作用，台柱混凝土竖向受力主要表现为锚固端水平锚板上、下侧混凝土受到的竖向压力作用。在弯矩作用的受拉侧，当荷载水平较低时，在水平锚板边缘附近产生较大的主拉应力;随着荷载作用等级的提高，水平锚板边缘混凝土裂缝发展，应力释放，而其斜上方混凝土主拉应力进一步增大。加载阶段二对应的受力状态为锚板两侧竖向主受力筋最大应力达到设计强度值，加载阶段一的弯矩作用为加载阶段二的60%。

3.2 裂缝成因分析

1)基础水平度未见异常，裂缝部位钢筋未见锈蚀，可排除沉降及化学反应导致的混凝土开裂。

2)环境温差作用导致的裂缝，一般情况下上宽下窄。台柱截面尺寸大，温差作用下基础混凝土内部易产生拉应力;而该基础内部抗裂构造配筋较少，一旦产生拉应力，极易导致裂缝的产生和快速发展，基础台柱裂缝特征与温度裂缝特征基本一致。

3)收缩裂缝是混凝土在硬化过程中发生体积变化而导致。圆形基础如收缩过程受到约束作用，易产生径向裂缝。塔筒外侧裂缝特征与收缩裂缝具有一定相似性。

4)由数值模拟结果可知，在上部荷载作用下，基础内部锚固端附近及其斜上方将产生一定的拉应力作用。温度、收缩应力与上部荷载产生的应力耦合作用下，将加速裂缝的产生和发展。

综上分析，基础塔筒外侧裂缝特征与温度、收缩裂缝一致;塔筒内部裂缝特征总体与温度裂缝基本一致，但部分裂缝走向与主拉应力效应相符。

4 结束语

4.1 安全性影响

GB50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》中规定:当混凝土构件出现过宽的受拉裂缝时，尚应分析其不利情况对承载能力评级的影响，且承载能力项目评定等级不应高于b级;GB50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》中，对于钢筋混凝土构件因温度、收缩等作用产生的裂缝，给出不适于继续承载的裂缝宽度限值。对于正常环境和高湿度环境下的主要构件，分别为0.75 mm和0.6 mm。

该基础混凝土严重开裂，最大裂缝宽度5.80 mm，最大裂缝深度1.2 m，塔筒内部部分裂缝走向与主拉应力效应相符。基础的带裂缝工作状态极不符合国家现行标准对安全性的要求。此外，风机作为承受动荷载的高耸结构，其基础刚度对风电机组的动力响应有较大影响，基础存在严重开裂现象，将削弱其水平刚度，不利于风电机组的后续安全正常运行。

4.2 处理建议

1)对基础台柱存在的裂缝进行注浆修补，恢复截面整体性。

2)塔筒内部增设竖向钢筋，提高塔筒内部台柱承载能力，并控制台柱内部裂缝发展;台柱顶面及侧面，增设预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层，提高塔筒外侧台柱承载能力，并控制台柱表面裂缝的发展。

参考文献

[1] 陈加兴.风机基础混凝土裂缝数值分析及加固方案研究[J].河南科技，2021，23:98-102.

[2] 张立英，关庆华，陈俊岭.某风机基础混凝土低强度对基础安全性的影响分析[J].西北水电，2020(增刊1):120-124.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.工业建筑可靠性鉴定标准:GB 50144—2019[S].北京:中国建筑工业出版社，2019.

[4] 四川省住房和城乡建设厅.民用建筑可靠性鉴定标准:GB50292—2015[S].北京:中国建筑工业出版社，2016.

[5] 陆上风电场工程风电机组基础设计规范:NBT 10311—2019[S].

[6] 高鹏飞，张俊傥，徐刚.某风电场风机基础损伤原因分析[C]//工业建筑2018年全国学术年会论文集(下册)，2018:813-814，839.