文摘
本研究的目的是检查的性能浅大规模风力涡轮机的钢筋混凝土基础的影响下的环境负荷。2 MW水平轴陆上风力发电机被认为是由浅混凝土基础。基金会强调,基金会定居点,以及静态和动态接触压力在不同位置的浅基础建设阶段的监控操作阶段。数值模拟也进行进一步分析风力发电机基础的行为在不同的情况下。结果表明,钢筋混凝土基础的反应,即。,foundation stresses, contact pressures, and foundation settlements, were variables closely related to the wind direction and wind speed. The distribution of foundation stresses suggested that a reasonable design of steel reinforcement cages around the foundation steel ring is important. The dynamic contact pressure of the foundation could reach 5 kPa, so the influence of dynamic wind loads on the foundation response could not be always neglected, particularly for the foundations seated on weak soils. The foundation settlement during the operation phase could be characterized by the logistic model, but its distribution was uneven due to the presence of eccentric upper weight and wind load. The findings would provide guidance for the foundation design of onshore wind turbines in hilly areas.
1。介绍
作为一种清洁、安全、可持续的自然来源,风能在电力供应变得越来越重要(1- - - - - -3]。很多新的风电场安装在山区和丘陵地区在许多国家作为缩小地区能源战略差异(4,5]。例如,从2016年到2020年,中国已经建立了42000兆瓦的风力涡轮机在其中央东部和南部地区6,7),主要有山地、高原和山区地形。其中风力涡轮机通常由大型浅基础躺在强风化岩石、岩溶、土壤残留。与建筑结构、动态风荷载的主要力量是一个风力涡轮机,这可能产生相当大的振动和压力增加,压力,和变形结构、基金会和底土(8- - - - - -10]。因此,风力涡轮机的浅基础在山区和丘陵地区必须表现出令人满意的表现在抵制大型风力负载。
到目前为止,各种方法已经应用于分析浅基础的响应(11- - - - - -13]。Al-Homoud和Al-Maaitah14)被迫进行垂直振动测试浅基础躺在沙滩上。作者报道,固有频率增加而振动振幅下降的埋置深度、饱和度、基础底面积增加。EI Sawwaf和纳齐尔(15)进行模型测试条基金会支持一个松散的砂质边坡在单调和循环加载。他们的研究结果表明,包含取代的土壤加固砂不仅显著增加砂质边坡本身的稳定性也减少很多单调和累积循环的定居点。Pasten et al。16)开发了一种数值方法来分析重复性的垂直荷载作用下的动态响应。发现垂直沉降,水平位移、旋转、基础和压力重新分配在土壤质量变化随着载荷的循环次数。此外,位移和旋转随着循环荷载振幅的增加更明显。陈等人。17)进行无量纲参数分析来评估基础系统的动态响应进行谐波水平部队和摇摆的时刻。Panique在et al。18]提出了孔隙水压力生成方程和评价孔隙压力的影响在浅基础承载力的计算粘性土。制定能够计算粘性土的最大循环载荷可以抵抗之前失败。法塔赫et al。19]研究接触压力的分布在一个圆形浅基础受到垂直和摇摆振动。发现的浅基础往往升级应力分布的方向摇摆振动中心达到峰值,后跟一个温和的下降。
然而,只有少数相关工作领域的风力涡轮机(已报告3,4]。哈特等人的作品。20.和塔代伊等。21,土壤结构相互作用中起着重要的作用在风力涡轮机浅基础的性能。Madaschi et al。22)检查的动态行为浅基础的全面的风力涡轮机。指出,风力发电机塔的振动诱发一种强迫,阻尼谐波激励的基础。最近,高et al。9和邓小平et al。23)进行了数值模拟和物理模型试验2兆瓦风力涡轮机受到随机风载。作者表明,风力涡轮机的周边环境基金会受到动态风荷载的影响,和动态放大因子强烈依赖于风速和空间位置。然而,以前的工作没有关系的行为风力发电机基础本身在构建阶段。使用数值方法,范教授等。24]分析了反应的浅基础陆上风力涡轮机自然或改善地面上休息。他们指出,土壤沉降和地基旋转减少当改善面积比例增加;与此同时,在木筏上的倾覆力矩的存在增加了土壤和微分定居点。王,石原25)开发了一种动态文克尔模型的动态响应分析浅基础支持风力涡轮机。发现没有考虑地基隆起,目前风力发电机塔略有高估,而大大低估了浅基础的大型土壤刚度。他等。10)进行了结构健康监测的1.5 MW陆上风力发电机基础与嵌环。作者报道,当地混凝土变形的长期监测是必要的,以确保安全的基础,但他们的工作主要集中在嵌入环的性能。
当前研究的目的是调查风力发电机基础环境负载下的性能。常见的2兆瓦的水平轴风力发电机被认为是由浅混凝土基础。基金会强调,基金会定居点,静态接触压力和动态接触压力在不同位置的浅基础的这种类型的风力发电机在中国收集从一个风电场。数值模拟也进行了进一步研究风力发电机的性能的基础。监测数据和计算结果进行了分析和比较。从这项研究中获得的结果将为风力涡轮机的设计提供指导基金会在丘陵和山区。
2。工程背景
Qiaoshi风电场(25°29′06.4 N, 112°40′16.7 E)位于贵阳县,郴州的城市,中国(图1)。这个地区是亚热带季风性气候,丰富的降雨和独特的季节。在过去的40年里,年平均气温为17.2°C,年平均风速2.04米/秒,和最大平均风速为2.65米/秒。的盛行风方向(向)东北偏北和南(S),其中北北东方向的最大频率约为15%。Qiaoshi风电场的海拔高度是400 - 600,和景观特点是低山的意思是斜坡15°-30°。地面的自然表面覆盖着低矮的灌木。广泛地覆盖着第四纪残余土壤,和基石主要包括花岗斑岩、石灰岩、砂岩和白云岩。数十名2 MW水平轴风力涡轮机(XEMC风能公司,中国)安装了风力发电场。风力涡轮机的规范如表所示1。风力涡轮机都安装在山顶或山脊和由钢筋混凝土制成的圆形传播基础。外部直径和基础的埋置深度18.4米和3.1米,分别。
代表Qiaoshi风电场风力涡轮机是调查。支持的风力涡轮机是一个圆形的传播混凝土基础坐落在山坡上。底土和基岩的物理和力学性能如表所示2。
3所示。研究方法
3.1。现场监测
监测项目包括基础应力、地基沉降,以及基金会之间的静态和动态接触压力和底土,重要指标对浅基础的性能进行评估。
许多钢筋的轴向应力在不同位置和方向的浅基础是由压力监测仪表(见图2)。一方面,32压力仪表标记SG-V1-0°∼335°, SG-V2-0°∼335°, SG-V3-0°∼335°和SG-V4-0°∼335°被设置为测量垂直的轴向应力钢筋的基础。另一方面,另一个32压力仪表(即。,SG-B1-0°∼335°, SG-B2-0°∼335°, SG-T1-0°∼335°, and SG-T2-0°∼335°) were used to acquire the axial stresses of the radial steel bars near the foundation bottom and top surfaces in eight directions. The axis direction of each cylinder marking in Figure2表示压力计的测试方向。注意,0°方向代表了流行的风向在这项研究。压力仪表的测量范围−200 MPa - 350 MPa, 0.1 MPa的灵敏度和精度0.2% FS。
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几何水准测量方法被用来观察风力涡轮机的定居点基础。四个观测标志(即。,SM-0°∼270°) were fixed on the foundation edge in different directions, as shown in Figure3。附近的基准定位在裸露的基岩的基础。在观察期间,关闭水准线建立了基准和传递每个观测标志。的闭合误差必须低于水准路线(l是距离)。
静止土压力细胞被用来监测基础之间的静态接触压力和底土(26]。土压力细胞圆形,直径118毫米,30毫米厚度。土压力的细胞有一个测量范围为0.6 MPa, 0.1 kPa的灵敏度和精度0.1% FS。他们的位置见图4。一个地球压力细胞(即。,PC0-0°) was installed in the center of the foundation bottom, eight Earth pressure cells (i.e., PC1-0°∼315°) were placed in eight directions at a radius of 3 m, and another eight Earth pressure cells (i.e., PC2-0°∼315°) were installed in eight directions at a radius of 6 m. Static Earth pressure cells were also used to measure the static contact pressures between the lateral surface of the foundation and the backfill. Four Earth pressure cells (i.e., PC-S-0°∼270°) were fixed in four directions at a shallow depth, and another four Earth pressure cells (i.e., PC-D-0°∼270°) were installed in four directions at a deeper position. In addition, the dynamic contact pressures of the wind turbine foundation were monitored using four dynamic Earth pressure cells (i.e., DPC-0°∼270°) with a range of 0.8 MPa and a precision of 0.1 kPa.
现场监测开始之初建设阶段的基础和持续运营阶段的风力涡轮机。一些重要的时间点的建设和运营阶段表中列出3。
4所示。数值模拟
风力发电机的三维数值模型基础创建使用有限元软件ABAQUS,如图5。模型主要由基金会(钢圈,钢筋笼,混凝土)和底土(直径= 80米,高度= 30米)。地基模型的维数是一样的基础监控Qiaoshi风电场风力涡轮机。为简单起见,下层土壤被认为是一个单层的残余土壤。这大大简化不会影响计算结果从本研究主要集中在基础的反应而不是底土的行为。混凝土和钢铁被建模为各向同性弹性材料,和底土使用莫尔-库仑模型建模。仿真中使用的材料属性表4。使用土壤属性是没有范围的测量数据表所示2。钢筋和混凝土的性质确定指中国有关规范(27,28]。钢筋笼的模拟梁元素(B31),而其余部分(即。、混凝土、底土和钢圈)模拟固体元素(C3D10)。(29日]元素大小是决定收敛分析后考虑到计算精度和计算成本。整个有限元模型包含63895个元素和56941个节点。
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钢筋笼与具体使用嵌入式技术(30.]。库仑摩擦定律摩擦系数为0.35应用于模拟之间的切向行为基金会和底土(4,9]。之间的接触界面的法线方向的基础和地下被认为是一个很难接触。采用有限元分析中提供的网格领带约束混凝土连接到钢环。底部边界模型的完全固定在垂直和水平两个方向的侧向边界有限元模型是固定在水平方向。两种情况下(例如,和 )12米/秒的风速和14米/秒的中心高度被认为是在模拟与监测结果进行比较。负载传播从上层建筑基础简化为水平荷载,竖向荷载,时刻围绕一个水平轴旋转(3]。表中所示的负载5计算使用GH刃的软件,这是一个商业软件广泛应用于风力涡轮机的设计和分析。
5。结果与讨论
5.1。基础的压力
图6说明了整个的模拟轴向应力轮廓在不同情况下钢筋笼的基础。注意到,在这两种情况下(例如,和 )钢筋笼的轴向应力在10−MPa-5 MPa的范围,这是远低于钢的优势。此外,顺风面部分可能经历了压应力,而在一般逆风侧经受住了拉应力。与环形钢筋相比,径向钢棒和垂直钢筋承受更高的压力。最大压应力和拉应力出现在基础附近的纵向钢筋钢环。它表明,设计合理的基础周围的钢筋笼钢圈对浅基础的安全至关重要的风力涡轮机(10]。
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数据7和8比较钢筋的轴向压力的基础上获得的现场监测和数值模拟。指出,一些垂直钢筋(如sg - v2 - 90°、135°、180°、225° )张力,而其他人(例如,sg - v2 - 270°、315°, 0°、45° )在压缩。此外,纵向钢筋的轴向应力明显受到风速的影响。一般情况下,风速越大,水平风荷载和力矩越大应用到风力涡轮机,因此更大的拉应力或压应力垂直钢筋。纵向钢筋在SG-V3 SG-V4主要受到压应力。径向钢筋在基础顶面(即附近。,一个tSG-T1 and SG-T2) were mainly in compression while the radial steel bars on the foundation bottom (i.e., at SG-B1 and SG-B2) were mainly in tension. Overall, both the simulated and monitored results showed similar variations and distributions although the values were not exactly the same. This is reasonable because some simplifications or assumptions are made to the materials and loads in numerical simulations. Hence, the numerical model is considered to be capable of characterizing the behavior of the wind turbine foundation for engineering purposes.
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5.2。静态接触压力
图9礼物的时间历史监测静态接触压力的基础。可以看出各监视点静态接触压力明显上升在基础建设和回填过程中(例如,t= 0-35 d)。作为上层建筑(即。,tower, nacelle, and rotor) was gradually installed on the foundation (i.e.,t= 68 - 86 d),静态接触压力的分布逐渐略有不同从均匀到不均匀的偏心风力涡轮机上层建筑的重量。在风力发电机的操作(例如,t> 103 d),大型风力负载应用到风力涡轮机的上层建筑;这导致了一个明显变化的静态接触压力。在这个过程中,监测的方向点的静态接触压力是最大的改变了风向的变化。此外,我们可以注意到静态接触压力PC2一般都小于PC1。静态接触压力小于那些逆风侧顺风面监控,这是符合基础上的轴向应力钢筋的底部。
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图10说明了静态的模拟的轮廓基础底部接触压力在两种不同的情况下(例如,和 )。这是观察到的静态接触压力值不是均匀分布的,但表现出大顺风面在逆风侧和相对较小的值。这一发现是大体上同意监测结果和文献中报道的9]。异常接触压力在个人的情况由于应力集中出现的偏心基础相对较小。图11比较了模拟静态接触压力与监控。显然,模拟数据和监视数据值并不完全一致。但是,正如所料,模拟和监控静态接触压力显示出类似的分布。此外,我们可以注意到静态基础底部的接触压力的分布是受风速的影响。例如,静态接触压力监测t= 117 d的中心风速12 m / s非常不同于那些监控t= 200 d中心风速约14米/秒。
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图12礼物的时间历史监测静态接触压力外侧的基础。正如所料,静态横向接触压力在一个更小的深度(即。个人电脑)在更大的深度(即小于。PC-D)。一般来说,静态横向接触压力的基础表现出相似的变化趋势,因为静态接触压力基础底部基础建设和回填过程中(见图9)。在这个过程中,静态横向接触压力大大增加了从零到约13 kPa在个人电脑和34个kPa PC-D,分别。后来,静态横向接触压力的安装过程中表现出极大波动风力涡轮机的上层建筑和相对较小的波动在操作阶段。作为一个整体,外侧的静态接触压力的基础上几次小于底部。
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6。基础沉降
图13显示了时间的历史的定居点基础回填阶段的操作阶段。有人指出该基金会定居点稍微增加基坑回填时(例如,t= 35 - 68 d)。在安装的风力涡轮机的上层建筑(即,t= 68 - 86 d),基础沉降以梯状的方式有显著提高。这是因为塔部分,发动机舱,风力转子安装的先后。也可以注意一个轻微的波曲线的过程;这可能是由于轮胎起重机的运动和运输车辆。此外,由于上面的重量和古怪的风载的存在,该基金会定居点在不同位置不同。该基金会定居点被稳定之间的期间t= 86 d和t= 103 d。风力涡轮机开始的操作(例如,t> 103 d),该基金会定居点与减少的速度增加。三个月后,该基金会定居点达到平衡。平衡后,地基沉降的最大值在sm - 180°,约15.0毫米,最小基础沉降是8.6毫米SM-0°。不均匀沉降是(15.0 - -8.6)毫米/ 7.5米= 0.85毫米/米,这是在允许值的范围31日]。这表明风力发电机基础稳定。
基金会定居点手术期间的变化可以描述的逻辑模型,具有以下形式: 在哪里年代是风力发电机基础的解决;t是时间;一个是即时沉降速率;K是最后的结算;c是一个常数。
两个例子总结了曲线的拟合参数表6。这表明物流模型可以描述风力涡轮机的结算进化的基础。
图14描述了模拟地基沉降的轮廓。可以注意到,地基沉降不均匀分布。模拟定居点基础底板的变化从20.0毫米到25.6毫米从19.0毫米到26.9毫米 。模拟基础协议是监控近两倍的结果,但是他们有相同的数量级。高的数值工作等。9)表明,最大沉降中心11米/秒风速约为3.5毫米,顺风边缘附近发生的基础。显然,先前的结果接近当前的研究。
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6.1。动态接触压力
图15介绍了动态(即时间的历史。波动)情况下的接触压力 。指出,最大动态接触压力是3.59 kPa DPC-0°。自从DPC-0°之间位于PC1-0°和PC2-0°(图11),静态接触压力DPC-0°被认为是静态接触压力的平均值PC1-0°和PC2-0°。估计静态接触压力在DPC-0°是61.75 kPa,所以动态放大系数DPC-0°是3.59/61.75 = 5.8%。以来的最大动态接触压力dpc - 180°5.73 kPa和dpc - 180°的静态接触压力是84.75 kPa,动态放大系数dpc - 180°是5.73/84.75 = 6.8%。同样,它是派生的最大动态接触压力为0.79 kPa和动态在dpc - 90°放大系数为1.2%;最大动态接触压力为0.62 kPa和动力放大系数为1.0% dpc - 270°。这些研究结果大致符合那些报道邓小平et al。23),表明风荷载的接触压力动态的影响风力发电机的基础。
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7所示。结论
本文提出了一个案例研究钢筋混凝土基础的大规模在中国Qiaoshi风电场风力涡轮机。基金会强调,基金会定居点,静态接触压力和动态接触压力的基础在不同头寸监测和模拟。可以得出以下结论:(1)径向在基础底板钢筋主要经历了拉应力而基础顶面附近的主要受到压应力。纵向钢筋的应力压缩或拉伸取决于位置。然而,所有钢筋的应力远低于钢的抗拉和抗压强度。(2)接触压力的底部钢筋混凝土基础变量是高度依赖于风向和风速。基础的动态接触压力可能达到5 kPa,表明动态风载的影响在钢筋混凝土的性能基础上不应该总是被忽视,特别是对基础坐在弱的土壤。(3)风力发电机基础的解决不平衡是由于偏心的存在上重量和风荷载。沉降监测值通常是0-20毫米范围从基础回填阶段的操作阶段。在操作阶段的进化基础沉降可能是物流模型的特征。(4)合理的设计基础钢环周围的钢筋笼的安全至关重要的钢筋混凝土基础风力涡轮机。与此同时,风致动力效应也需要考虑风力涡轮机的设计基础虽然在常规情况下效果可能不明显。
数据可用性
因为论文中的数据仍然是中国国家自然科学基金会的项目中需要使用的数据项目的后续研究。所以,所有数据和表数据用于支持本研究的发现提供的通讯作者许可制,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该Zongwei邓,湖南城市大学,518号,迎宾东路,413000年,益阳,湖南、中国(电话:086 - 13973760738;电子邮件:(电子邮件保护))。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了湖南省研究生科研和创新项目(CX20190657),中国国家自然科学基金(51674041和51674041),湖南省自然科学基金,中国(2020 jj4156),和长沙市自然科学基金(kq2014110)。