混凝土受力及影响因素分析范文

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摘要：基础环式风机基础承受的载荷通过基础环底法兰传递给基础混凝土，基础环底法兰与混凝土接触部位存在着较大且复杂的应力分布。研究基础环与混凝土之间的应力分布对保证风机基础的安全性至关重要。本文主要在试验研究结论的基础上，通过有限元数值模拟，对不同基础环埋深、底法兰宽度及厚度条件下，基础环底法兰处混凝土应力分布规律进行分析，为风机基础设计提供参考。

关键词：基础环；底法兰；混凝土；局部应力；埋深

0前言

基础环是风机上部荷载向下传递给基础混凝土的关键构件，与其底法兰处接触的混凝土承受着较大且分布复杂的局部应力。近年来，部分采用基础环式基础的风机出现了一些问题，如基础环底法兰处混凝土出现压碎破坏、基础环整体被拔出、风机机身出现较大晃动、与基础环接触处出现较大裂缝等。目前，国内对基础环及其附近基础混凝土受力状态分析研究较少，也无统一的工程计算方法。《风电场地基基础设计规定（试行）》2007[1]，为风机基础的设计提供了一般性的原则和方法，仅从基础内力、地基承载力、基础的抗滑、抗倾覆等方面进行整体计算，而对于基础环底法兰处混凝土的局部受压引起的应力集中未加考虑。张立英[2]在研究基础环和结构截面尺寸对基础受力影响时发现，基础环的不同形式、厚度和埋深对基础应力都有影响。练继建[3]进行基础结构损伤研究发现，在实际风荷载作用下，基础环局部应力过大，局部位置产生破坏，损伤主要发生在基础环附近混凝土和受压侧基底混凝土。李大钧等[4]采用ABAQUS有限元软件计算了不同埋深和法兰宽度情况下，基础混凝土应力、钢筋应力和基础环位移等，研究了上述因素对基础承载力性状有明显的影响。雍飞等[5-7]通过计算分析基础环和穿孔钢筋的内力分布。天津大学按1:3缩尺模型制作基础环进行试验，研究基础环和混凝土的受力情况，并采用有限元对试验进行模拟，基础环侧壁与混凝土采用无摩擦接触，基础环底法兰与周围混凝土之间采用库伦摩擦接触，设置摩擦系数0.6，模拟结果与试验吻合较好。本文以基础环受力物理模型试验结果为依据，采用ANSYS有限元软件分析基础环及其附近混凝土应力分布，并研究基础环埋置深度、底法兰宽度及厚度等因素对基础环传力及混凝土受力的影响。

1有限元模型

有限元分析采用ANSYSWorkbench平台进行，对基础环、基础混凝土均采用实体SOLID186单元模拟本次模拟重点为对基础环传力及混凝土受力情况进行分析，不考虑混凝土材料的非线性及基础与土的相互作用。混凝土基础底部考虑固结，基础环底法兰与混凝土基础接触采用摩尔-库伦摩擦模型，摩擦系数0.6，基础环侧壁与混凝土采用无摩擦接触。C40混凝土为混凝土弹性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比0.167，基础环弹性模量Es=2×105MPa，泊松比0.3。模型如图所示。目前研究结果表明，基础环底法兰作用引起基础混凝土产生较大的局部应力，工程实践中通过在基础环下设置承压网片钢筋处理，实际有限元分析中钢筋模型的建立与否并不影响计算分析结果，因此，本次建模主要研究底法兰局部压应力分布，暂不考虑钢筋的影响[8-9]。

2荷载与工况

风机荷载通过基础环传递给混凝土，再传递给钢筋，最终达到共同受力。风机荷载取某风机极端荷载，作用在基础环顶面。

3计算结果分析

根据有限元分析的结果，对基础环底法兰受力分布进行分析，分别研究基础环埋深、底法兰宽度、厚度对底法兰混凝土受力的影响。本文采用弹性材料模型进行计算，极端荷载作用下，混凝土可能出现最大应力。4结论：（1）对于基础环连接形式基础，风机上部载荷主要通过基础环侧壁和底法兰传递给混凝土基础，基础环底法兰是荷载传递的主要构件。（2）基础环底法兰作为直接将上部荷载传递给混凝土的构件，环下混凝土受局部应力很大，易出现混凝土被压碎或挤碎而破坏的现象。（3）基础的埋深越大，底法兰下混凝土受力越小。（4）基础环底法兰宽度越大，受力面积越大，局部应力越小，当达到一定宽度后，局部应力变化趋于平缓，应采用适当的宽度。（5）基础环底法兰厚度越大，底法兰刚度越大，在力的传递至法兰底部时应力分布相对更均匀，最大应力减小。达到一定厚度后应力峰值变化趋于平缓。（6）工程设计中，可以采用加大埋深、适当增加底法兰宽度、厚度的方式缓解底法兰局部混凝土的局部应力过大的现象，同时应加强该区域局部加强承压钢筋配置，钢筋应尽量靠近基础环侧壁及底法兰。

作者：田伟辉[1]；瓮文芳[2]；田永进[1]；张立英[1]；李振作[1 ]单位：1，中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，2，中国海诚工程工程股份有限公司