摘 要：【目的】研究基礎不均勻沉降對插環(huán)式風機基礎受力性能的影響?！痉椒ā恳院夏筹L場2.0 MW插環(huán)式風機為例，建立Abaqus模型，在塔頂施加正常運行工況、極端運行工況及疲勞工況荷載，設定基礎傾斜度值，分析基礎受力特性與應力分布情況?！窘Y果】在正常運行及疲勞工況荷載作用下，基礎不均勻沉降對基礎受力性能影響較小，在極端運行工況荷載作用下，基礎不均勻沉降使基礎混凝土應力分布呈沿環(huán)向發(fā)展規(guī)律，對基礎受力性能影響顯著?！窘Y論】基礎不均勻沉降使風電機組塔頂側移及傾覆彎矩顯著增大，對基礎混凝土受力性能產生不利影響，尤其是在極端運行工況下。因此應進行定期巡檢，確?；A沉降不超規(guī)范限值。

關鍵詞：風機基礎；不均勻沉降；有限元模擬；應力分布

中圖分類號：TU476；TM315 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.013

Study on the Impact of Uneven Settlement on the Load-Bearing

Performance of Wind Turbine Foundations with Embedded Ring

GUO Di LI Pengfei LI Jianping

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the impact of uneven settlement on the load-bearing performance of wind turbine foundations with embedded ring. [Methods] Taking a 2.0 MW turbine with embedded ring in a wind farm in Hunan as an example， the Abaqus model was established. The normal operation condition， extreme operation condition and fatigue condition load were applied on the top of the tower. The inclination value of the foundation was set， and the stress characteristics and distribution of the foundation were analyzed. [Findings] Under normal and fatigue conditions， uneven settlement minimally affects foundation performance. However， under extreme conditions， the uneven settlement of the foundation makes the stress distribution of the foundation concrete develop along the circumferential direction， which has a significant influence on the mechanical performance of the foundation. [Conclusions] Uneven settlement increases lateral displacement and overturning moments at the wind turbine tower top， detrimentally affecting concrete's structural capacity， especially in extreme conditions. Regular inspections are vital to ensure settlement remains within acceptable limits.

Keywords： wind turbine foundation; uneven settlement; finite element simulation; stress distribution.

0 引言

風力發(fā)電機組屬于高聳結構，當基礎發(fā)生不均勻沉降時塔頂結構會發(fā)生側移，并形成附加偏心力矩，使基礎有發(fā)生損傷甚至加劇損傷的風險。根據《風力發(fā)電工程施工與驗收規(guī)范》（GB/T 51121—2015）［1］的有關規(guī)定，從風機建設開始到地基沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)之前，都需要對風機基礎進行沉降實時監(jiān)測或定期檢測?！讹L力發(fā)電機組裝配和安裝規(guī)范》（GB/T 19568—2017）［2］規(guī)定在完成風機插環(huán)吊裝程序后，應用專業(yè)水平儀進行插環(huán)上表面平整度檢驗。為保證風電機組安全運行，規(guī)范要求觀測所得插環(huán)上法蘭水平度不得大于3 mm。對于基礎發(fā)生不均勻沉降的情況，按《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》（NB/T 10311—2019）［3］規(guī)定的公式[tanθ=s1?s2bs]計算所得傾斜度，分別為風機輪轂高度H>120 m時傾斜度限值為3‰、風機輪轂高度90 m<H≤120 m時傾斜度限值為4‰、風機輪轂高度70 m<H≤90 m時傾斜度限值為5‰、風機輪轂高度H≤70 m時傾斜度限值為6‰，隨塔筒高度的增加，傾斜度與沉降規(guī)定值變小。在實際工程中，為保證風機沉降值及傾斜度不超規(guī)范限值，風電場應每年組織人員進行巡檢，但檢測結果存在虛測、漏測，從而危害風機安全，給風場造成不必要的損失。

目前，國內外對風機基礎不均勻沉降相關研究較為欠缺。邢占清等［4］在實際工程中發(fā)現，由于地層不均勻、設計方案不合理、施工工藝不當等原因，都會造成建筑物產生不均勻沉降或沉降過大。徐亞洲等［5］發(fā)現基礎傾斜的缺陷對塔頂峰值位移在一定程度上有放大作用，使得風機結構的可靠度下降，進而危害風機結構安全?，F有針對基礎受力性能分析的研究考慮更多的是基礎擴容加固、大容量風機、土體-結構相互作用等在特定工況下對基礎受力特性的分析，目前尚未涉及基礎不均勻沉降對基礎受力性能的影響研究。

本研究基于湖南某風場2.0 MW風機建立整體有限元模型，對基礎設定不同傾斜度值，以分析基礎發(fā)生不均勻沉降的情況。根據相關的荷載報告資料，分別考慮3種荷載工況（正常運行工況、極端運行工況、疲勞工況）進行有限元分析，研究基礎在各荷載工況下基礎不均勻沉降對基礎受力性能的影響。

1 工程概況與有限元風機模型

1.1 工程概況

湖南郴州某風場的2.0 MW風力發(fā)電機機組，地處丘陵，海拔900～1 500 m，年平均風速7.5 m/s。該風力發(fā)電機的設計壽命20 a，機艙和發(fā)電機總重量84.4 t，輪轂高度80 m，切入風速3.0 m/s，額定風速10.5 m/s，切出風速25.0 m/s。風機基礎形式為圓形臺柱重力拓展基礎，設計等級為乙級臺柱式重力拓展基礎，安全等級為二級，具體參數如圖1所示。

1.2 荷載工況及模型材料參數

本研究將葉輪、輪轂、機艙等塔筒上部結構等效為施加在有限元模型塔頂的一個質量塊，選用剛性耦合將該質量塊耦合于塔頂約束點。將塔頂上部結構傳來的豎向重力荷載Fy、水平荷載Fx施加到該約束點上。對風機模型整體自重施加重力荷載。根據風場提供的荷載報告，具體荷載工況見表1。

該風機基礎類型屬于插環(huán)式風機基礎，將基礎插環(huán)作為連接件連接上部塔筒及混凝土基礎部件。該基礎主體為圓形拓展基礎，基礎混凝土強度等級選用C40，墊層選用C15混凝土，基礎插環(huán)鋼材強度等級選用Q345，基礎部分鋼筋籠采用HRB400鋼筋。各材料具體參數見表2。

1.3 Abaqus有限元模型

根據該風場提供的資料，基于Abaqus有限元分析軟件建立塔筒-基礎耦合模型。將塔頂上部結構（葉輪、機艙、輪轂）等效為一個質量塊，該質量塊與塔筒、各級塔筒之間及塔筒與基礎插環(huán)之間均采用綁定約束連接，基礎插環(huán)與基礎混凝土之間接觸關系為摩擦接觸（摩擦因數為0.35），鋼筋籠與基礎整體采用內置區(qū)域連接。塔筒、基礎混凝土、基礎插環(huán)均采用C3D8R單元，鋼筋籠采用T3D2單元。

塔筒、基礎插環(huán)及鋼筋籠均屬于鋼材，可通過鋼材對應的材料屈服應力定義塑性。對于基礎部分C40混凝土選用對應的混凝土損傷模型，底部C15混凝土墊層選用相應的彈性本構模型。

基礎傾斜示意如圖2所示。風機傾斜度一般包括基礎不均勻沉降導致的傾斜δ1、基礎環(huán)安裝誤差導致的傾斜δ2、風機運行過程中基礎內部損傷導致的傾斜δ3。本研究僅考慮基礎不均勻沉降所引起的傾斜度。δ1分別取值為 0‰、1‰、3‰、5‰、7‰、10‰，基于建立的有限元模型，分別施加正常運行工況、極端運行工況及疲勞工況下的荷載（豎向重力荷載為Fy、水平荷載Fx、合力矩Mz）至塔頂耦合約束點上。

2 有限元數值模擬結果分析

2.1 塔頂側移及附加彎矩

塔頂側移隨傾斜度的變化如圖3所示，傾覆彎矩如圖4所示。分析可知，在3種不同荷載工況作用下，風機塔頂側移及傾覆彎矩都會隨基礎傾斜度的增加呈不斷上升趨勢，極端工況下影響最大。在傾斜度10‰時塔頂側移可達2.243 m，增加0.844 m，傾覆彎矩達7.42×104 kN·m，增加2 240 kN·m?；A不均勻沉降對風機側移及傾覆彎矩的影響較大。

2.2 基礎插環(huán)受力性能分析

各工況下基礎插環(huán)Mises應力如圖5所示。由圖5可知，在3種荷載工況作用下，隨著基礎傾斜度的增大，基礎插環(huán)Mises應力不斷增大，最大應力出現在插環(huán)背風側上法蘭。這種趨勢在極端運行工況下更為明顯。極端運行工況下傾斜度插環(huán)應力如圖6所示。由圖6可知，隨著基礎傾斜度的不斷增大，插環(huán)應力區(qū)域分布未發(fā)生明顯變化。

2.3 基礎混凝土受力性能分析

各工況下基礎混凝土應力變化的情況如圖7所示。由圖7可知，基礎混凝土最大拉應力與最大壓應力分別位于背風側下法蘭底部區(qū)域及迎風側下法蘭內側區(qū)域，在正常運行及疲勞工況下發(fā)展趨勢較為接近，都隨基礎傾斜度的增大呈上升趨勢，應力分布區(qū)域未發(fā)生明顯變化。在極端運行工況下，混凝土最大拉應力隨基礎傾斜度的增大呈逐漸下降趨勢，最大壓應力呈上升趨勢，此時混凝土的應力分布區(qū)域發(fā)生變化。極端運行工況下基礎混凝土應力如圖8所示。由圖8可知，最大拉應力出現在背風側下法蘭底部區(qū)域，隨著基礎傾斜度的增大沿環(huán)向向內發(fā)展，最大壓應力出現在迎風側下法蘭內側區(qū)域，隨著基礎傾斜度的增大沿環(huán)向向外發(fā)展。

3 結論

本研究利用Abaqus有限元模型仿真模擬，分析了湖南某風場2.0 MW陸上風機在3種荷載工況作用下，基礎不均勻沉降對基礎受力性能影響，具體結論如下。

①基礎不均勻沉降對塔頂側移及基礎傾覆彎矩的影響顯著；在3種不同運行工況荷載作用下，插環(huán)Mises應力隨傾斜度的增大而增大。

②在正常運行及疲勞工況荷載作用下，基礎混凝土應力隨著基礎傾斜度的增大，呈現上升趨勢，應力分布區(qū)域未發(fā)生明顯變化；在極端運行工況荷載下，基礎混凝土應力分布區(qū)域呈現沿環(huán)向發(fā)展的規(guī)律，基礎不均勻沉降對基礎混凝土的受力性能影響較大，應確保基礎沉降相關指標不超規(guī)范限值。

參考文獻：

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.風力發(fā)電工程施工與驗收規(guī)范：GB/T 51121—2015［S］. 北京：中國計劃出版社，2015.

［2］全國風力機械標準化技術委員會.風力發(fā)電機組裝配和安裝規(guī)范：GB/T 19568—2017［S］.北京：中國質檢出版社，2017.

［3］國家能源局.陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范：NB/T 10311—2019［S］. 北京：中國水利水電出版社，2019.

［4］邢占清，王春，符平，等.響水風電場風機基礎沉降觀測與分析［J］. 水利水電技術， 2009， 40（9）： 67-70.

［5］徐亞洲， 時文浩， 任倩倩.考慮初始傾斜的風機塔近場抗震可靠度分析［J］.地震工程學報，2022， 44（5）： 1009-1016.