近年来，风能作为一种清洁能源逐渐受到国家重视，有关陆上风机基础的研究也越来越多，我国现有陆上风机基础多为基础环式重力圆形扩展基础(简称基础环式基础)，该类基础主要通过自身重力平衡风机的倾覆力矩．工作中基础环式基础承受较大偏心荷载，表层混凝土拉应力超过与基础环间黏聚力后脱开产生缝隙，缝隙向下扩展至上排穿孔附近后，荷载将由穿孔钢筋及孔内混凝土承担．剪切荷载长期作用下，穿孔钢筋容易出现疲劳脆断，附近混凝土也将出现开裂乃至破碎，进而加剧风机塔筒晃动，缝隙进一步向下扩展将导致基础环下法兰部位与混凝土磨损加剧，长期研磨会导致下法兰部位混凝土出现空腔并有灰浆从缝隙冒出，即脱空冒浆缺陷的发展过程[1-3]．该缺陷较为常见，但不及时修复可能引发机组报警停机．当前研究主要关注于无缺陷陆上风机基础整体稳定性[4-5]，而工程实践与现场勘测资料表明：缺陷基础主要受力部位破坏所引发的局部失稳也是造成风机事故的因素之一[6]．同时，风机基础的数值模拟研究中，混凝土材料大多采用线弹性本构，无法模拟混凝土开裂过程中荷载向钢筋传递的过程[7-8]．脱空冒浆缺陷的模拟大多采用设置接触缝隙的方式，不能有效模拟缺陷基础中混凝土破碎区域及空腔对基础刚度的影响．鉴于混凝土塑性损伤模型已广泛应用于脆性材料的损伤模拟之中[9-11]，本研究基于混凝土塑性损伤模型，研究基础环式基础损伤规律；并根据现场勘测资料确定了脱空冒浆缺陷范围，分析该缺陷对基础受力状态的影响；针对灌浆加固中灌浆料选择问题，对比灌浆料弹性模量对风机基础灌浆加固效果的影响，以期为相关工程提供参考．1 理论基础1.1　混凝土塑性损伤模型混凝土塑性损伤模型是基于塑性应变描述混凝土破坏的连续损伤模型，该模型在工程分析中应用广泛．模型假定拉裂与压碎是混凝土的两类主要破坏形式，混凝土屈服面由等效塑性应变ε˜pl决定，等效塑性应变表达式为ε˜pl=ε-σ/[(1-d)G0]，式中：σ，ε和G0分别为混凝土应力、应变和初始弹性模量；d为混凝土损伤因子．在混凝土达到破坏应力σf之前，应力应变曲线为直线，在应力高于破坏应力后出现材料软化，模型使用损伤因子d描述该现象[12]，d的取值范围在0~1之间．软化后混凝土弹性模量为(1-d)G0．1.2　钢筋本构模型在实际工程中，由于基础环式基础钢筋应力水平普遍较低，基本处于弹性状态，因此本研究中钢筋选择双直线理想弹塑性本构关系，其表达式为σn=Eεn      (εnf0/E);       f0      (εn≥f0/E),式中：E为钢筋弹性模量；f0为钢筋屈服应力；σn和εn分别为钢筋应力和应变．2 三维有限元模型建立2.1　结构尺寸与计算模型为研究极端荷载作用下风机基础混凝土损伤规律，本研究以西南某大型风电场2.3 MW典型风电机组为背景，并对风机基础结构进行了概化，基础结构尺寸如图1(a)所示．基础埋深为3.3 m，上台直径为8.1 m．基础环高为2 m，直径为4.3 m，壁厚为0.044 m，下法兰宽度为0.45 m，顶部法兰与塔筒通过螺栓连接，顶部中心设置加载参考点RP，底部与混凝土基础统一浇筑，埋深为1.51 m，上下均匀开设60个通孔，上穿孔中心距基础表面0.22 m，下穿孔中心距基础表面1 m，孔内分别有钢筋穿过．上下穿孔钢筋位置如图1(a)所示，钢筋有限元模型如图1(b)所示．10.13245/j.hust.211118.F001图1基础结构尺寸及有限元模型图风机基础有限元网格模型如图1(b)所示．为减少地基边界效应对基础受力的影响，地基直径及深度均取为基础直径的3倍[13]．以基础环为中心，网格采用比例划分，基础最小网格尺寸为0.02 m．地基底部采用全约束，侧边界采用法向约束．2.2　材料属性与接触设置根据地质勘测结果，风电场内出露基岩以全风化和强风化岩石为主，地基持力层为强风化页岩，密度为2.3 g·cm-3，凝聚力为100 kPa，内摩擦角为35°，变形模量为200 MPa．鉴于摩尔-库伦本构模型具有模型参数少且容易获取等优点，本研究的地基选择Abaqus内置摩尔-库伦本构．基础环及钢筋均采用理想弹塑性模型，基础混凝土采用Abaqus内置的塑性损伤模型(CDP)，混凝土塑性损伤演化曲线依相关规范[14]选取，材料弹性模量G、泊松比μ、密度ρ、抗拉强度σt和抗压强度σc如表1所示．10.13245/j.hust.211118.T001表1材料物理力学参数材料G/GPaμρ/(g·cm-3)σc/MPaσt/MPa基础31.50.1672.4523.42.20垫层22.00.1672.4510.01.27基础环210.00.3007.85——钢筋210.00.3007.85360.0360.00基础环与混凝土间及基础底部与地基间接触采用有限滑移模式，法向采用硬接触，接触压力不衰减，切向采用Coulomb摩擦模型，数值模拟中取基础环与混凝土接触面间摩擦系数为0.73，基础底部与地基间摩擦系数为0.8[15]．2.3　模型荷载与加载方式模型荷载采用复合加载模式，在基础环顶部L形法兰中心设置加载参考点RP．风机下传至参考点RP的竖向荷载为8.05 MN，计算过程中保持不变．在极端荷载工况下，将作用于风机的极端风荷载等效至RP点，包括水平荷载0.77 MN和弯矩62.99 MN·m，加载如图1(a)所示．2.4　模型验证文献[16]指出：在混凝土塑性损伤模型中，当拉损伤值dt0.5时，混凝土产生微裂缝；当压损伤值dc0.1时，混凝土出现压碎．基于此，本研究以文献[1]中现场勘测结果为依据，校核数值模拟结果．图2为基础破坏情况及脱空冒浆区域图，由图2可知：在极端荷载工况下，基础环下法兰上三角区域出现混凝土压碎，裂缝自下法兰部位向基础两侧扩展，上排孔附近混凝土出现椭圆形拉裂区．数值模拟结果与现场勘测情况较为一致，现场勘测确定脱空冒浆区域集中在基础环上下法兰附近，大致位于主风向前后90°扇形范围内．基础混凝土脱空冒浆区域截面图及上下排穿孔附近脱空冒浆区域俯视图如图2(c)所示．10.13245/j.hust.211118.F002图2基础破坏情况及脱空冒浆区域图3 脱空冒浆条件下的基础受力特征3.1　脱空冒浆缺陷模拟方法鉴于脱空冒浆缺陷区域混凝土刚度明显降低，本研究通过降低缺陷区域单元弹性模量的方式模拟该缺陷，缺陷区域单元采用线弹性本构．缺陷区域单元弹性模量的计算式为G=(1-dm)G0，式中：dm为2.4节计算得到的混凝土拉损伤最大值；G0为无损伤混凝土弹性模量．3.2　脱空冒浆缺陷对穿孔钢筋应力影响图3为穿孔钢筋米泽斯应力环向变化图，由图3可知：脱空冒浆缺陷使穿孔钢筋应力明显增加但未改变其应力分布规律，且下排穿孔钢筋应力增幅大于上排穿孔钢筋．穿孔段钢筋米泽斯应力云图如图4(b)所示，由图4(b)可知：基础环倾斜使穿孔钢筋剪切变形明显，穿孔段钢筋发生应力集中．10.13245/j.hust.211118.F003图3穿孔钢筋米泽斯应力环向变化图10.13245/j.hust.211118.F004图4穿孔钢筋分布及米泽斯应力变化图钢筋网格均匀划分，对穿孔钢筋节点按图4(b)中各数字给出编号N，得到穿孔钢筋米泽斯应力径向变化曲线如图4(c)所示．由图4(c)可知：基础环外侧段穿孔钢筋应力明显大于内侧段，并且随着脱空冒浆缺陷的发生，应力差幅进一步扩大，表明脱空冒浆缺陷将增大穿孔段钢筋疲劳脆断风险．3.3　脱空冒浆缺陷对混凝土损伤影响脱空冒浆缺陷导致缺陷区域混凝土刚度降低，承载能力下降．图5为基础混凝土裂缝径向扩展距离对比曲线，由图5可知：在脱空冒浆缺陷下，主风向混凝土对基础环约束作用减弱，荷载转由与主风向正交方向的混凝土承载，因此主风向裂缝扩展距离明显减少，裂缝向脱空冒浆区域两侧扩展，图中裂缝环向扩展角度接近180o，表明极端荷载工况下，风机存在倾覆风险．10.13245/j.hust.211118.F005图5基础混凝土裂缝径向扩展距离对比曲线4 灌浆材料弹性模量对加固效果的影响工程上常使用灌浆加固措施修复风机基础脱空冒浆缺陷，以解决风机塔筒晃动过大的问题．常用灌浆材料有有机胶凝材料(沥青、环氧树脂和聚氨酯等)及无机胶凝材料(石灰和水泥等)[8]，其物理力学参数如表2所示．由表2可知：除水泥外其余灌浆材料强度均远高于混凝土材料，灌浆后该类材料在极端荷载工况下一般不会出现损伤，因此本研究中灌浆材料可采用线弹性本构．分别采用弹性模量G为0.2，1，3，10 GPa的灌浆材料对脱空冒浆缺陷基础进行加固，并对比加固后基础受力状态，灌浆位置为图2(c)中存在脱空冒浆缺陷区域．10.13245/j.hust.211118.T002表2常见灌浆材料物理力学参数表灌浆材料G/GPaσt/MPaσc/MPa非发泡型高聚物[11]0.2~1.01060丙烯酸酯2.76~3.0360100环氧树脂2~121550超细硅酸盐水泥10.21.53654.1　基础环竖向位移分布特征对比图6给出了不同计算方案下基础环竖向位移对比曲线，由图6可知：基础环在极端荷载工况下存在1 mm左右下沉，竖向位移曲线基本上下对称，灌浆基本不影响基础环下沉量及位移分布规律，但其竖向位移会随灌浆料弹性模量提高而逐渐降低．定义基础环迎风侧竖向位移最大值与背风侧竖向位移最小值之差为基础环倾斜量ΔZ，结果表明：相比于脱空冒浆缺陷，采用弹性模量为10 GPa的灌浆料对基础灌浆加固后，ΔZ降低37.3%，表明灌浆加固能够明显改善风机晃动问题．10.13245/j.hust.211118.F006图6基础环竖向位移对比曲线4.2　穿孔钢筋应力分布特征对比图7为灌浆前后穿孔钢筋米泽斯应力对比曲线，由图7可知：在极端荷载工况下，主风向穿孔钢筋应力水平较高，与主风向正交方向钢筋应力水平普遍较低，脱空冒浆缺陷及灌浆加固均不改变穿孔钢筋应力分布规律，上排穿孔钢筋应力水平随灌浆料弹性模量提高而逐渐降低，但下排穿孔钢筋应力随灌浆料弹性模量提高呈现先降低后升高趋势，表明采用高弹性模量灌浆料不利于下排穿孔钢筋安全承载．10.13245/j.hust.211118.F007图7灌浆前后穿孔钢筋米泽斯应力对比曲线4.3　混凝土开裂特性对比图8为灌浆前后基础混凝土裂缝径向扩展距离对比曲线，由图8可知：在极端荷载工况下，提高灌浆料弹性模量可有效控制基础混凝土裂缝扩展范围，当取弹性模量为10 GPa的灌浆料加固时，基础混凝土裂缝扩展范围甚至小于无缺陷基础，这是因为灌浆料强度远高于原基础混凝土强度，在极端荷载工况下不会因材料损伤而出现刚度下降．10.13245/j.hust.211118.F008图8灌浆前后基础混凝土裂缝径向扩展距离对比曲线4.4　灌浆料弹性模量取值范围研究为了对比灌浆料弹性模量对基础安全性的影响，在原计算方案基础上增设5组，分别取弹性模量为0.6，2，5，6，8 GPa的灌浆料对存在脱空冒浆缺陷的基础加固．定义基础安全指标如下：开裂的混凝土单元体积之和为基础开裂体积V，上排穿孔钢筋米泽斯应力最大值为σsm，下排穿孔钢筋米泽斯应力最大值为σnm．将加固后各安全指标相比于脱空冒浆缺陷工况时的下降率设为δ，δ随灌浆料弹性模量G的变化曲线如图9所示．10.13245/j.hust.211118.F009图9各安全指标下降率随灌浆料弹性模量变化曲线由图9可知：相比脱空冒浆缺陷工况，当采用弹性模量为1 GPa的灌浆料加固时，基础环倾斜量降低29%，上排穿孔钢筋米泽斯应力降低23%，下排穿孔钢筋米泽斯应力降低52%，开裂区体积降低30%，灌浆加固效果明显；在灌浆料弹性模量提高至6 GPa后，下排穿孔钢筋米泽斯应力水平增大7%，其余安全指标变化趋于稳定．因此工程中推荐选用弹性模量在1~6 GPa范围内的化学灌浆材料，如聚氨酯、丙烯酸酯和环氧树脂等．5 结论a．在极端荷载工况下，基础裂缝分布具有明显的方向性，即主风向裂缝扩展明显，与之正交方向裂缝相对较少；基础环下法兰上三角区域出现混凝土压碎，上排孔附近混凝土出现椭圆形开裂区，数值模拟结果与现场勘测情况较为一致．b．对比无缺陷工况，在脱空冒浆缺陷下，基础环倾斜量、基础开裂区体积及裂缝环向扩展范围均有明显提高，风机存在倾覆风险；缺陷增加了穿孔钢筋的应力及剪切变形，加剧了主风向穿孔段钢筋的应力集中，增大了该位置钢筋的剪断风险．c．提高灌浆料弹性模量可增强基础对基础环下法兰的约束作用，对比脱空冒浆缺陷工况，灌浆加固明显减小了基础环倾斜量，并使混凝土及钢筋受力情况得到有效改善，但灌浆料弹性模量过高会增加下排穿孔钢筋受力，且对基础其他安全指标改善效果不明显，因此工程中推荐选用弹性模量在1~6 GPa范围内的化学灌浆材料．