一、背景

风力发电是一种干净清洁、可靠的可再生能源,在我国国民经济发展中起着重要作用。在风电产业飞速发展的同时,我国的风电行业面临着与世界其他同样的问题,即风机结构的耐久性问题。

塔筒和基础构成风力发电机组的支撑结构,塔筒与基础的有效连接是风机上下部结构协同工作的保障。目前,常用的风机塔筒和基础的连接形式有预应力锚栓和基础环两种。我国风电发展初期,主机厂多数采用基础环实现两者的连接;后来有越来越多的风机采用预应力锚栓连接(图1.1)。

山東風機加固   山東風機加固

a)基础环连接                (2)预应力锚栓连接

1.1 风机塔筒和基础的主要连接形式

二、基础环基础破坏案例

目前,现役的预埋塔筒式风机有很多已经进入了设计工作寿命的晚期,存在明显的隐患,尤其是基础环连接的部位;而有些风机仅运行三年基础已出现破坏现象。表2.12011~2015年基础环基础发生破坏的不完全统计结果。

2.1 我国预埋塔筒式风机基础破坏情况不完全统计结果(2011~2015年)

编号

风场

位置

破坏台数

基础形式

开始运行时间

停机

时间

现场外观检测

视频探孔

1

湖南

3

基础环

2011.12

2016.1

主风向基础环周边局部冒浆,表面混凝土压溃,可见10mm15mm宽裂隙,筒外局部破拆后可见多数穿筒钢筋断裂

筒内穿筒钢筋周边可见明显空腔;下法兰周边多处可见明显空腔

2

福建

4

基础环

2012.12

2014.5

主风向基础环周边局部冒浆,表面裂隙宽度大于5 mm

/

3

江西

1

基础环

2013.4

2015.3

主风向基础环周边局部冒浆,基础环脱开裂隙约10mm

局部穿孔钢筋周边可见明显空腔;下法兰周边多处可见明显空腔

4

沈阳

1

基础环

/

2016.6

主风向基础环周边局部冒浆,明显可见基础环脱开裂隙

下法兰周边多处可见明显空腔

5

江西

1

基础环

2015.5

2016.5

主风向基础环周边局部冒浆,基础环脱开裂隙约10mm

下法兰周边多处可见明显空腔

6

福建

1

基础环

2012.5

2013.9

主风向基础环周边局部冒浆,明显可见基础环脱开裂隙

/

7

山东

2

基础环

/

/

主风向基础环周边局部冒浆,表层混凝土压溃,明显可见基础环脱开裂隙,筒外局部破拆后可见穿筒钢筋断裂

/

8

贵州

6

基础环

2012.10

2014.5

主风向基础环周边混凝土有破损,基础表面有龟裂现象

/

结合上表可以发现,基础环基础主要受损形式有:

1. 基础表面混凝土破碎、起砂(图2.1);

2. 塔筒与基础接缝处有泥浆及破碎混凝土冒出(图2.2);

3. 基础环下法兰T型板周围混凝土破坏,形成环状三角形空洞(图2.3);

4. 基础环与混凝土基础之间的抗剪连接插筋被剪断(图2.4)。

山東風機加固 

2.1 基础表面混凝土破碎

山東風機加固 山東風機加固

2.2塔筒与基础接缝处有泥浆及破碎混凝土冒出

山東風機加固       山東風機加固

2.3 基础环T型板周围混凝土破坏    图2.4 基础环与砼抗剪连接插筋被剪断

三、 基础环基础破坏原因

上述破坏产生的主要原因:

1. 基础环基础采用基础环连接塔筒和混凝土基础(即预埋塔筒基础),连接处刚度突变,传力路径不连续,底法兰处刚度突变会引起混凝土受拉开裂和受压疲劳破坏两方面问题。

2. 基础环开孔较少,钢筋穿插困难,基础环筒壁一般不设栓钉,也不与基础钢筋直接焊接。在弯矩作用下,基础环底法兰上下两侧混凝土承担大部分上部荷载,底法兰两侧混凝土开裂后才将外力传给周围竖向钢筋,因此基础结构的不连续会造成宽度较大的裂缝集中出现。基础环底法兰宽度有限,上下两侧混凝土应变呈三角形分布,在上部塔筒传入的高周疲劳荷载作用下,局部混凝土强度和刚度不断退化,终混凝土压碎,形成三角形空洞。

3. 基础环基础受到基础深度及底板上层钢筋网的限制,导致塔筒埋入段埋入基础过浅,基础抗侧能力较差。

基础环的连接形式使基础环锚固区混凝土在较高应力水平下工作。风机基础在服役期间在环境侵蚀和荷载长期疲劳效应、突发事变过载效应等因素的综合作用下,基础环锚固区混凝土损伤不断累积,抗力衰减,从而使结构抵抗自然灾害、甚至正常工作荷载的能力下降,甚至发生突发性的破坏事故。

由于基础环位于大体积混凝土内部,周围混凝土的局部损伤及缺陷无法直接观察,但当裂缝与缺陷发展到肉眼可见的程度时,基础已经受损严重,风机已无法正常运行,被迫停机处理。

四、目前一般的加固对策及结果

目前常用的加固方法是凿开受损基础,清除碎裂部分的混凝土,并向缝隙内灌满高强灌浆料。这种方法Zui多可以使基础恢复原状,但并没有徹底解决问题。修復的基础将会重新开始原先的疲劳破坏历程。每一次修復都要停机损失发电量,还要花费很大的加固费用,基础混凝土的状态也一次比一次差。

也有给原基础加厚面层的方法,这能略微减小基础的弯矩,但因为应力的性质没变,仍然难以保证基础在疲劳荷载下的耐久性。

五、问题的方法

1. 从开始设计基础时就采用预应力锚栓连接塔筒和基础,使基础混凝土在工作状态疲劳荷载作用下受压,不会碎裂;

2. 对已有疲劳裂缝的基础,首先清除碎裂混凝土,用高标号细石混凝土灌浆料填充孔洞,养护达到强度,然后对塔筒周边的混凝土施加较强的预压力,使这部分混凝土在工作状态下始终处于多向受压状态,不会达到受拉开裂。这保证了风机基础的抗疲劳性能。

六、公司技术特色

由马人乐教授带领其同济大学、同济大学建筑设计研究院的高耸结构设计研究室团队研究,由本公司进行现场试验,一步步切实改进的“自应力式风力发电塔基础环基础加固”技术已申请专利,该技术采用以下两步对破坏基础进行加固:

1. 将破碎混凝土清除,用高标号细石混凝土灌浆料填充,养护达到强度。这一步使破坏基础达到原设计的初始状态。

2. 通过设置“自应力式加固装置”,利用塔筒下部直接自行对其周边混凝土加压。这一步满足了预埋塔筒周边混凝土需要加预压力抗疲劳的需求,而且加力途径更为直接。

该技术的特点是在恢复原结构破坏的混凝土(灌浆)的基础上对受力、复杂的塔筒外侧周边顶部混凝土施加预压力,使其在工作状态下处于受压,不会发生疲劳破坏。该技术具有加固、速度快、被加固基础耐久性好、加固综合费用效率高的特点。

采用该技术进行加固设计由同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司承担。

 

 

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