风机基础承台的有限元分析

【摘要】本文通过一个风机基础承台有限元计算，从定量的角度对风机基础承台的受力机理个传力过程进行了分析。在计算中发现，桩基础与基础承台的连接形式对承台的计算影响较大，经过分析认为桩与承台铰接，计算比较简单、合理。在基础承台分析中得到最大应力往往发生在风塔柱墩的边沿处，为承台经济配筋划定范围。

【关键词】有限元基础承台应力

Abstract: This article through the calculation of a fan foundation finite element, from the point of view of the quantitative, analyzed the stress process of fan foundation, found in calculation, connected form of pile foundation and foundation platform have great influence on the calculation of pile caps, through analysis that the computation is reasonable when pile and pile caps is hinged. In the analysis of foundation platform we can see, the maximum stress often occur in the edge of the buttress, which delimit limits for the economic reinforcement of bearing platform.

Keywords: finite element; foundation platform; stress

中图分类号：C35文献标识码： A

1．提出问题

在《风电机组地基基础设计规定（试行）》FD003-2007（以下简称《规定》）中基础计算一节，只对正方形基础承台做了简单、单一的计算。在实际工程中，却很少采用正方形风机基础承台。给实际工程设计带来很多问题。工程中大多采用：圆形、六边形基础，圆形基础居多。本文主要以圆形基础承台为例，通过有限元分析，揭示圆形基础承台的受力机理，分析基础在风荷载作用下的应力分布情况，为实际工程设计提供参考。

2．工程概况

2．1 工程地质

地基土层结构力学参数值 表1

地基土层结构力学参数值

土层编号 岩土名称 厚度（m） 重力密度(kN/m3) 弹性模量(MPa) 泊松比

1 粉砂 10.50 17.60 5.60E+07 0.30

2 粉质黏土 3.50 17.60 1.55E+07 0.38

3 粉砂 1.30 20.00 8.00E+07 0.30

4 粉质粘土 7.70 19.50 4.00E+07 0.38

5 粉质粘土砂 4.40 19.70 3.40E+07 0.38

6 粉质粘土 4.80 20.10 4.45E+07 0.38

7 粉质粘土 30.00 18.00 4.85E+07 0.38

2．2 风机上部荷载见表2；

上部结构传至塔筒底部的内力标准值 表2

上部结构传至塔筒底部的内力标准值

工况名称 Fx（KN） Fy（KN） Fz（KN） Mx（KN.M） My（KN.M） My（KN.M）

极端荷载工况 1574 0 11780 153400 0 2670

正常运行荷载工况 804 0 12050 90400 0 324

罕遇地震工况 1423.6 0 2100.287 83850.2 0 270.1

疲劳荷载工况（上限） 670 220 11850.1 23050 62589 3100.9

疲劳荷载工况（下限） 20 224.12 12009 18500 10199 2854.1

依据上部荷载和岩土地质概况，风机基础采用直径800毫米的混凝土钻孔灌注桩基础，桩长25米，单桩承载力特征值计算见下示，风机基础承台设计为圆形，直径22米，基础埋深-3.00米。基础承台下布置54根桩。

单桩竖向承载力特征值由《风基规范》第9.3.8条确定。

桩基抗压极限承载力=4064.42KN

由《风基规范》第9.3.5条单桩竖向承载力特征值=2032.2KN

3．建立有限元模型

采用ANSYS计算软件，地基土采用SOLID45实体单元，承台采用SOLID65单元，灌注桩采用BEAM188单元。计算模型如图1所示。

图1 承台正锥计算模型图

4．桩与基础承台连接分析

桩与基础承台的连接常常被人忽视，是铰接还是刚接，在很多计算中都没有细致考虑过，但在有限元分析时差距较大。下图2为桩身铰接和刚接的有限元应力图。从图中可以看出，刚接时应力发生在基础承台连接处，与承台共同受力，基础承台受力比较复杂。而桩与基础承台铰接时，桩身最大应力发生在软土层附近，基础承台只受竖向荷载，承台计算应力比较简单。比较符合基础承台计算假定。所以，本工程的计算均以桩铰接模式进行，在施工图设计时，将桩身钢筋向内交叉锚固。

M=-52.356(24.637)M=-55.429（27.767）

图2

5．各工况内力计算

计算共4种工况，分别为：

极端工况：荷载取极端荷载工况，桩顶与承全铰接。

正常工况：荷载取正常荷载工况，桩顶与承全铰接。

地震工况：荷载取罕遇地震工况，桩顶与承全铰接。

疲劳工况：荷载取疲劳荷载工况，桩顶与承全铰接。

各种工况承矩和承台应力的统计如表3、表4和表5所示。

各种工况桩弯矩、剪力和轴力计算结果统计（标准值）表3

工况 极端 正常 地震 疲劳

最大压力 2105KN 1817KN 1487KN 1261KN

最大拉力 152KN 无 无 无

各种工况承矩计算结果统计（设计值） 表4

工况 承台底面最大弯矩（单位弧长） 承台顶面面最大弯矩（单位长度）

径向弯矩（KN.M） 环向弯矩（KN.M） 径向弯矩

（KN.M） 环向弯矩（KN.M）

极端工况 4208.9 3177.8 852.6 519.2

正常工况 3014.2 2599.0 735.8 463.6

地震工况 2400.8 1944.1 603.8 396.5

疲劳工况 1762.5 1435.1 492.2 301.2

各种工况承台最大应力计算结果统计（标准值） 表5

工况 承台最大应力（MPA）（正为拉应力，负为压应力）

径向应力 环向应力 竖向应力

极端工况 6.94（-10.66） 8.20（-8.13） 3.04（-4.09）

正常工况 5.16（-10.20） 5.77（-5.78） 2.40（-3.17）

地震工况 4.09（-6.53） 4.64（-4.70） 1.82（-2.34）

疲劳工况 3.45（-5.51） 2.07（-3.64） 2.01（-2.31）

5.1 计算结果分析：

5.1.1 极端荷载工况下，承台的受力、承台的应力以及桩的受力较其他荷载工况要大。

5.1.2 极端荷载工况时，出现受拉桩。

5.2 以下均以极端荷载工况进行计算。

最大基桩竖向力：2105KN；位置在桩顶（深度0米）

最大基桩拔力：152KN

5.3竖向承载力（风基规范第9.3.4条）：

基桩最大轴向力：2105kN；2105

5.4抗拔桩基承载力验算（风基规范第9.3.11条）：

基桩最大轴拉力：152KN

6承台计算

6.1 承台受力分析

圆形板式基础的配筋方式有正筋和径环向配筋。为提高承载能力和基础的抗裂能力，并节省用钢量，推荐采用的配筋方式为：对圆形板式基础板底面和顶面钢筋，均采用径环向配筋。

承台底面和顶面最大径向和环向弯矩计算，首先由承台的径向应力和环向应力分布图确定最大配筋位置。

6.1.1 由图3-1和图3-2可以清楚的看到，承台底面径向拉应力和环向拉应力的最大位置发生在x轴正方向（力作用方向）附近，且靠近台柱；而在x轴负方向（力作用反方向）附近，且靠近台柱，承台底面径向压应力和环向压应力出现最大值。（注应力大于零为拉应力，小于零为压应力）。

6.1.2 由图3-3和图3-4可以清楚的看到，承台顶面径向拉应力和环向拉应力的最大位置发生在x轴负方向（力作用反方向）附近，且靠近台柱；而在x轴正方向（力作用方向）附近，且靠近台柱，承台底面径向压应力和环向压应力出现最大值。（注应力大于零为拉应力，小于零为压应力）。

6.1.3 由（1）和（2）判断，承台底面径向和环向受拉钢筋的计算位置应选取在x轴正方向，靠近台柱附近，承台顶面径向和环向受拉钢筋的计算位置应选取在x轴负方向，靠近台柱附近。

6.1.4 由3-1到图3-4可以看出，承台底面的径向和环向最大拉应力要显著大于承台顶面的径向和环向最大拉应力，这也说明承台底面的径向和环向受拉钢筋配置面积需要值要显著多余承台顶面需要钢筋面积。

计算承台底部的径向弯矩最大值，从图3-1可以看出，承台与台柱交界附近径向应力最大，此处弯矩应最大，因此取半径为4.5（承台与台柱交界处），角度从-10度到10度范围的截面，将截面上的应力对截面的形心取矩便可得到此截面的弯矩，然后将弯矩除以弧长，便可求得单位弧长上的弯矩（计算步骤从略）。

6.2 承台底面配筋：

6.2.1 径向配筋：

弯矩设计值：4208.9kNm

单位弧长要求配筋面积为：5644.17平方毫米

6.2.2 环向配筋：

弯矩设计值：3177.8kNm

单位长度要求配筋面积为：3596平方毫米

6.3 承台顶面配筋：

6.3.1 径向配筋：

弯矩设计值：852.6kNm

单位弧长要求配筋面积为：982.4平方毫米

6.3.2 环向配筋：

弯矩设计值：519.2kNm

单位长度要求配筋面积为：597.7平方毫米

6.4 承台悬挑根部裂缝宽度验算

6.4.1 基础底板底面裂缝计算(径向配筋)：

裂缝宽度(不考虑重复荷载)Wmax=0.04302mm；

裂缝宽度允许值为：0.3mm；符合要求；

6.4.2 基础底板顶面裂缝计算(径向配筋)：

裂缝宽度(不考虑重复荷载)Wmax=0.02997mm；

裂缝宽度允许值为：0.3mm；符合要求；

6.5 台柱对承台的冲切验算（风基规范第9.3.23条）

按照风基规范第9.3.23条，冲切破坏锥体采用自台柱边缘至桩顶边缘的连线构成的锥体，取到第二圈桩位置（半径7.6），锥体与承台底面的夹角大于45度。

6.5.1 台柱对承台的冲切力设计值为43614.09KN。

承台冲切允许值为81132.05KN。

43614.09KN×1.1=47975.5KN

6.5.2 角桩对承台的冲切验算（风基规范第9.3.23条）

角桩的冲切力设计值为：2849.04KN。

承台冲切力允许值为19869.359kN；

2849.04×1.1=3133.9KN

6.6抗剪验算（风基规范第9.3.24条）

最大剪力设计值V=44010.9KN

剪力允许值为Vj=55582.165kN

44010.9kN×1.1=48411.95kN

7．有限元计算结果

7.1极端荷载工况计算结果，承台应力如图3所示。

图3-1承台底面径向应力分布图（Kpa）

图3-2承台底面环向应力分布图（Kpa）

图3-3承台面顶面径向应力分布图（Kpa）

图3-4承台顶面环向应力分布图（Kpa）

图3-5承台底面竖向应力分布图（Kpa）

图3-6承台顶面竖向应力分布图（Kpa）

7.2 正常工况计算结果，承台应力如图4所示。

图4-3承台底面径向应力分布图（Kpa）

图4-4承台底面环向应力分布图（Kpa）

图4-5承台顶面径向应力分布图（Kpa）

图4-6承台顶面环向应力分布图（Kpa）

图4-7 承台底面竖向应力分布图（Kpa）

图4-8 承台顶面竖向应力分布图（Kpa）

7．3地震工况计算结果，承台应力及桩的内力，如图5所示。

图5-1承台底面径向应力分布图（Kpa）

图5-2承台底面环向应力分布图（Kpa）

图5-3承台面顶面径向应力分布图（Kpa）

图5-4承台顶面环向应力分布图（Kpa）

图5-5承台底面竖向应力分布图（Kpa）

图5-6承台顶面竖向应力分布图（Kpa）

7．4 疲劳工况计算结果，承台应力及桩的内力，如图6所示。

图6-1承台底面径向应力分布图（Kpa）

图6-2承台底面环向应力分布图（Kpa）

图6-3承台面顶面径向应力分布图（Kpa）

图6-4承台顶面环向应力分布图（Kpa）

图6-5承台底面竖向应力分布图（Kpa）

图6-6承台顶面竖向应力分布图（Kpa）

8．结论

通过一个工程实例，对基础承台的有限元分析，可以看到，最大径向应力发生在风机支墩的边沿处（见3-1和3-3图），最大环向应力也是发生在支墩的边沿处（3-2和3-4图）。最大竖向应力也是发生在支墩的边沿处（3-5和3-6图）。这样，在基础配筋时，可以有的放矢，应力大的部位多配筋，应力小的部位少配筋。而目前的承台计算中，径向钢筋是计算出来的，环向钢筋往往是按径向钢筋的百分比来估算的，这与有限元计算差距较大。桩基础与承台的连接，以往都忽视这一问题，但在有限元计算中发现，桩刚接和铰接，对承台有一定的影响，而且，桩身应力图形也变化较大。经分析认为，铰接计算比较合理，承台计算配筋也不复杂。但在实际桩钢筋锚入承台时，应将钢筋向内交叉。使计算与施工一致。

李晓梅女1961年11月出生 吉林省电力勘测设计院从事发电厂土建结构设计工作 一级结构工程师，高级工程师