陆上风电机组基础混凝土温控防裂分析

随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日趋严重，大力发展清洁可再生能源，走低碳经济发展道路，已成为全球能源的发展趋势和推动能源转型、应对全球气候变化的普遍共识和一致行动。“十四五”以来，碳达峰碳中和作为我国污染防治攻坚战的首要任务，被首次写入国民经济和社会发展的五年规划中，这意味着一个以化石能源为主的时代开始向非化石清洁能源的时代迈进。电力行业是我国实现碳达峰碳中和目标的关键行业，将助力全社会低碳转型。风能作为一种重要的可再生能源，因其清洁环保、储量丰富、分布广泛、开发潜力大等优点，在世界能源体系绿色转型的过程中发挥关键的作用，风电工程在未来一段时间也将成为国内施工建设的重要组成部分。随着我国风机单机容量的不断提高，所需基础体积也逐渐扩大，使其具备大体积混凝土的特点。相较于一般的大体积混凝土，由于施工条件的限制，风机基础通常采用泵送混凝土，强度高，水泥用量大，浇筑过程中在基础内部容易集聚大量的水化热，由于混凝土表面散热较快，较大的内外温差使基础生成超过混凝土抗裂强度的温度应力。同时由于陆上风电场往往修建在我国风能较为集中的“三北”地区（华北、东北、西北地区）的山脊、丘陵或者海边地带，施工及运行环境恶劣，更加加剧了风机基础由于温度应力的影响，在基础表面和内部产生温度裂缝，给风机机组的安全稳定运行带来不同程度的危害，因此对风电工程大体积混凝土基础防裂的研究具有重要的意义。本书以国内外四种不同类型风机基础工程为依托，建立各自的三维有限元模型，模拟计算风机基础在不同工况和不同温控措施条件下的温度场和应力场，深入了解各影响参数对风机基础温度、应力场的影响大小和影响规律，分析各温控措施对减少风机基础混凝土温度裂缝的作用，及各类型风机基础混凝土开裂的风险及裂缝可能出现的位置。为风机基础混凝土的温控防裂提供参考。本书经历了确立选题、编制提纲、收集资料、撰写初稿、统稿、评审和定稿等阶段。通过全体参与人员共同努力，本书得以出版，在此特别向魏凯迪、王龙威、陶帅、俞建强、马立恬等人员表示衷心的感谢。由于著者水平以及所掌握的资料等有限，不妥、错误和疏漏在所难免，希望广大读者提出宝贵意见和建议。著者2023年4月

本书依托国内外风电工程实例，系统阐述了陆上风电机组基础混凝土温控防裂及仿真分析的原理和工程应用，包括风电机组的设计选型、基础施工、热传导和徐变温度应力有限元分析原理、热结构耦合分析方法、温度应力影响因素分析、不同类型基础实例的仿真计算、参数敏感性分析、BP神经网络温度应力预测系统构建、温度控制措施、防裂工法及效益分析。
本书内容丰富，取材新颖，概念清晰，提出了一些新的分析方法，并特别重视理论联系实际，兼有科学性和实用性。

刘明华，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司高级工程师。

前 言
第1章 综述
1.1 风能
1.2 风机基础混凝土的温控防裂问题
1.2.1 概述
1.2.2 风机基础混凝土温控防裂存在的问题
1.2.3 实际工程案例的温度检测及裂缝情况
第2章 风电机组的设计选型
2.1 风电机组概述
2.1.1 基本形式
2.1.2 主要系统介绍
2.2 风电基础类型
2.2.1 桩基础
2.2.2 重力扩展基础
2.3 风电基础设计
2.3.1 基本规定
2.3.2 风机基础载荷
2.3.3 风机基础设计
第3章 风电机组基础混凝土施工
3.1 地基处理施工
3.2 灌注桩基础施工
第4章 热传导及有限元分析
4.1 热传导方程与边值条件
4.2 非稳定温度场有限元计算
第5章 徐变温度应力及有限元分析
5.1 混凝土温度应力类型
5.2 混凝土徐变计算
5.3 混凝土温度徐变应力有限元计算
第6章 有限元仿真分析程序
6.1 热结构耦合分析
6.1.1 热分析
6.1.2 热耦合分析
6.1.3 温度应力分析步骤
6.2 ANSYS二次开发技术
6.2.1 APDL参数化语言设计
6.2.2 用户可编程特性（UPFs）
6.2.3 UPFs用户子程序
6.3 仿真分析中的若干问题
6.3.1 温度场计算
6.3.2 应力场计算
6.3.3 程序设计
第7章 风机基础混凝土温度应力影响因素
7.1 外形尺寸
7.2 材料热力学性能
7.2.1 热学性能
7.2.2 绝热温升
7.2.3 弹性模量
7.2.4 泊松比
7.2.5 线膨胀系数
7.2.6 自生体积变形
7.3 外界环境条件
7.3.1 气温
7.3.2 风速
7.4 施工条件
7.4.1 浇筑温度
7.4.2 施工间隔
7.5 温控防裂措施
7.5.1 混凝土材料性能优选
7.5.2 表面保温
7.5.3 冷却水管
7.6 影响因素总结
第8章 风机基础混凝土系列仿真计算
8.1 工程资料
8.2 典型小实心圆盘基础温度应力仿真计算分析
8.2.1 工程概况
8.2.2 计算参数
8.2.3 有限元模型
8.2.4 计算流程说明
8.2.5 计算结果
8.2.6 结果分析
8.3 典型空心圆盘基础温度应力仿真计算分析
8.3.1 工程概况
8.3.2 计算参数
8.3.3 有限元模型
8.3.4 计算流程说明
8.3.5 计算结果
8.4 典型八边形筏板基础温度应力仿真计算分析
8.4.1 工程概况
8.4.2 计算参数
8.4.3 有限元模型
8.4.4 计算流程说明
8.4.5 计算结果
8.5 典型大实心圆盘基础温度应力仿真计算分析
8.5.1 工程概况
8.5.2 计算参数
8.3.3 有限元模型
8.3.4 计算流程说明
8.5.5 计算结果
第9章 参数敏感性模拟计算分析
9.1 有限元模型
9.1.1 分析方案
9.1.2 影响分析
9.2 基础混凝土弹性模量
9.2.1 分析方案
9.2.2 影响分析
9.3 垫层混凝土弹性模量
9.3.1 分析方案
9.3.2 影响分析
9.4 混凝土密度
9.4.1 分析方案
9.4.2 影响分析
9.5 土密度
9.5.1 分析方案
9.5.2 影响分析
9.6 混凝土导热系数
9.6.1 分析方案
9.6.2 影响分析
9.7 土导热系数
9.7.1 分析方案
9.7.2 影响分析
9.8 泊松比
9.8.1 分析方案
9.8.2 影响分析
9.9 混凝土线胀系数
9.9.1 分析方案
9.9.2 影响分析
9.10 混凝土比热容
9.10.1 分析方案
9.10.2 影响分析
9.11 混凝土绝热温升
9.11.1 分析方案
9.11.2 影响分析
9.12 风速
9.12.1 分析方案
9.12.2 影响分析
9.13 年平均气温
9.13.1 分析方案
9.13.2 影响分析
9.14 气温年较差
9.14.1 分析方案
9.14.2 影响分析
9.15 施工开始日期
9.15.1 分析方案
9.15.2 影响分析
9.16 本章小结
第10章 基于BP神经网络的风机基础温度应力预测
10.1 预测模型设计思路
10.2 小实心圆盘基础温度应力预测模型
10.2.1 数据样本的构建和处理
10.2.2 BP神经网络结构设计
10.2.3 BP神经网络预测模型检验
10.3 空心圆盘基础温度应力预测模型
10.3.1 数据样本的构建和处理
10.3.2 BP神经网络结构设计
10.3.3 BP神经网络预测模型检验
10.4 八边形筏板基础温度应力预测模型
10.4.1 数据样本的构建和处理
10.4.2 BP神经网络结构设计
10.4.3 BP神经网络预测模型检验
10.5 大实心圆盘基础温度应力预测模型
10.5.1 数据样本的构建和处理
10.5.2 BP神经网络结构设计
10.5.3 BP神经网络预测模型检验
10.6 风机基础混凝土温度应力预测软件介绍
10.6.1 登录软件
10.6.2 选择风机基础类型
10.6.3 输入参数
10.6.4 结果查询
10.6.5 关于软件
第11章 风机基础混凝土温度控制分析
11.1 算例分析
11.2 表面保温
11.2.1 分析方案
11.2.2 保温效果分析
11.3 冷却水管
11.3.1 分析方案
11.3.2 效果分析
11.4 表面保温和冷却水管共同作用
11.4.1 分析方案
11.4.2 效果分析
11.5 改变绝热温升及其组合温控
11.5.1 改变绝热温升
11.5.2 改变绝热温升并加盖保温层
11.5.3 改变绝热温升、加盖保温层、加设冷却水管共同作用
11.6 MgO抗裂剂
11.6.1 自生体积变形考虑因素
11.6.2 抗裂剂添加部位
第12章 风机基础混凝土温控防裂工法
12.1 特点
12.2 工艺原理
12.2.1 表面保温作用机理
12.2.2 智能测温原理
12.3 施工工艺流程及操作要点
12.3.1 施工工艺流程
12.3.2 操作要点
12.3.3 混凝土的测温技术
12.3.4 温度监测质量控制
第13章 效益分析
参考文献

本书依托国内外风电工程实例，系统阐述了陆上风电机组基础混凝土温控防裂及仿真分析的原理和工程应用，包括风电机组的设计选型、基础施工、热传导和徐变温度应力有限元分析原理、热结构耦合分析方法、温度应力影响因素分析、不同类型基础实例的仿真计算、参数敏感性分析、BP神经网络温度应力预测系统构建、温度控制措施、防裂工法及效益分析。
本书内容丰富，取材新颖，概念清晰，提出了一些新的分析方法，并特别重视理论联系实际，兼有科学性和实用性。

刘明华，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司高级工程师。