一種基礎環節點抗彎承載力的簡化計算方法與流程
2023-05-12 21:22:07
本發明屬於風力發電、新能源領域，尤其涉及一種基礎環節點抗彎承載力的簡化計算方法。
背景技術：
風力發電發展迅速，近年來我國興建了一大批大型風電場。風力發電機主要由機艙、葉片、塔筒、基礎環、基礎等組成，其中機艙和葉片位於塔筒的頂部，塔筒與基礎之間採用基礎環連接。基礎環是一個大直徑的鋼筒型構件，在該鋼筒的頂面和底面各有法蘭(圖1)。基礎環連接的做法是：基礎環的下部大部分埋置在基礎混凝土中，基礎環的上部有一小段高度露出於基礎混凝土，塔筒與基礎環頂面採用法蘭連接。風機所受到的巨大荷載通過基礎環傳遞到基礎中，基礎環連接是保障風機結構整體安全的重要節點。
影響基礎環節點抗彎承載力的因素眾多，比如埋深、下法蘭寬度、穿孔鋼筋、基礎混凝土強度等，各部件之間的荷載傳遞機制複雜。目前已有一些基於有限元方法的計算結果，但是有限元方法需要複雜的數值建模和計算參數準備工作，計算量也比較大。在工程設計中亟待提出簡化的計算方法。目前已有文獻中的基礎環承載力簡化計算方法仍存在不少問題，例如：1)過高估計基礎環穿孔鋼筋的承載力；2)無法考慮基礎環埋深對抗彎承載力的影響；3)對基礎環下法蘭所提供的抗彎承載力計算不準確。總之，尚沒有公認合理的抗彎承載力計算方法。在設計過程中，若對基礎環的受力分析不夠細緻全面，則會造成對基礎環受力性狀的誤判，影響結構安全和風機正常運行。為此，有必要研究風機基礎環節點的承載力性狀、力的傳遞機制以及破壞機理，進而完善有關風機基礎節點設計方法。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有風機基礎環抗彎承載力設計方法的不足，提出一種基礎環節點抗彎承載力的簡化計算方法，該方法能夠對風機基礎環進行抗彎承載力覆核和設計，根據計算結果，改進基礎環的設計參數，對於提高風機基礎環節點的安全性具有重要意義。
本發明解決技術問題所採用的技術方案如下：一種基礎環節點抗彎承載力的簡化計算方法，該方法包括如下步驟：
(1)基礎環穿孔鋼筋的抗彎承載力的計算
考慮鋼筋應力不均勻性，穿孔鋼筋的抗彎承載力m穿孔鋼筋採用如下公式計算：
其中，n為基礎環穿孔鋼筋數目的一半，fy為鋼筋的屈服應力，as為一根穿孔鋼筋的截面面積，l為基礎環埋深，a為穿孔鋼筋的混凝土保護層厚度；
(2)基礎環下法蘭的抗彎承載力的計算
當基礎環節點受到彎矩作用時，下法蘭在混凝土反力作用下所提供的彎矩如下：
其中，β為下法蘭混凝土應力不均勻係數取值，r中為基礎下法蘭內半徑r1和外半徑r2之和的一半，twidth為基礎環下法蘭的寬度，βc為混凝土強度影響係數，βl為混凝土局部受壓時的強度提高係數，fc為混凝土軸心抗壓強度；
(3)基礎環側壁的抗彎承載力的計算
根據不同埋深來確定側壁抗彎承載力貢獻，近似地取基礎環側壁抗彎承載力為：
m側壁＝k·m下法蘭
其中，k為基礎環側壁的抗彎承載力佔下法蘭的比例；
(4)基礎環節點的整體抗彎承載力的計算
如果忽略穿孔鋼筋對抗彎承載力的貢獻，則基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝m下法蘭+m側壁
如果考慮穿孔鋼筋對抗彎承載力的貢獻，則基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝m下法蘭+m側壁+m穿孔鋼筋。
本發明的有益效果如下：1)能夠考慮到基礎環是圓形結構，鋼筋應力沿圓周環向不同位置處應力的不同，這樣給出的計算公式對鋼筋所能提供的抗彎承載力計算更準確。2)計算方法能夠考慮到基礎環埋深對鋼筋抗彎承載力的影響。3)能夠考慮到基礎環下法蘭混凝土應力分布的不均勻性，並給出了下法蘭處混凝土所提供的抗彎承載力計算公式。4)給出了基礎環側壁的抗彎承載力計算公式。5)通過對每個承載機理的分析，掌握了基礎環總的抗彎承載力的構成要素，給出了一個比較精確的計算方法，採用該方法能夠更合理的評估基礎環節點的承載力，有助於提高風機基礎結構的安全性。
附圖說明
圖1為基礎環示意圖；
圖2為基礎環下法蘭混凝土作用力示意圖；
圖中，基礎環上法蘭1，基礎環穿孔鋼筋2，基礎環3，基礎環下法蘭4，混凝土基礎5，下法蘭內徑r1，下法蘭外徑r2。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
風機上部結構主要承受水平風荷載作用，水平荷載通過塔筒與基礎環的連接傳遞到基礎上，形成塔筒底部彎矩作用和水平剪力作用，其中對風機基礎節點影響最大的是彎矩作用，這部分彎矩作用主要由基礎環穿孔鋼筋、基礎環下法蘭與混凝土的錨固、基礎環側壁混凝土抗力承擔。本發明的設計方法基於此三部分組成。
(1)基礎環穿孔鋼筋的抗彎承載力的計算
在塔筒底部彎矩作用下，基礎環側壁擠壓兩側混凝土，錨固在基礎環兩側的混凝土中的穿孔鋼筋承受拉力，由於基礎環錨固在基礎混凝土中，可以認為基礎環底端是固定的，穿孔鋼筋所受的拉力對基礎環底部的中心取彎矩，形成穿孔鋼筋的抗彎承載力。
一般地，穿基礎環孔鋼筋沿圓周方向上均勻布置，鋼筋應力並不全相等，當彎矩作用方向上的鋼筋發生屈服時，其他方向上的鋼筋應力尚小於屈服應力。考慮這種鋼筋應力不均勻性，穿孔鋼筋的抗彎承載力m穿孔鋼筋可以採用如下公式計算：
其中，fy為鋼筋的屈服應力，l為基礎環埋深，n為基礎環穿孔鋼筋數目的一半；a為穿孔鋼筋的混凝土保護層厚度，as為一根穿孔鋼筋的截面面積。
(2)基礎環下法蘭的抗彎承載力的計算
當基礎環節點受到彎矩作用時，基礎環的下法蘭起到一定的錨固作用。當彎矩由左向右施加於基礎環節點時，其左側下法蘭受到混凝土的向下擠壓的作用，其右側下法蘭受到混凝土向上的反力作用，下法蘭兩側受到混凝土壓力方向相反，下法蘭在混凝土反力作用下所提供的彎矩如下：
其中，下法蘭混凝土應力不均勻係數β取值為0.25；r中為基礎下法蘭內半徑r1和外半徑r2之和的一半，如圖2所示；twidth為基礎環下法蘭的寬度；βc為混凝土強度影響係數，混凝土強度等級不超過c50時，取值1.0，當混凝土強度等級為c80時，取值0.8，其間按線性內插法確定；βl為混凝土局部受壓時的強度提高係數，按照混凝土結構設計規範(gb50010-2010)6.6.1進行計算；fc為混凝土軸心抗壓強度。
(3)基礎環側壁的抗彎承載力的計算
根據對工程實例的數值計算，不同埋深下基礎環側壁對抗彎承載力的貢獻佔下法蘭的比例有所不同，本算例中當基礎環埋深在1.2m-2.1m之間時，基礎環側壁的抗彎承載力佔下法蘭的比例k為3％-9％。故在工程實例計算中，應根據不同埋深來確定側壁抗彎承載力貢獻，近似地取基礎環側壁抗彎承載力為：
m側壁＝k·m下法蘭(3)
(4)基礎環節點的整體抗彎承載力的計算
如果認為穿孔鋼筋對抗彎承載力的貢獻較小可以忽略(此時偏安全)，則基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝m下法蘭+m側壁(4)
如果考慮穿孔鋼筋對抗彎承載力的貢獻，則基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝m下法蘭+m側壁+m穿孔鋼筋(5)
工程實例：
某風電場採用1.5mw風機，風機輪轂高度70m。機組塔架地基基礎設計級別為2級，地震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為第一組，設計特徵周期為0.35s。ii類建築場地，場區最大凍土深度為0.5m。風機均布置在山上，通過現場勘察，局部山頂巖石裸露，承載力較高。風機基礎採用圓盤形混凝土淺基礎，如圖1所示。基礎底板半徑8m，基礎底板外緣高度1.2m，基礎底板圓臺部分高度為0.8m，基礎上部圓柱體半徑為3m，圓柱體高度為1.3m。基礎環半徑2.1m，基礎環高度1.65m，基礎環在混凝土基礎中的埋深為1.25m。
(1)基礎環節點抗彎承載力的計算
該風電場風機基礎環穿孔鋼筋共有104根，基礎環一側穿孔鋼筋數目n＝52，型號為hrb400，直徑為32mm，抗拉強度設計值fy＝360n/mm2，基礎環埋深l＝1.25m，混凝土保護層厚度a＝150mm，穿基礎環孔鋼筋的抗彎承載力按照公式(1)計算，可得m穿孔鋼筋＝7026.4kn·m。
該風電場基礎環外徑為4.2m，內徑為4.144m，下法蘭寬度為250mm，基礎混凝土等級為c35，局部抗壓強度設計值為28.93mpa，代入公式(2)計算可得
m下法蘭＝31471.5kn·m
若不考慮穿孔鋼筋的貢獻，根據公式(4)可得基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝37765.8kn·m
若考慮穿孔鋼筋的貢獻，根據公式(5)可得基礎環節點的整體抗彎承載力為：
m＝44792.2kn·m
表1所示為風機荷載，由表可知，在極端荷載下，風機的彎矩荷載可達到48084kn·m，根據以上方法計算所得基礎環節點的抗彎承載能力小於極端彎矩荷載，
說明該風電場的風機在遇到極端天氣下的極端荷載時，風機基礎環節點有可能發生破壞。
表1風機塔筒底部的設計荷載
(2)基礎環參數改進
根據本文簡化公式計算結果，原基礎環節點並不能滿足極限抗彎承載力設計要求，極有可能影響風機基礎的安全運行。在不考慮穿孔鋼筋對抗彎承載力貢獻的情況下，通過改進基礎環的參數，使基礎環節點抗彎承載力能夠提高，從而滿足極限抗彎承載力設計要求。由前文分析可知，基礎環節點抗彎承載力主要由下法蘭附近混凝土抗力及基礎環側壁混凝土抗力提供，據此，可以通過改進基礎環下法蘭寬度和基礎環埋深這兩個參數來提供節點承載力。對埋深以及下法蘭寬度參數進行改進後，根據公式計算，可得基礎環節點極限抗彎承載力如表2所示。
通過上述計算實例，說明能夠較好地計算基礎環抗彎承載力，並據此進行基礎環設計參數改進，從而保證基礎環節點的安全。
表2基礎環參數改進效果