风力发电塔基础混凝土施工中钢模板系统有限元分析

引言：当前风机基础模板施工中，常出现面板鼓胀、接缝漏浆等问题，严重影响混凝土成型质量，传统设计方法难以准确预测极端荷载下的系统响应，对螺栓预紧力和对拉间距等关键参数缺乏系统研究，这些不足导致模板系统存在安全隐患，且可能造成材料浪费，因此，亟需采用先进分析方法深入研究模板系统的受力特性。

一、风力发电塔基础钢模板系统构造介绍

（一）面板与加劲肋结构

钢制面板构成混凝土成型的直接工作面，其表面平整度直接影响基础的外观质量。为增强面板的刚度和稳定性，在面板背面焊接了纵横交错的加劲肋系统。这些加劲肋采用槽钢或工字钢等型材，沿竖向和水平方向均匀布置，形成网格状支撑体系。这种构造能有效将混凝土侧压力传递至主背楞，避免面板局部变形，确保成型后的混凝土表面平整光滑。加劲肋的间距经过精密计算，在保证结构强度的同时兼顾经济性[1]。

（二）对拉系统与连接节点

对拉系统是抵抗混凝土侧压力的核心构件，由高强度对拉杆、紧固螺栓和承压板组成。对拉杆横向穿过基础模板，两端通过高强度螺栓与外部背楞连接，形成平衡受力体系。连接节点采用精密机械加工的承压板和加劲肋，确保应力有效传递。各模板单元之间通过法兰连接板螺栓固定，拼缝处设置密封条防止漏浆。这种设计使整个模板系统形成稳定的空间结构，能够有效控制浇筑过程中的变形。

二、风力发电塔基础混凝土施工中钢模板系统有限元分析

（一）钢模板与混凝土接触机理及应力研究

在风力发电塔基础混凝土施工过程中，钢模板与混凝土之间的相互作用是一个十分关键的问题。这种相互作用表现出明显的接触非线性特征，也就是说，两者之间并非完全刚性连接，而是存在复杂的接触与分离过程。混凝土在浇筑初期处于流动状态，随后逐渐凝结硬化，这一过程中对模板产生的侧压力不断变化。钢模板表面与混凝土直接接触，接触面的摩擦行为和压力传递直接影响模板的受力状态。随着混凝土液位的上升，侧向压力逐渐增大，模板面板会发生微小变形。这种变形反过来又会影响混凝土对模板的压力分布，形成一个相互影响的耦合系统。为了准确把握这种相互作用，有限元分析中需要合理定义接触关系。通常将混凝土视为变形体，模板系统作为刚性或弹性体，在接触面上设置摩擦系数和接触约束。混凝土在硬化过程中的收缩也会引起接触应力重新分布，可能造成局部区域出现应力集中。这些集中现象多发生在模板拼缝、转角或加固肋附近。实际分析时应当注意这些部位的细节建模，避免简化过度导致结果失真。通过模拟不同浇筑高度下的接触状态，可以获得模板表面压力的分布规律，进而判断是否可能出现胀模或局部失稳。应力分布的均匀性对保证混凝土成型质量至关重要。若模板刚度不足，中部区域可能发生较大变形，导致混凝土表面出现鼓胀或不平整。相反，如果模板刚度过大，虽能控制变形，但可能造成材料浪费和成本增加。分析时应特别关注面板的应力云图，找出高应力区并评估其是否在材料允许范围内。焊缝和连接部位也是需要仔细检查的区域，这些地方的应力集中往往更为显著。通过研究不同接触条件下的应力传递路径，可以帮助优化模板设计，提高结构安全性和经济性。

（二）风载与泵送冲击动力响应分析

风力发电塔基础施工往往处于开阔地带，易受大风天气影响，极端风荷载与混凝土泵送冲击的共同作用，会使模板系统产生复杂的动力响应。风荷载的作用具有随机性和动态特性，不同风速和风向会对模板表面形成变化的风压。泵送混凝土时，出口流速较高，对模板内部产生连续或间断的冲击力。这两种动态荷载如果同时发生，可能引发结构的振动甚至共振，威胁施工安全。时程分析方法是研究这种动力响应的有效手段，通过输入实际风场记录或模拟风压时程曲线，结合泵送冲击的荷载模型，可以计算模板系统在不同时刻的位移、速度和加速度响应。分析中需考虑结构的固有频率和阻尼特性，避免外部激励频率与结构自振频率过于接近。混凝土的逐渐浇筑过程也会改变系统质量分布和动力特性，因此分析应覆盖从开始浇筑到结束的全过程[2]。动态分析能够捕捉到静态方法无法发现的瞬时过大变形或应力波动。结果评估时要重点关注模板的整体稳定性和局部振动情况，大风可能导致模板发生横向摆动，影响竖向精度；泵送冲击则容易引起面板局部抖动，可能导致连接件松动或混凝土表面质量下降。分析应给出不同工况下关键点的位移时程曲线和应力时程曲线，找出最大响应发生的位置与时刻。依据这些结果可以判断是否需要增加临时支撑或调整泵送工艺，比如降低泵送速度或避开大风时段作业。通过动力分析能够为施工决策提供更加全面的依据，有效降低风险。

（三）螺栓与间距参数优化影响研究

螺栓预紧力与对拉间距是钢模板系统设计中的两个重要参数，直接影响模板的刚度和变形控制效果。参数化设计方法允许快速调整这些参数并进行系列计算，从而系统地分析它们的影响规律。螺栓预紧力决定了连接部位的紧固程度，预紧力不足可能导致接触面分离或滑移，而过大的预紧力可能引起螺栓本身或连接板的损伤。对拉间距则关系到模板面板的支承条件，间距过大可能使面板挠度超标，间距过小则会增加材料用量和施工复杂度。通过参数化分析可以建立参数与面板最大变形之间的定量关系，通常的做法是保持其他条件不变，逐步改变预紧力或间距数值，进行多次有限元计算。每次计算后提取面板的变形云图，记录中心点和边缘点的位移值。分析结果可能会显示出某些临界值或最优区间，例如当预紧力达到一定数值后，再增加对变形控制的改善效果变得不再明显。同样，对拉间距也存在一个经济合理的范围，超出该范围后要么变形过大要么成本过高。基于这些规律可以进行针对性优化，优化目标是在满足变形限值的前提下尽可能减少材料用量和施工难度。例如，通过适当提高螺栓预紧力，可能会允许适当增大对拉间距，从而减少对拉杆数量，但必须注意预紧力的提高应保证在螺栓强度允许范围内，并且需要考虑施工中预紧力控制的可行性，优化后的参数组合应通过详细分析进行验证，确保在各种工况下都能满足要求[3]。这种参数化分析方法不仅提高了设计效率，还能为具体项目找到最合理的参数配置，实现安全性与经济性的统一。

结语：通过本文的研究可知，钢模板系统的受力性能受多种因素共同影响，通过接触非线性分析可准确把握混凝土与模板的相互作用机理，时程分析能有效评估动力荷载下的系统响应，参数化研究则为关键设计参数的优化提供了明确方向，这些研究成果对提升模板系统设计水平、保证施工安全具有重要实践价值，为绿色能源基础设施建设提供更有力的技术支撑。

参考文献：

[1]丁舒航.考虑土-结相互作用的风力发电塔地震动力响应分析[D].西安建筑科技大学,2024.

[2]周全林.低风速区风力发电塔支撑结构研究现状及关键问题[C]//中冶建筑研究总院有限公司.2022 年工业建筑学术交流会论文集.华东新华能源投资有限公司;,2022:467-471.

[3]柳柏魁,王鑫.地震载荷作用下风力发电塔响应分析[J].机电工程技术,2024,53(11):193-196+227.