岩石锚杆风机基础的混凝土应力监测及数值分析.pdf

2 0 1 3年 第 5期 (总 第 2 8 3 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 5 0 0 3 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH 岩石锚杆风机基础的混凝土应力监测及数值分析 阎寒 。吴建新 z ，邓德全 ，阎石 ，孙威 ，程鹏 ( 1 辽宁电力勘测设计院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 7 9 ；2 沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 摘要 ： 为了探究风力发电机新型岩石锚杆基础 的受力特性 ， 结合国电铁岭开发 区风 电场新建工程 ， 通过在岩石锚杆风机基础 上布置缝康监测系统并结合 自主研发的操作平台， 以监测风机基础运行中的受力状态。 同时利用 A B A Q US 有限元分析软件对岩 石锚杆风机基础在不同荷载工况下的应力状态进行分析 ， 通过将其与监测结果进行对比， 可以有效地获取基础内部的受 力状态。 该工作为完善结构设计工作提供了重要的依据， 对同类结构的设计计算有参考意义。 关键词 ： 风力发 电机岩石锚杆基础；混凝土应力监测；压电陶瓷智能骨料 ；结构健康监测系统；有限元分析 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 9 0 4 Co n c r e t e s t r e s s m o n i t o r i n g a n d n u m e r i c a l a na l y s i s on n e w t yp e r o c k bo lt f o un d a t i o n o f w i n d t u r b i n e g e n e r a t o r YAN Ha n ， W U a 力 一 x i n ， DENGDe q u a n ， YAN S h i ， SUN We i ， CHENG Pe 玎 g ( 1 L i a o n i n gE l e c tr i cP o we r S m we y a n dDe s i g nI n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 7 9， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y S h e n y a n g 1 1 01 6 8 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e x p l o r e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f n e w t y p e r o c k b o l t f o u n d a t i o n o f wi n d tur b i n e g e n e r a t o r ， a s t r u c t u r a l h e a l t h mo n i t o r i n g f S HM ) s y s t e m wa s e s t a b l i s h e do nthe r o c kb o l t f o u n d a t i o no f a wi n dtur b i n eg e n e r a t o r wh i c hwa s 1 o c a t e di nt h e n e w c o n s t r u c t e d wi n d p owe r pl a n t i n Ti e l i n g d e v e l o p me n t z o ne， t o mo ni t o r the c o nc r e t e s t r e s s s t a t e o f t he f o u n d a t i o n du r i n g o p e r a t i o n b y us i n g t h e de v e l o p e d c o mp u t e r p l a t f o r m At t h e s a me t i me t he c o n c r e s t r e s s s t a t e s o f t h e f o u nd a t i o n u nd e r v a r i o u s l o a ds we r e n u me r i c a l l y s i mu l a t e d b y u s i n g fi n i t e e l e m e ntme t h o d f F E M) a n d t h e A B AQ US s o ft wa r e a n d t h e r e s u l t s w e r e c o m p a r e d wi t h the S H Mo n e B o t h the n u me r i c a l r e s u l t a nd mo ni t o r e d o n e 一 s i t u s h o we d t ha t t he b a s i c i n t e r na l s t r e s s s t a t e s o f the f o u n da t i o n c o u l d be e f f e c t i v e l y o b t a i n e d Th e wo r k p r o v i d e d r e f e r e nc e s f o r i mp r o v e me n t o f the f o un d a t i o n s t r uc t u r e d e s i g n a n d t h e c a l c ul a t i o n o f s i mi l a r s t r uc tur e s i n the f utur e Ke y w o r ds ： r o c k b o l t f o u n d a t i o n o f wi n d g e n e r a t o r ； c o n c r e t e s t r e s s mo n i t o r i n g ； p i e z o c e r a mi c s ma r t ma t e r i a l ； s t r u c t ura l h e a l t h mo n i t o r i n g( S HM ) s y s t e m： fi n i t e e l e me n t me tho d( F E M ) 0 引言 结构健康监7 贝 IJ ( S t r u c m r a l H e a l t h Mo n i t o r i n g ， 简称 S H M) 技术是土木工程领域的研究热点之一 ， 它能够通过获取结 构 服役期 间的相关数据( 如应力 、 应变等 ) ， 结合一定 的损 伤识别算法， 及时有效地对结构 的安全性做 出评定和预警 ， 对 提高工 程结构的运行 效率和保护人 民生命财产都具有 重大 的意义删 。 早在 2 0 世纪 8 0 年代 ， 美国 、 日本 以及欧洲 等 国家就先后开始研制 S H M 系统并尝试 安装在大型的桥 梁等建筑物上 。 在 国内， S H M 技术早期 主要应用到桥梁 当中 ， 如香港的青 马大桥 、 内地 的虎 门大桥 、 黄河公路大桥 等7 - 8 。 近些年开始在其他土木工程领域得到应用， 如超高 层建筑 、 大型体育场馆 、 核电站等9 - 。 风机基础作为风力发电机 的重要组成部分 ， 由于风机塔 架在其服役期不可避免地承受风、 雨以及地震等外部载荷的 作用 ， 使其往往处于弯 、 扭 、 压等复杂的受力状态 ， 故对风机 基础 的研究与改进一直是风力发电中的热点 内容 1 1 。 目前 ， 风力发 电机基础一般采用传统 的钢筋混凝土独立扩展基 础 ， 其优点是技术很成熟 ， 但其缺点也很 明显， 如尺寸大、 混 凝土用量多 、 施工时间长 、 占用较大土地 、 经济性差等f l2 1 。 在 国电铁岭开发区风电场新建工程 中， 鉴于该场区内地基的持 力层为 中风化花岗岩 ， 承载力很高， 为了充分利用原状岩石 地基承载力 ， 采用扩头锚杆混凝土独立基础。 该基础较传统 的钢筋混凝土独立扩展基础 ， 具有基础尺寸小 ， 材料用量少 ， 占 地少等明显优势。 这是国内首次将以往多用于输电线路 、 冶 金厂房等工程当中的岩石锚杆基础应用到风机基础结构中。 为 了研究新型岩石锚杆与混凝土扩展基础 的相互作 用对风机基础受力性能的影响 ， 实时掌握其应力大小与分 布状况 ， 并为设计和施工提出合理化的建议 ， 在该基础内 设置一套 S H M 系统并进行 长期监测 。 同时采用 A B A Q US 有限元软件建立典型载荷工况下风机基础的三维模型， 对 其进行数值分析 。 最后将数值计算结果 与监测数据进行对 收稿 日期：2 0 1 2 1 1 - 1 3 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 2 7 8 3 l 3 ) ； 辽宁省 自然科学( 2 0 1 2 0 2 1 8 0 ) ； 辽宁省教育厅科学研究项 目( L 2 0 1 2 2 1 4 ) 9 下部分测点的实测应力与正常运行载荷 工况下 的数值计 算结果对 比。 从图 8的计算值与实测值对比可以看出， 岩石锚杆风 机基础的受力存在以下特点： 实测结果记录了风机基础内 部不 同位置 的应力 ， 并与数值模拟变 化规律 一致 ， 由于现 场荷载相对于数值计算昕加荷载存在多变性 二者数值上 存在一定的差异。 同时因为实测的停机工况荷载小于数值 计算的正 常运行工况 ， 故所得测实测值偏小于正 常运行工 况的计算值。 对于本丁程， 在风荷载产生的弯矩作用下， 基 础在背风面大部分处于受压状态 ， 迎 风面的基础环外侧和 锚杆位置则处 于受拉状态 。 从整体上看 ， 基础的底部受 力稍 大 于上部受力 ， 基础的混凝土应力 主要集 中在与基础环和 锚杆相接触 的位置 ， 这是 由于基础环和锚杆是重要 的荷载 传递媒介 。 从监测数据与数值计算结果可以看 出， 基础内部 混凝 土拉压应力以及基础环的应 力均， J 1 于其强度设计值 和理论计算值 ， 符合设计要求 。 5结 论 建立 了典 型荷 载工 况作用下 的岩 石锚 杆风机基础结 构计算模型， 考虑实际荷载的传递方式和各主要受力构件 之间 的相互作用机理 ， 通过现场监测与数值模拟 ， 得到 岩 石锚杆风机基础内部关键部位的应力。 主要有 以下几点结 论与建议 ： ( 1 ) 现场监测结果完整的记录了不 同荷载工况 下的基 础 内部应 力变化 ， 关键测点的实测应力与数值计算结果显 示 的规律 相似。 ( 2 ) 在 弯剪扭 等复杂 的受力 作用 下 ， 基础大部分仍 处 于受压状 态 ，受拉区主要集中在迎风面的锚杆位置处。 这 说 明新 型的岩石锚 杆基础 虽然在 尺寸上 较传统的基础缩 小一 半 ， 但在岩石 锚杆的作用下 ， 使得基 础 内部 的应力发 生重分布 ， 其各项指标均满足规范的设计要求 。 ( 3 ) 由于基础环是风机塔筒和基础之间的主要传力构 件 ， 各项数据均反映在风机基础的基础环附近产生了较大 的应力集中 ， 故建议在设计时对基础环上下翼缘附近需要 上接第 8页 I 3 1 K US T ERMAN N A， T HI E NE L K C I n fl u e n c e o f mi e r o c r a e k s i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e o n d ur a b i l i t y p r o p e i e s I n： GYe， K VBr e u g e l ， W S un ， C，Mi a o ， e d i t o r s 2ri d I nt e r na t i o n a l Co n f e r e nc e o n Mi e r o s t rnc t u r e R e l a t e d Du r a b i l i t y o f C e me n t i t i o u s C o mp o s i t e s C Ams t e r d a m， t h e Ne t h e r l a n d s， 201 2 p a p e r i d： 3 6 【 4 NE MA T I K M， MON r E I R O PJ M， S C R I VE NE R K LA n a 1 y s i s o f e o m- p r e s s i v e s t r e s s i n d u c e d c r a c k s i n c o n c r e t e J 1 A C I Ma t e r i a l s J o n r a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 5 ) ： 6 1 7 6 3 0 5 I E L Z AF R AN EY M， S O ROU S HI A N P As s e s s me n t o f mi c r o c r a e k d e v e l o p me n t i n c o n c r e t e ma t e r i als o f d i f f e r e n t s t r e n g t h S J Ma t e r i a l s a n d S t ruc t m e s ， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 2 7 4 ) ： 7 2 4 7 3 l _ f 6 1 K US T E R MAN N A， T HI EN E I K C， KE US E R MI n fl u e n c e o f e u r i n g me t ho ds o n t h e f o r ma t i 0 n o fmi e r o e r a c k s i n HS C I n： HGRu s s e l l ， e d i t o r 7 t h I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n t h e U t i l i z a t i o n o f Hi g h S t r e n h H； g h P e c f o r ma n e e C o n c r e t e C Wa s h i n g t o n D C， 2 0 0 5： 1 2 8 1 1 2 9 4 1 2 进行特别关注 。 参考文献 ： f 1 】HOUS N E R G W ， B E R GMA N I A， CA UG HE Y T K， e t a1S t r u c t u r a l c o n t r o l ： p a s t ， p r e s e n t ， a n d fi i t u r e I J AS C E， J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 9 ) ： 8 9 7 9 7 1 【 2 】 李宏男， 李东升 土木工程结构安全性评估 、 腱康监测及诊断述 评【 J 】 _ 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 3 ) ： 8 2 9 0 【 3 孙鸿敏 ， 李宏男 土木工程结构健康监测研究进展 I 】 _ 防灾减灾 工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 3 ) ： 9 2 9 8 4 1 P I NE S D， A KT AN A ES t a t u s o f s t n m t u r al h e a l t h mo n i t o r o f l o n g - s p a n b r i d g e s i n t h e U n i t e d S t a t e s J 1 P r o g r e s s S t r u c t u r e E n g i n e m i n g a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 7 2 3 8 0 5 1 S L OA N T D， T HOMP S ON ADe v e l o p me n t o f a n a u t o ma t i c d a t a c o l l e c t i o n s y s t e m f o r a m a j o r b o x - g i r d e r b r i d g e J C o m p u t e r s a n d S t rnc t u r e s ， 1 9 9 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 1 4 1 1 1 4 1 6 6 】K AS HI MA S ， YAN AKA Y， MORI K Mo n i t o r i n g t h e A k a s h i Ka i k y o B i i d g e： fi r s t e x p e r i e n e e s J 】 S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 1 ， 1 1 ( 2 ) ： 1 2 0 1 2 3 7 】邱法维， 杜文博 ， 钱稼茹， 等 虎门大桥应变监测数据处理系统 设计 桥梁建设， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 6 6 6 9 8 】 李惠， 周文松， 欧进萍， 等 大型桥梁结构智能健康监测系统集 成技术研究【 J 】 土木工程学报， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 4 6 5 2 9 】段向胜， 周锡元， 常银昌， 等 天津津塔施工8 寸 变过程应力监测 及数值分析 1 1 建筑结构 ， 2 0 1 1 ， 4 l ( 6 ) ： 1 1 4 1 1 7 【 1 0 高东伟 ， 李宏男 ， 任亮 ， 等 基于虚拟仪器技术的结构健康监测 系统开发 系统仿真学报， 2 0 0 9 ， 2 1 ( 1 O ) ： 2 8 8 9 2 8 9 4 1 1 1 王民浩， 陈观福 我国风力发电机组地基基础设计f J 1 口水力发电， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 1 1 ) ： 8 8 9 1 1 2 】 何杰， 陶铁铃， 陈玉梅新型梁板式风机基础数值模拟研究I J J _ 人 民长江， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 3 ) ： 4 3 4 5 作者简介： 阎寒( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 研究方向： 输变电结构系统设计。 联系地址： 辽宁省沈阳市东陵区高迎路3号( 1 1 0 1 7 9 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 0 8 8 9 2 2 6 7 】GR AN H C F l u o r e s c e n t l i q u i d r e p l a c e me n t t e c h n i q u e - 一 A me a n s o f e r a c k d e t e c t i o n a nd wa t e r ： b i n d e r r a t i o d e t e r mi n a t i o n i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r e h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 1 0 63 -1 07 4 【 8 J AC OB S E N S， G RAN H C， S E L L E VOL D E J ， e t a 1 Hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e fr e e z e t h a w t e s t i n g a n d c r a c k i n g J 。 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 7 7 5 1 7 8 0 【 9 u S ， C H E N G ， L Y Q u a n t i t a t i v e d a ma g e e v a l u a t i o n o f A A R - a f f e e t e d c o n c r e t e b y DI P t e c h n i q u e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 2 作者简介： 李曙光( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 混凝土耐 久性及细观力学。 联系地址 ： 北京海淀 区复兴路甲 1 号 中国水科院新结构楼 3 0 7 室( 1 0 0 0 3 8 ) 联 系电话 ： 0 1 0 6 8 7 8 1 4 1 5