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1、李振作 张坤 风机基础用预应力锚杆笼 受力分析与研究 预应力风机基础采用预应力锚杆笼作为风机塔筒和 基础的连接。而预应力锚杆笼主要由T型法兰、预应力锚 杆和底环三部分组成，如图1所示。其中T型法兰直接与 上部风电机组塔筒连接，T型法兰下方为高强灌浆，灌浆 下方为基础混凝土；预应力锚杆提供固定上部塔筒的预紧 力；底环嵌在混凝土基础中，用于固定预应力锚杆。作为 一种特殊的后张预应力构件，其受力分析与一般后张预应 力构件有所不同。 一、预应力锚杆笼计算理论 在基础中塔架连接锚栓施加预应力的目的为保证在任 何情况下，基础同塔架不产生脱开。即在任何情况下，塔 架被紧紧的固定于基础之上，塔架底部法兰下的混
2、凝土或 者高强灌浆料始终处于受压状态。由于锚杆笼属于比较特 殊的预应力构件，结合预应力构件的一般理论，可从两个 方向进行理论分析。 1.考虑协调变形的预应力结构计算 预应力锚杆笼部分为承受轴向力和弯矩的后张法预应 力构件，其截面可简化为环形截面，如图3所示。构件的 应力分析应考虑施加外荷载之前和施加外荷载之后，因此 应力分析的结果为外荷载施加前后的叠加。在施加外荷载 后，如果出现脱开现象，那么相关计算参数如截面面积、 截面惯性矩、截面中心轴位置都会随脱开面的变化而变 化。 受力分析的基本思路如下：将混凝土和锚杆组成的 圆环截面均质化，计算均质化后的截面面积、静矩和惯性 矩，根据实际受力，计算受
3、压边和受拉边到中心轴的距 离，然后计算出截面最大压应力和最小压应力。如果最小 压应力为负值，说明法兰和灌浆之间有脱开。锚杆拉力根 Feng ji ji chu yong yu ying li mao gan long shou li fen xi yu yan jiu 。 （a） 锚杆笼三维图 （b） 锚杆笼局部 图1 锚杆笼示意图 图2 锚杆笼所受荷载 131 建设施工 JIANSHESHIGONG 据所受弯矩、竖向力和预应力得出。此种计算方法可以精 确地对每一根锚杆的受力进行计算分析。 截面最大压应力： （1） 式中：P全部锚杆预应力和值； Accdg受压面净截面面积（扣除孔洞面积）； c
4、dgconcrete受压面截面中心轴与完整圆环面中 心轴间距； Iccdg相对于受压面中心轴的截面惯性矩； vconcrete受压面截面中心轴至较大受压侧边缘 的距离； Ncdg竖向力； Ahcdg考虑锚杆在内的均质化后的截面面积； Mcdg相对于均质化后受压面中心轴的弯矩； Ihcdg均质化后的截面对对其中心轴的惯性矩； v均质化后的截面中心轴至较小受压侧边缘的距 离。 截面最小压应力： （2） 式中：v均质化后的截面中心轴至较小受压侧边 缘的距离。 锚杆最小拉力： （3） 式中：Abolt单根锚杆截面面积； n锚杆与混凝土弹性模量比值； Nbolt单圈锚杆数目； nbolt圈数。 锚杆最大
5、拉力： （4） 式中：vcdg锚杆至均质化后截面中心轴的距离 按照最大和最小拉力锚杆所在位置的实际值选取。 2.简化的预应力结构计算 首先计算出竖向力N和弯矩M对单个锚杆所占法兰面 积施加的力，保证锚杆预应力不小于最大拉力，以保证法 兰下灌浆和混凝土始终处于受压状态。法兰下灌浆和混凝 土的受力分析在文献中有详细阐述。 从力学原理出发，可以推导出竖向力N和弯矩M对单 个锚杆所占法兰面积施加的力。 风机基础同塔筒法兰连接方式为T法兰连接，如图4 所示： 图3 截面示意图 锚杆最小拉力 图4 T法兰示意图 建 施工 设 132 注：图中D0为法兰外直径；S为法兰盘内外半径差 距；D1其值为D0-2S
6、，法兰内直径；Nb锚栓或者锚杆孔 数量。 外部弯矩对单个锚栓或者锚杆孔所占法兰面积处产生 的最大力为： （5） 式中：A单个锚栓或者锚杆所占法兰截面净面 积； M外部弯矩； W截面抵抗矩。 则对于T法兰： （6） （7） 代入各项： （8） 对Z的讨论如下： a.由于 远远大于 ，则： （9） b.由于D0远远大于S， 则D0-S近似等于D0 （10） 考虑到安全性采用a中的公式更保守。 竖向力对单个锚杆所占法兰面积施加的力 （11） 外荷载对单根锚杆所占法兰面积产生的最大拉力为： （12） 式中：Da法兰平均直径。 令锚杆预应力Pa不小于F值，在外荷载作用下，锚杆 的内力如下： （13） 二
7、、计算结果与分析 1.计算参数 本文以某风电场2.5MW风机为例，进行预应力锚杆 笼受力分析。风电机组采用的荷载如表1所示。 Fx （KN） Fy （KN） Fz （KN） Mx （KN.m） My （KN.m） Mz （KN.m） -856.3-27.1-3896.2-1648.1-83077-3310.5 表1 极限载荷（不包括安全系数） 图5 塔架荷载坐标系 133 建设施工 JIANSHESHIGONG 计算所需相关尺寸如下： 法兰外径：4638mm，法兰内径：3866mm，法兰厚 度120mm； 底环外径：4638mm，底环内径：3866mm，底环厚 度60mm； 灌 浆 槽 底 外
8、 径 ： 4 8 3 8 m m ， 灌 浆 槽 底 内 径 ： 3666mm，灌浆厚度100mm； 外圈锚杆分布直径：4437mm，内圈锚杆分布直径： 4067mm，锚杆总数：212。 计算中所用材料如下： 高强灌浆C80，混凝土C40，底环和法兰为Q345C 钢。 2.计算结果分析 采用两种理论方法计算出来的结果如表2所示。其中 锚杆预应力确定采用考虑修正系数的极限荷载标准值，其 它项目的计算采用极限荷载设计值。 从表中看出，方法二计算所需的最小预应力比方法一 大28.53%，这与考虑锚杆与混凝土是否协调作用有很大 关系。方法一中锚杆内力随着外荷载的增大连续变化，这 必然会导致在较小的预应
9、力下就保证法兰不脱开。 方法二计算的灌浆中和混凝土中最大应力比方法一分 别大18.07%和10.72%。在受压侧，方法一中锚杆内力随 外荷载增大不断减小，而方法二中简化为受压侧锚杆内力 保持不变，必然会导致受压侧内力的差异。 方法一计算的底环上混凝土内力和锚杆所受最大拉 力比方法二分别大1.52%和12.07%。在受拉侧，方法一 中锚杆内力随外荷载增加连续增大，而方法二中锚杆内力 简化为法兰脱开前保持预应力值不变，脱开后与外荷载作 用一直，这期间有一个跳跃过程。而在法兰未脱开的情况 下，方法二计算的这两项结果必然偏小，本文算例便是属 于法兰未脱开情况下的结果。 3.有限元结果对比分析 为更全面
10、进行锚杆受力分析，同时采用有限元数值模 拟进行对比分析。 图6为锚杆施加预应力为368KN时，法兰和灌浆料的 相对变形。从图中看出，法兰和灌浆间并未发生脱开现 象。说明方法一中计算所需的最小预应力在一定程度上满 足要求，而方法二计算结果偏大。 图7、8、9分别为灌浆应力图和混凝土应力图。图 中显示，灌浆和混凝土中最大应力分别为48.5MPa和 32MPa，介于方法一和方法二之间。锚杆最大拉力为 617KN，同样介于两种方法之间。 比较项目 方法一 考虑协调变形 方法二 简化计算 备注 所需最小预 应力 368KN473KN未考虑损失 灌浆最大应 力 45.93MPa52.43Mpa 锚杆预应力
11、取 580KN 混凝土最大 应力 31.26MPa34.61MPa 底部固定环 上方混凝土 最大应力 26.73MPa26.33Mpa 锚杆最大拉 力 650KN580KN 表2 两种理论方法计算结果比较 图6 法兰与灌浆之间相对变形 图7 灌浆应力图 建 施工 设 134 三、结论 从对比分析结果，目前的研究可以得出以下结论： （1）考虑协调变形的计算方法，严格按照后张预应 力构件的受力分析，可以精确得到每一根锚栓的受力结 果；而简化计算方法对预应力构件分析计算进行简化，适 合快速计算，容易理解以及计算； （2）用简化计算方法，最终所需预应力、灌浆最大 应力、混凝土最大应力均得到偏保守计算结果，满足工程 需要，但是锚栓在实际荷载作用下的最大拉力需要考虑协 调变形的计算结果。 （作者单位：李振作，中国电建集团西北勘测设计研 究院有限公司；张坤，国电电力宁夏新能源有限公司） 图9 锚杆应力图 图8 混凝土应力图 135 建设施工 JIANSHESHIGONG
