0.   引言

我国北方浅海地区，地层多由第四系全新统海陆交相互沉积物组成，部分地区存在空隙潜水，承载力低且厚度分布不均匀。根据我国江浙区域海上风电开发经验，多采用单桩或群桩基础，考虑到北方区域复杂的地质环境，以及群桩基础在北方地区应用普遍较多，且工艺成熟，对于冰凌等特有灾害比单桩基础有更好的效果，因此，群桩基础是该区域海上风电的重要基础方式。由于我国北方环渤海区域普通混凝土普遍使用寿命只有20～30年，远达不到50年以上的使用寿命标准^[1]。因此，本文对群桩基础的混凝土承台的耐久性进行试验分析和数值模拟计算，为北方海域受氯盐侵蚀结合冻融的运行环境区域风电项目建设提供有益参考。

本文通过对比在NaCl溶液浸泡后，经过由少到多不同的冻融循环次数，3种常用港工混凝土性能的变化规律，并通过超声波探测技术探究混凝土的劣化机理^[2-3]，最后通过数值模拟验证相关结论。

1.   模拟海洋环境试验准备

1.1   试验方法

根据北方海上风电工程的特点，选用C30、C40、C50 3种不同抗压强度的混凝土试件。试验中采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，骨料采用细度模数为2.43河砂和粒径为5～25 mm的级配碎石；选用普通自来水，选用聚羧酸高性能减水剂，并加入引气剂，具体配合比参数见表1。每个强度等级分别7组标准混凝土立方体试块进行抗压试验和超声探测，混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；每个强度等级分别7组混凝土棱柱体试块抗折试验和动弹模量测定，混凝土试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm棱柱试块。所有混凝土试件制作完成，待24 h后进行拆模，在标准养护室养护28 d后，将试件放入到10%的NaCl溶液中浸泡90 d后将试件取出，放置在快速冻融试验箱，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中的抗冻性能试验的“快冻法”进行冻融试验^[4]。每个强度等级的2组试块分别在完成冻融循环150、200、250、300、350、400次后，先使用非金属超声探测仪检测混凝土损伤层厚度大小^[5]，再进行抗压、抗折试验，最后转换成标准试块强度进行对比。

表  1  混凝土配合比

Table  1.  Concrete mixture design

/kg·m−3
编号	水泥	水	砂子	粗骨料	减水剂	引气剂
C30	355	149	759	1187	3.55	3.55
C40	427	150	712	1161	5.13	4.27
C50	478	153	691	1128	5.74	4.78

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   标准强度试验

制备的试块在标准养护28 d后，取1组标准立方体试块和1组棱柱体试块分别进行混凝土强度检测试验和弹模量测定，测得C30、C40、C50抗压强度分别为33.9、44.7、54.6 MPa，抗折强度分别为6.5、8.4、10.3 MPa，弹性模量分别为29 680、32 400、34 900 MPa。此试验数据用于与模拟海洋环境测试结果进行参照对比分析。

1.3   超声波探测试验分析

为获知北方海洋环境对混凝土承台随时间的影响深度规律，取每种强度等级6组不同冻融循环立方体试块，采用超声平测法对不同冻融循环下受NaCl溶液的侵蚀的试件进行测试，分析各测点时—距关系，选择6种典型的不同冻融循环次数下的测试数据，绘制各测点时—距关系曲线（图1）。

图  1  试件在氯化钠溶液中冻融时间-距离关系

Figure  1.  Relationship between time and distance of specimens in sodium chloride solution after freezing and thawing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图1中黑色直线段表示超声波在损伤层中传播的时间—距离关系。红色直线段表示超声波穿过损伤层经过未损伤区域内的时间—距离关系。两直线交点位置为损伤层至微损伤部分的分界点，直线的斜率分别表示不同的超声波传播速度，由此典型数据可以看出，在损伤层中超声波传播速率较小，进入到未损伤层中，波速明显增大。除此之外还可以看出，在冻融循环次数增加的过程中，损伤层与未损伤层的交点位置从19.1 µs移动到27.9 µs逐步增大，说明混凝土试件损伤层厚度大小随着冻融循环次数也在逐渐增加。

如图2所示，冻融循环达到150次时，C30混凝土试件损伤层厚度约为74 mm，C40混凝土试件损伤层厚度约为68 mm，C50混凝土试件损伤层厚度约为59 mm，在冻融循环达到400次时，混凝土试件损伤层厚度分别为103、93、80 mm，损伤层厚度分别增加了39.1%、36.7%、35.5%，表明随冻融循环次数的增加，混凝土损伤的深度也在缓慢的增加。这对于北方海上风电混凝土结构基础的耐久性有重要影响，应调整配合比以及外加剂的使用，降低冻融作用的危害。

图  2  试件损伤层深度-冻融循环关系

Figure  2.  Relationship between depth of damaged layer and freeze-thaw cycle

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.4   强度试验数据分析

为了研究北方海洋环境对混凝土承台基础强度的损伤情况，根据试验方法，将每个强度等级的6组标准立方体试块和6组棱柱体试块，进行不同循环次数的冻融试验。6组标准立方体试块进行抗压强度试验，6组棱柱体试块进行抗折强度试验。根据在NaCl溶液中浸泡的试块强度试验结果，分别绘制出C30、C40、C50混凝土的抗压强度、抗折强度和混凝土弹性模量曲线如图3～5。在冻融循环150次后，抗压强度、抗折强度及弹性模量都明显降低，C30混凝土强度损失14.3%，C40混凝土强度损失8.6%，C50强度损失仅为5.4%，随着冻融循环次数的增加，混凝土各种性能指标损失逐渐加剧，到250次循环后变化速率降低。由此可以看出，冻融循环在250～300次时，混凝土受冻融影响逐渐增大。C30混凝土的所有性能指标下降速率明显高于C40和C50，而随着强度的增加C40和C50混凝土各性能指标趋同。试验显示到达一定强度后，混凝土在模拟海洋环境侵蚀作用下，并经多次冻融后，并没有强度的提高而降低，且未促使耐久性的同比例提高。

图  3  抗压强度-冻融循环曲线

Figure  3.  Compressive strength-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  抗折强度-冻融循环曲线

Figure  4.  Flexural strength-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  弹性模量-冻融循环曲线

Figure  5.  Elastic modulus-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   钢筋拔出试验

2.1   试验方法

钢筋混凝土承台在冻融和氯盐侵蚀后混凝土与钢筋的粘结力测试方法，3种强度等级每个强度等级制作7组特殊设计的钢筋混凝土拔出试件。混凝土试件尺寸150 mm ×150 mm ×150 mm标准试块。钢筋选用直径16 mm的HRB400变形钢筋。将21组试件放入到10%的NaCl溶液中浸泡90天，并分批按不同冻融循环次数进行冻融。依据《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—2012），采用中心拔出钢筋来分析受侵蚀的混凝土的粘结强度问题^[6]，以混凝土试件发生破坏为钢筋拔出标准。

2.2   试验现象及数据

2.2.1   试验现象

未经冻融循环的试件，钢筋拔出试验中，有大量混凝土随钢筋拔出，钢筋锚固断面有较宽裂缝出现。在冻融循环达到250次时，开始出现较明显的裂纹。冻融循环达350次时，裂纹分布面积较大，裂纹较多，钢筋带出混凝土相对较少，且以呈粉末状为主。说明试验在冻融循环250次后，损伤速度增快。说明在预埋钢筋的试件中，钢筋与混凝土的接触界面，随冻融循环次数增加，接触面强度削弱逐渐明显。

2.2.2   数据分析

整理试验结果数据，绘制C30、C40、C50 3种强度混凝土试件的破坏荷载、平均粘结强度、劣化系数和平均峰值位移与冻融循环的关系曲线如图6～9。

图  6  破坏荷载-冻融循环曲线

Figure  6.  Failure load-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  平均粘结强度-冻融循环曲线

Figure  7.  Average bond strength-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  平均峰值位移-冻融循环曲线

Figure  8.  Average peak displacement-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  9  劣化系数-冻融循环曲线

Figure  9.  Deterioration factor-freeze thaw cycle curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

结果表明，从150次冻融循环开始，粘结应力开始逐渐下降、极限滑移量逐渐增大，说明在150次冻融循环下，混凝土与钢筋的粘结效果受冻融循环次数影响较为明显。到达250次冻融循环时，应力、位移变化速率达到高峰，随后冻融循环作用下，应力和位移趋势变缓，说明冻融循环在250次后，对混凝土冻融效果降低，这是由于外层混凝土在剥离前可以对内层混凝土起到一定的缓冲作用。C30、C40、C50混凝土拉拔试件在150次冻融循环作用下，破坏荷载、平均粘结强度分别损失10.3%、7.7%、5.5%，平均峰值位移分别增大8.6%、7.3%、4.7%；在400次冻融循环后，较250次冻融循环分别下降14.3%、11.2%、7.6%，由此可以看出，混凝土强度提升，在海洋腐蚀并多次冻融的环境中，混凝土构件对钢筋保护也随之明显提高。

3.   混凝土风电承台冻融循环模拟分析

根据前面试验测试所得的参数结合海上风电工程实际，应用ANSYS通用软件来建模分析计算风电基础承台，此方法与一般的固体力学中的有限元分析在基本原理与方法上基本上是一致的，但如何进行结构的离散化，又有所不同。模拟受静力荷载和冻融耦合双重作用下^[7]，混凝土承台的力学性能状态，为使得有限元计算过程顺利进行，本模拟过程中忽略混凝土和钢筋间的黏结滑移影响。

3.1   模拟计算工况

混凝土风电承台选择直径14 m，厚度5 m的钢筋混凝土承台^[8]，配筋率取1.6%，考虑C30、C40、C50混凝土分别在冻融循环为0次、150次、200次、250次、300次、350次、400次情况下，混凝土承台在风机荷载和冰凌荷载^[9]作用下产生的最大应力和最大应变。

3.2   建立有限元模型

选用Ansys 有限元软件中solid65单元模拟钢筋混凝土材料，建立整体式钢筋混凝土结构模型如图10。

图  10  混凝土承台有限元模型

Figure  10.  Finite element model of concrete bearing platform

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在设置材料参数时，考虑未冻融混凝土采用混凝土W-W五参数破坏准则，不同冻融次数下的混凝土弹性模量和抗压强度可由立方体标准试块测出^[10]。冻融后混凝土的破坏准则通过单轴抗拉强度和单轴抗压强度来确定，冻融影响的混凝土应力—应变关系按式（1）和（2）^[11]确定。

a=−0.0143ΔP_n+1.744；b=0.0796ΔP_n+1.582；ΔP_n=$-3.57+3.50{e^{\textstyle\frac{n}{{122}}}}$；$x=\dfrac{\varepsilon }{{{\varepsilon _{cd}}}}$；$y=\dfrac{\sigma }{{{f_{cd}}}}$。

式中：ΔP_n为经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量损失率；

$\varepsilon $为混凝土压应变；

$\sigma $为混凝土压应力；

${\varepsilon _{cd}}$为不同冻融循环次数下混凝土试件的峰值应变；

${f_{cd}}$为不同冻融循环次数下混凝土试件的峰值应力；

a、b分别为应力应变曲线上升段和下降段的控制参数。

3.3   计算结果分析

（1） 根据本文试验过程试验方法和试验参数，通过有限元模拟计算获得C30、C40、C50 3种混凝土材料承台在不同冻融循环次数的最大应力值，与相同冻融循环下的强度试验结果对比如表2，并绘制曲线如图11。在冻融循环达到300次时，C30混凝土承台模拟计算最大压应力达到21.3 MPa，已经超过次循环次数下C30混凝土试件抗压强度18.1 MPa，承台便已经产生破坏，而C40、C50在400次冻融循环下的计算最大压应力分别为22.7、20.6 MPa，都分别小于其强度试验所得到的抗压强度24.2、38.3 MPa，说明在400次冻融循环作用下，此强度等级在该工况下仍可以保证混凝土承台的承载力要求。

表  2  计算应力分析

Table  2.  Analysis of calculation stress

混凝土强度	冻融循环/次	模拟计算最大压应力/MPa	试验强度值/MPa
C30	0	16.8	33.9
	150	18.1	29.2
	200	18.6	25.8
	250	19.7	21.6
	300	21.3	18.1
	350	23.2	15.6
	400	24.9	13.2
C40	0	16.8	44.7
	150	17.6	40.1
	200	18.6	37.3
	250	19.8	33.2
	300	21.4	29.6
	350	22.1	26.4
	400	22.7	24.2
C50	0	16.8	54.6
	150	17.5	51.3
	200	18.2	48.8
	250	18.9	45.7
	300	19.7	42.6
	350	20.1	40.1
	400	20.6	38.3

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  11  最大压应力-冻融循环次数曲线

Figure  11.  Maximum stress-freeze thaw cycles curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2） 根据本文试验过程试验方法和试验参数，通过有限元模拟计算获得C30、C40、C50 3种混凝土材料承台在不同冻融循环次数的最大变形值，并绘制曲线如图12。可以看出，C50混凝土承台相对最大变形仅为8.1 mm，而C30混凝土承台相对变形可达到11.2 mm，所以，C50混凝土承台更适应于对变形要求较高的风电基础结构。

图  12  最大变形-冻融循环次数曲线

Figure  12.  Curve of maximum deformation-freeze thaw cycles

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（3） 通过计算结果分析，可以看出：通过冻融循环数值模拟计算，得到C30、C40、C50 3种不同强度等级的风电基础混凝土承台的最大应力平均增大百分比为7.3%、5.2%、3.6%，其中C30等级混凝土最大应力达到24.9 MPa，而浸蚀冻融的C30、C40、C50 3种试块抗压强度平均折减百分比为14%、8.9%、5.3%，C30等级混凝土试件最小抗压强度值仅为13.2 MPa。主要是由于数值模拟计算过程中未考虑海水侵蚀影响。冻融模拟计算结果与试验分析结果展示出来的规律基本一致。

（4） 耐久性分析： 以辽宁地区为例，根据中国气象局网站资料，历年气象统计数据，对我国代表城市抗冻循环次数统计分析，根据研究获得辽宁代表城市沈阳的当量冻融循环次数为5.21次/a，冻融循环150次大概需要时间为30 a，冻融循环250次大概需要时间为50 a^[12]。计算得C30混凝土承台250次冻融循环时最大应力达到19.7 MPa，而在该冻融循环时，C30混凝土抗压强度为21.6 MPa，则冻融循环达250次前，C30混凝土承台已经发生破坏，所以推断在冻融循环200次时混凝土承台便开始接近破坏状态，此时混凝土承台使用寿命为40 a。由于我国海上风电场基础结构普遍设计寿命为50 a，因此应考虑氯盐侵蚀条件下和冻融环境相结合的工况，应适当加大混凝土保护层厚度，提高混凝土强度等级，并充分利用外加剂效果。

4.   结论

通过试验研究和数值模拟计算可以得出以下认识:

（1） 钢筋拉拔试件试验中，冻融循环达到250次时，冻融循环对钢筋与混凝土粘结强度的影响平均增大8.4%，在250次冻融循环后，冻融循环对其破坏速度便趋于稳定。而棱柱体试件测试则说明，冻融循环达到300次时，棱柱体抗压、抗折损伤平均增长6.8%。

（2） 冻融循环超过300次后，C30、C40、C50混凝土结构损伤已经分别达到45%、40%、26.5%，强度损失出现增大趋势，北方沿海风电工程混凝土基础结构在设计过程中要考虑长期冻融的侵蚀环境对结构的损伤能力。

（3） 冻融循环次数的增加过程中，C50混凝土强度平均损失率比C30混凝土低8.7%，建议海上风电多桩承台混凝土结构可采用较高强度等级混凝土来提高结构增强耐久性能，从而增加使用寿命。

（4） 数值模拟计算结果可以看出，C50混凝土结构受北方冻融环境影响程度比C30混凝土结构低21.5%，更加高效的提高了海上风电基础的耐久性。同时，可以根据计算应力值，与试验所得强度值比较，估算结构破坏时冻融循环数量，从而推断结构耐久性年限。