張立英，郝華庚，何延福，王海軍，王獻(xiàn)文，曾 聰

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華能隴東能源有限責(zé)任公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000；3.天津大學(xué)水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；4.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；5.華能吉林發(fā)電有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012；6.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來(lái)，隨著對(duì)可再生能源需求的增加和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速[1]。風(fēng)能作為一種可再生能源，被廣泛應(yīng)用且是未來(lái)能源發(fā)展的重要方向之一[2-3]。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電可以減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，且設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響較小[4]。相較于海上風(fēng)電，陸上風(fēng)電的建設(shè)成本較低，投資回報(bào)周期較短，使得陸上風(fēng)電成為可再生能源領(lǐng)域的熱門選擇[4]。

目前陸上風(fēng)電基礎(chǔ)形式包括重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)等[5]。其中，梁板基礎(chǔ)具有經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但存在配筋復(fù)雜，模板支撐難度大以及施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題[5-6]。為充分發(fā)揮梁板式基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，并解決限制其推廣應(yīng)用中面臨的技術(shù)問(wèn)題，諸多學(xué)者參考裝配式建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開(kāi)展了各類型裝配式梁板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究[7-10]。郝華庚等[11]提出了一種預(yù)制裝配式風(fēng)電梁板基礎(chǔ)，為加強(qiáng)裝配式基礎(chǔ)臺(tái)柱間的連接，基礎(chǔ)臺(tái)柱間設(shè)有剪力鍵，用以強(qiáng)固連接，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在鋼混結(jié)構(gòu)中，剪力鍵是一種用于傳遞剪切力的連接裝置[12-13]，承擔(dān)著傳遞水平力和剪力的重要作用通常用于連接混凝土構(gòu)件的水平面，如梁與柱、梁與梁等[14-15]。

本文以新型預(yù)制裝配式梁板基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)該基礎(chǔ)臺(tái)柱剪力鍵部分受力特性進(jìn)行了研究。

1 臺(tái)柱剪力鍵介紹

結(jié)合既有裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并綜合考慮運(yùn)輸施工的便捷性，郝華庚等[11]提出了新型陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式單塊雙肋板梁板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。每塊預(yù)制基礎(chǔ)體積為22.55 m3(約56.375 t)，單臺(tái)基礎(chǔ)C40混凝土用量約360.84 m3(約902.1 t)，鋼筋用量約45.28 t；同機(jī)位擴(kuò)展基礎(chǔ)C40混凝土用量515.47 m3，鋼筋用量52.46 t。兩者相比，新型陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式單塊雙肋板梁板基礎(chǔ)混凝土用量減少了30.00%，鋼筋用量減少了34.69%。同時(shí)，混凝土預(yù)制件采用工場(chǎng)批量化室內(nèi)預(yù)制，可較大幅度地降低造價(jià)、保證質(zhì)量并提高效率。單臺(tái)基礎(chǔ)由16塊扇形雙肋板預(yù)制塊體組成，臺(tái)柱中部設(shè)有環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，臺(tái)柱間設(shè)有剪力鍵，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

為防止基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在剪切力作用下發(fā)生滑動(dòng)或分離，同時(shí)增加連接件的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性、增加結(jié)構(gòu)的抗剪能力，在臺(tái)柱間設(shè)置有剪力鍵，剪力鍵布置如圖2所示。

圖2 剪力鍵布置

在實(shí)際施工過(guò)程中，剪力鍵通過(guò)在基礎(chǔ)臺(tái)柱之間進(jìn)行灌漿來(lái)實(shí)現(xiàn)，即首先需要在臺(tái)柱之間預(yù)留有一定寬度和深度的縫隙，后將風(fēng)電高強(qiáng)灌漿材料注入縫隙中。施工過(guò)程中需要注意灌漿材料的選擇和灌漿質(zhì)量的控制，以確保剪力鍵的有效性和可靠性。在灌漿過(guò)程中，需要確保灌漿材料充分填充縫隙，使其與臺(tái)柱之間形成緊密的粘結(jié)。為了保證灌漿的質(zhì)量，需采用振動(dòng)棒或其他工具來(lái)排除空氣和雜質(zhì)，以確保灌漿材料的均勻性和密實(shí)性。

2 理論計(jì)算

為明確基礎(chǔ)臺(tái)柱剪力鍵抗剪承載力是否滿足要求，通過(guò)美國(guó)AASHTO規(guī)范[16-17]、Rombach論文中的建議公式[18]以及修正后AASHTO規(guī)范建議公式[19]3種計(jì)算方式進(jìn)行理論計(jì)算。剪力鍵尺寸如圖3所示。

圖3 剪力鍵尺寸(單位：mm)

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》7.3.5可知[20]，在計(jì)算圓形、環(huán)形基礎(chǔ)底板強(qiáng)度時(shí)，取基礎(chǔ)外懸中點(diǎn)處的基底最大壓力p作為基底均布荷載，即

(1)

式中，N為作用效應(yīng)基本組合上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的軸力設(shè)計(jì)值(不包括基礎(chǔ)底板自重及基礎(chǔ)底板上的土重)，kN；M為作用效應(yīng)基本組合上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的力矩設(shè)計(jì)值，kN·m；A為基礎(chǔ)底板的面積，m2；I為基礎(chǔ)地板的慣性矩，m4；R為基礎(chǔ)底板半徑，m；r為環(huán)形臺(tái)柱半徑，m。

由公式(1)求得基礎(chǔ)底部均布應(yīng)力為94.36 kPa，由于單塊預(yù)制基礎(chǔ)底面積為19.26 m2，則單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力為1 817.48 kN，單塊單側(cè)剪力為908.74 kN。

2.1 計(jì)算方式一

根據(jù)美國(guó)AASHTO規(guī)范[16-17]，接縫面的抗剪承載力包括剪力鍵提供的抗剪貢獻(xiàn)以及接觸部分的混凝土提供的摩擦貢獻(xiàn)2部分?？辜舫休d力計(jì)算公式為

(2)

式中，Ak為剪力鍵根部面積；Asm為接觸部分的混凝土面積；fck為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度；σn為接縫面平均壓應(yīng)力水平。

由式(2)求得單個(gè)剪力鍵的抗剪承載力為965.60 kN，預(yù)制塊單側(cè)布置6個(gè)剪力鍵，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力為5 793.6 kN。

V設(shè)計(jì)=1.1×908.74=999.61 kN<5 793.6 kN，基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計(jì)值小于式(2)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

2.2 計(jì)算方式二

根據(jù)Rombach論文中的建議公式[18]可得

Vu=0.14Akfc+0.65Ajointσn

(3)

式中，Vu為抗剪承載力；Ajoint為截面總面積，Ajoint=Ak+Asm；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

由式(3)求得單個(gè)剪力鍵的抗剪承載力為555.5 kN，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力為3 333.2 kN。V設(shè)計(jì)=1.1×908.74=999.61 kN<3 333.2 kN，說(shuō)明基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計(jì)值小于式(3)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

2.3 計(jì)算方式三

沿用美國(guó)AASHTO規(guī)范建議公式并進(jìn)行修正[19]，考慮剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù)修正后的抗剪承載力計(jì)算表達(dá)式為

(4)

式中，k值反應(yīng)了剪力鍵中剪應(yīng)力的峰值效應(yīng)，參考相關(guān)論文及計(jì)算，本次計(jì)算取k=1.06。

由公式(4)求得單個(gè)剪力鍵的抗剪承載力為915.3 kN，則預(yù)制塊單側(cè)剪力鍵的抗剪承載力5 491.8 kN。V設(shè)計(jì)=1.1×908.74=999.61 kN<5 491.8 kN，說(shuō)明基礎(chǔ)單塊單側(cè)剪力設(shè)計(jì)值小于公式(4)算得基礎(chǔ)預(yù)制塊單側(cè)抗剪承載力，滿足要求。

通過(guò)上述3種剪力鍵理論計(jì)算方法可知，剪力鍵所承受的內(nèi)力均小于其抗剪承載力，因此剪力鍵不會(huì)發(fā)生破壞或變形，陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺(tái)柱剪力鍵的抗剪承載力滿足要求。

3 三維數(shù)值仿真模擬

采用ABAQUS有限元軟件，建立基礎(chǔ)-臺(tái)柱剪力鍵灌漿-土體的原型有限元模型，有限元模型如圖4所示。基礎(chǔ)及臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分均采用3D實(shí)體單元(C3D8R)模擬，基礎(chǔ)材料為C40混凝土，臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分材質(zhì)為風(fēng)電高強(qiáng)C110混凝土?；A(chǔ)底部土體采用彈性地基進(jìn)行模擬，土體底部采用全約束，土體側(cè)向采用反對(duì)稱邊界條件。

圖4 剪力鍵有限元示意

在實(shí)際施工過(guò)程中，需對(duì)臺(tái)柱部分進(jìn)行灌漿處理，即剪力鍵及基礎(chǔ)臺(tái)柱中間的縫隙部分均為高強(qiáng)混凝土。在數(shù)值模擬中，臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分與臺(tái)柱之間采用綁定接觸進(jìn)行模擬。基礎(chǔ)上覆土重力為18 352.69 kN，在基礎(chǔ)法蘭頂部耦合一個(gè)加載點(diǎn)以施加風(fēng)機(jī)荷載，所施加荷載分別為：水平荷載626.979 kN；豎向荷載4 035 kN；彎矩荷載63 142.9 kN·m。

3.1 基礎(chǔ)應(yīng)力及臺(tái)柱剪力鍵部分位移云圖

基礎(chǔ)及臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分的混凝土拉、壓應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)及臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分的混凝土有限元計(jì)算結(jié)果

基礎(chǔ)材質(zhì)為C40混凝土，臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分材質(zhì)為C110風(fēng)電高強(qiáng)灌漿料。由圖5可知：該工況下基礎(chǔ)最大拉應(yīng)力為2.36 MPa，小于C40混凝土ftk=2.39 MPa；基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力為14.20 MPa，小于C40混凝土fck=26.8 MPa，基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足要求。該工況下臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分最大拉應(yīng)力為3.07 MPa；剪力鍵灌漿部分最大壓應(yīng)力為15.67 MPa，由于C110灌漿料一天強(qiáng)度可達(dá)30～50 MPa以上，故臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分的強(qiáng)度滿足要求。

3.2 基礎(chǔ)及剪力鍵灌漿部分剪力結(jié)果

提取主風(fēng)向所對(duì)的單塊預(yù)制基礎(chǔ)的有限元計(jì)算結(jié)果，其剪力有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示，單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力為1 645.0 kN。

圖6 單塊基礎(chǔ)單側(cè)剪力有限元計(jì)算結(jié)果

提取主風(fēng)向所對(duì)的單塊預(yù)制基礎(chǔ)兩側(cè)臺(tái)柱剪力鍵灌漿的有限元計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。臺(tái)柱上部剪力鍵的剪力值大于下部剪力鍵，是由于荷載及支撐條件的不同所導(dǎo)致的。由上至下6層剪力鍵剪力值分別為583.5、576.0、559.6、470.3、456.0、450.9 kN，單個(gè)剪力鍵剪力有限元結(jié)果平均值為516.07 kN。

圖7 臺(tái)柱剪力鍵灌漿部分剪力有限元計(jì)算結(jié)果

3.3 理論計(jì)算與有限元結(jié)果對(duì)比

單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力及單個(gè)剪力鍵的剪力理論理論計(jì)算值以及有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果對(duì)比 kN

由表1可知，單塊預(yù)制基礎(chǔ)及單個(gè)剪力鍵的剪力有限元結(jié)果均小于理論計(jì)算結(jié)果，均在合理范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力結(jié)果誤差為9.51%；基于3種理論計(jì)算方法的單個(gè)剪力鍵的剪力值相較于有限元結(jié)果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲(chǔ)備，平均具有1.32倍的安全儲(chǔ)備，平均具有1.32倍的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)理論計(jì)算及有限元分析明晰了陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺(tái)柱剪力鍵部分的受力特性，得出主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)美國(guó)AASHTO規(guī)范、Rombach論文中的建議公式以及修正后AASHTO規(guī)范建議公式3種方式進(jìn)行理論計(jì)算可知，陸上風(fēng)電預(yù)制裝配式基礎(chǔ)臺(tái)柱剪力鍵受力滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬可知，基礎(chǔ)及臺(tái)柱剪力鍵的受力均滿足強(qiáng)度要求。

(3)單塊預(yù)制基礎(chǔ)及單個(gè)剪力鍵的剪力有限元結(jié)果均小于理論計(jì)算結(jié)果。單塊預(yù)制基礎(chǔ)的剪力結(jié)果誤差為9.51%；基于3種理論計(jì)算方法的單個(gè)剪力鍵的剪力值相較于有限元結(jié)果分別具有1.47倍、1.07倍、1.44倍的安全儲(chǔ)備。