海上風電承臺大體積混凝土裂縫控制技術

朱德華，劉成軍，王新剛*

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

海上風電承臺大體積混凝土裂縫控制技術

朱德華1，劉成軍2，王新剛1*

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

為了防止海上風電風機承臺大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，研究采用有限元軟件在施工前進行溫度應力分析計算。根據(jù)溫度應力計算結果所反映出來的溫度場和應力場特點，有針對性地制定防裂技術措施。實踐結果表明，風機承臺未出現(xiàn)裂縫，證明了控裂思路的可靠性。

大體積混凝土；海上風電；承臺；裂縫控制

0　引言

福建龍源莆田南日島400 MW海上風電示范項目工程位于莆田市南日島東北側海域，規(guī)劃布置100臺單機容量4.0 MW的風力發(fā)電機組。風機基礎采用C50高性能海工混凝土承臺和鋼管樁基礎。承臺一般構造圖如圖1所示。C50混凝土配合比如表1所列。

由圖1和表1可以看出，風機承臺直徑和厚度分別達到了14 m和5.6m，膠凝材料單方用量達到了500 kg。另外，1號風機承臺預計在8月份澆筑施工，當月平均氣溫較高，在32℃左右，混凝土各種原材料溫度偏高。因此，風機承臺裂縫控制難度非常大。為了防止裂縫的出現(xiàn)，必須在施工前對水化熱溫度應力進行驗算，并根據(jù)驗算結果制定防裂技術措施。

圖1　風機基礎承臺一般構造圖Fig.1 General structural draw ing of p latform s for w ind power fans

表1　 C50高性能海工混凝土配合比Tab le1 M ix ratio of C50 high performancemarine concrete kg

1　風機承臺施工前溫度應力驗算

1.1風機承臺有限元分析模型的建立

根據(jù)設計資料，應用有限元軟件Midas Civil[1]，按照風機承臺的實際尺寸建立有限元分析模型。

根據(jù)混凝土配合比的水泥、粉煤灰和礦粉的用量，膠疑材料水化熱折減系數(shù)取0.8[2]，折算后水泥用量當量值為400 kg，水泥采用P.O42.5水泥，水泥7 d水化熱按經驗值取271 kJ/kg，風機承臺有限元計算分析參數(shù)如表2所列。

表2　風機承臺有限元分析計算參數(shù)Table2 Parameters for finiteelementanalysisofp latform s for w ind pow er fans

1.2風機承臺溫度場有限元分析結果

為了有針對性地制定防裂技術措施，對風機承臺不采取任何防裂技術措施條件下的溫度場進行仿真分析。

風機承臺仿真分析時長40 d，風機承臺72 h時溫度場剖面如圖2所示。

圖2　風機承臺72 h時溫度場剖面圖Fig.2 Profile of No.72 h tem peratu re field of p latform s for w ind power fans

風機承臺混凝土澆筑完成后表面和中心溫度隨時間變化曲線如圖3所示。由圖中可以看出，承臺表面在澆筑完成后24 h時溫度達到最高值48.6℃；中心在72 h時溫度達到最高為82.0℃，最大內表溫差達到了33.4℃，超過了規(guī)范所允許的最大值25℃。由此可見，風機承臺很可能會產生表面裂縫。

圖3　風機承臺中心點溫度隨時間變化圖Fig.3 Changeof tem perature at center of p latform s for w ind power fansover time

1.3風機承臺應力場有限元分析結果

風機承臺表面應力隨時間變化如圖4所示。

圖4　風機承臺應力隨時間變化圖Fig.4 Changeof stress in p latform s forw ind power fansover time

由圖4可以看出，拉應力自混凝土澆筑完成后約20 h時開始大于容許拉應力，并在約100 h時達到最大值。由此可見，風機承臺必將會產生裂縫，這與1.2節(jié)溫度場分析結果一致。因此，風機承臺必須研究相應的防裂技術措施，來防止或減少裂縫的產生。

2　風機承臺防裂技術措施

根據(jù)風機承臺溫度應力驗算結果，為了減少或避免裂縫的產生，主要從降低混凝土內部最高溫度，降低澆筑溫度和提高混凝土本身抗裂性能幾方面綜合考慮。

2.1布置冷卻水管

根據(jù)1.2、1.3節(jié)承臺溫度應力有限元分析結果，并結合圓形承臺的結構特點，冷卻水管的平面布置采用螺旋線形，平面布置間距為900 mm，如圖5所示；冷卻水管在立面上共布置4層，間距1 000 mm，每層冷卻水管長度為165～175 m，如圖6所示。

圖5　冷卻水管及測溫點平面布置圖（單位：mm）Fig.5 Layou tof cooling w ater pipesand tem perature measuring points（mm）

圖6　冷卻水管立面布置圖（單位：mm）Fig.6 Vertical layoutof coolingwater pipes（mm）

冷卻水管材料采用DN32導熱性能良好的PE-RT聚乙烯地采暖專用管，水管之間采用熱熔焊接連接，且每層為一組各設置進水口和出水口，各自組成1個獨立的冷卻水管循環(huán)系統(tǒng)，進水口均布置在承臺中間，出水口均布置在承臺外圍。

冷卻水可采用常溫海水，流速不小于0.6m/s；同時對冷卻水及混凝土內部溫度進行監(jiān)測，確保冷卻水管與混凝土溫差不超過25℃，當混凝土內部降溫速率達到2℃/d時，應停止通冷卻水[3]。

2.2降低混凝土的澆筑溫度

1）混凝土拌和用水加冰

將配合比中混凝土部分拌合水用相同重量冰來代替，可降低混凝土原材料溫度。經過試拌，拌合用水中最多可加75 kg冰。

2）降低混凝土原材料溫度

降低混凝土原材料溫度，特別是降低粗骨料溫度能夠顯著降低混凝土的澆筑溫度。但由于海上施工條件限制原材料遮陽存放比較困難，因此把混凝土澆筑時間選擇在清晨6點左右開始，這樣混凝土原材料經過一夜的降溫，整體溫度處于較低水平。

通過采取以上兩項措施，混凝土澆筑溫度能夠控制在28℃以下。

2.3提高混凝土抗裂性能技術措施

1）優(yōu)化混凝土攪拌工藝

改變現(xiàn)有混凝土攪拌時的投料程序，采取將粉煤灰、礦粉、砂和70%的冰水，充分攪拌后再投放石子及剩余30%的冰水進行攪拌的新工藝，這種攪拌工藝也稱“二次投料法”。

2）對混凝土進行保溫保濕養(yǎng)護

風機承臺模板拆除后，先在混凝土表面鋪設1層土工布，灑水充分潤濕后覆蓋1層塑料薄膜進行保水，最后再覆蓋1層土工布。并在混凝土內部降溫速率接近或超過2℃/d時，覆蓋棉被進行保溫保濕養(yǎng)護。密封保溫保濕養(yǎng)護時間不少于14 d。

3　風機承臺混凝土溫度的智能監(jiān)測

3.1監(jiān)測目的

混凝土溫度監(jiān)測的目的主要是監(jiān)測混凝土的澆筑溫度、內表溫差、內部最高溫度、降溫速率等溫控指標，確保其符合相關規(guī)范要求。同時也可為后續(xù)施工中采取相應溫控措施提供依據(jù)。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

混凝土溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)工作原理為：由各個溫度數(shù)據(jù)采集器將其所連接的溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)適配器將各個溫度采集器采集到的溫度數(shù)據(jù)進行匯總，然后發(fā)射至Internet，儲存到云數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過電腦、手機等客戶端實時查看溫度數(shù)據(jù)。測溫系統(tǒng)工件原理示意圖如圖7所示。

圖7　混凝土溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of intelligentmonitoring system for concrete tem perature

3.3風機承臺測溫點布置方案

根據(jù)風機承臺混凝土溫度場仿真分析結果所反映出的溫度場分布規(guī)律，共設置3個測溫點，如圖5所示；每個測溫點在立面上布置4個溫度傳感器，如圖8所示。

圖8　承臺測溫點布置立面布置圖（單位：mm）Fig.8 Ver tical layout of tem peraturemeasuring points platforms for w ind power fans（mm）

在冷卻水管的每個進、出水口各設置1個溫度監(jiān)測點，共計8個冷卻水管溫度監(jiān)測點[4]。

另外，還設置2個現(xiàn)場環(huán)境溫度監(jiān)測點。

3.4風機承臺的溫控標準

風機承臺的溫度監(jiān)測主要用來控制如下溫度指標：

1）混凝土的澆筑溫度應控制在28℃以下。當超過此溫度時，應進一步降低原材料溫度。

2）混凝土的內表溫差不大于25℃。當溫差接近或超過25℃時，應在混凝土表面覆蓋棉被等保溫材料，以便提高混凝土的表面溫度，減小內表溫差。

3）混凝土的內部溫度不高于70℃。當混凝土內部最高溫度接近或超過70℃，可以進一步加大冷卻水流量或降低冷卻水溫度。

4）混凝土的降溫速率不大于2℃/d。降溫速率接近或超過2℃/d時，應在混凝土表面覆蓋棉被等保溫材料，來減小降溫速率。

5）冷卻水的溫度與混凝土之間溫差應小于25℃。當此溫差接近或超過25℃時，應提高進水溫度，來避免冷卻水管附近混凝土內部形成冷擊微裂縫。

6）當混凝土表面溫度與大氣溫度接近，大氣溫度與混凝土中心溫度的溫差小于25℃時，可以解除保溫，停止測溫工作。

4　結語

通過一系列的技術措施，最終成功解決了風機承臺裂縫問題，所有風機承臺均未出現(xiàn)裂縫。實踐證明了控裂思路和控裂技術措施的正確性，為今后類似工程防裂提供了借鑒。

[1]北京邁達斯技術有限公司.MidasCivil用戶指南[K].2004. MIDAS Information Technology Co.,Ltd.(Beijing).Midas Civil User′s Guide[K].2004.

[2]JTS202-1—2010，水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規(guī)程[S]. JTS 202-1—2010,Technical specification for thermal cracking controlofmass concreteofportand waterway engineering[S].

[3]王新剛，孫業(yè)發(fā).港珠澳大橋預制橋墩裂縫控制技術[J].中國港灣建設，2015，35（12）：66-70. WANGXin-gang,SUNYe-fa.Control technology for prefabricated pier crack of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2015,35(12):66-70.

[4]王新剛.福建莆田南日海上（400MW）風電項目風機基礎承臺大體積混凝土溫度應力仿真計算及防裂技術措施[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014. WANG Xin-gang.Putian,Fujian Nanri(400 MW)offshore wind power projectswind turbine foundationmass concrete temperature stress and crack control technical measures[R].TianJin:CCCC Tianjin Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.，2014.

Technology to control cracking in mass concrete for offshorew ind power p latform s

ZHUDe-hua1,LIUCheng-jun2,WANGXin-gang1*
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

In order to prevent cracking in mass concrete for large offshore wind fan platform,a software for finite element analysis was used to analyze the thermal stress in concrete before the works began.According to the characteristics of the temperature field and stress field reflected from the calculated results of thermal stress,pertinent technicalmeasures against crackingwere formulated.The practical results show that the fan platforms developed no cracks,proving the reliability of the cracking controlmeasures.

mass concrete;offshorewind power;platforms;crack control

U654.18

A

2095-7874（2016）06-0068-04

10.7640/zggw js201606017

2016-03-17

朱德華（1980—），男，山東人，碩士，高級工程師，主要從事水工結構及樁基檢測研究工作。

王新剛，E-mail：wxg58@126.com