風(fēng)電混凝土塔筒體外預(yù)應(yīng)力錨固體系的研究及應(yīng)用

文 | 甘國(guó)榮，蘇韓，韋耀淋

近年來(lái)，隨著風(fēng)電塔筒的建設(shè)高度達(dá)到并超越120m，應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的混凝土塔筒表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，成為國(guó)外風(fēng)電塔筒建設(shè)的熱點(diǎn)，并發(fā)展了多邊形、多階圓柱形、錐形等多種薄壁塔筒構(gòu)型。

體外預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)能在不影響構(gòu)筑物原有結(jié)構(gòu)的前提下，達(dá)到有效的提載強(qiáng)化效果，而且該體系具有設(shè)計(jì)靈活、施工快捷的優(yōu)點(diǎn)，為混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化的施工方案提供了技術(shù)條件和建設(shè)選擇。與通常橋梁和舊橋加固中應(yīng)用的體外索不同，風(fēng)電混凝土塔筒配置覆蓋整個(gè)塔筒高度的豎向預(yù)應(yīng)力束，一方面是在塔筒承受彎矩的情況下防止混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力和過(guò)早開(kāi)裂；另一方面則是在交變載荷的作用下維持塔筒的固有頻率，有效避免共振和疲勞失效的發(fā)生。相關(guān)研究表明配置豎向體外預(yù)應(yīng)力的預(yù)制拼裝混凝土塔筒在減少造價(jià)、提高結(jié)構(gòu)耐久性等方面具有特殊優(yōu)勢(shì)。然而目前我國(guó)混凝土塔筒的建設(shè)還比較少，對(duì)混凝土塔筒所需的體外預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)研究有待加強(qiáng)。

因此，本文通過(guò)對(duì)120m豎向體外預(yù)應(yīng)力錨固體系的適用結(jié)構(gòu)型式和錨固性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，并基于實(shí)際工況進(jìn)行專(zhuān)用施工方法和配套施工機(jī)具的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用，以期推動(dòng)及促進(jìn)這種新型結(jié)構(gòu)在我國(guó)風(fēng)電建設(shè)工程中的應(yīng)用。

索體結(jié)構(gòu)的研究

混凝土塔筒施工一般采用現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)段預(yù)制，在完成塔筒基礎(chǔ)施工后，以節(jié)段拼裝的方式豎起塔筒，塔筒節(jié)段之間采用干接縫，因此施工進(jìn)度很快，可達(dá)1塔/周。在豎起塔筒后，依靠塔筒本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，按施工進(jìn)度要求進(jìn)行機(jī)組、葉片、電氣設(shè)備、體外索等設(shè)備設(shè)施的安裝，體外索在塔筒內(nèi)的常規(guī)布置如圖1所示。通常風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)期為20年以上，混凝土塔筒技術(shù)滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)所需的安全性、耐用性和易維護(hù)的要求，并且由于施工速度快、維修量小、易拆裝等優(yōu)點(diǎn)，使得應(yīng)用預(yù)制后張法的混凝土塔筒在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和美學(xué)上都具有競(jìng)爭(zhēng)力。

預(yù)埋在基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中與風(fēng)電機(jī)組塔筒連接的構(gòu)件通常采用預(yù)應(yīng)力錨桿籠結(jié)構(gòu)，其剛性桿體頻繁承受交變振動(dòng)載荷極易發(fā)生疲勞破壞而影響風(fēng)塔的安全使用。目前同樣采用預(yù)制后張法的混凝土塔筒則在中空混凝土基礎(chǔ)（圖1）與混凝土塔筒的連接方式上選用了從塔頂至基礎(chǔ)的錨拉式鋼絞線（或鋼絲）成品索體外預(yù)應(yīng)力錨固體系，極大避免了剛性聯(lián)接體系疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 混凝土塔筒典型構(gòu)造及體外索布置示意圖

為降低風(fēng)載對(duì)混凝土塔筒的不良影響，其截面尺寸從塔底到塔頂逐漸減小，相應(yīng)地采用較大的拉索張拉力和較小的塔筒壁厚，同時(shí)綜合考慮塔內(nèi)空間、施工效率、質(zhì)量控制等因素。為克服塔筒截面對(duì)拉索及錨具尺寸的限制，國(guó)外已有的技術(shù)是采用墩頭錨式平行鋼絲拉索方案來(lái)實(shí)現(xiàn)較小的索體截面積和錨具尺寸，但同時(shí)帶來(lái)成盤(pán)直徑較大、索體防腐及運(yùn)輸成本高等問(wèn)題。本文在深入研究和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了OVMGJ-M15系列組合式整束擠壓平行鋼絞線拉索錨固體系，其拉索上端為固定端，采用整束擠壓錨具，下端為張拉端，采用夾片式錨具；通過(guò)對(duì)塔底中空混凝土基礎(chǔ)處體外索的張拉，與塔筒頂部的錨具一起對(duì)整個(gè)塔筒施加預(yù)緊力，增強(qiáng)拼裝后的塔筒穩(wěn)定性和抗疲勞性能。OVMGJ-M15索體采用Φ15.7mm標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的低松馳無(wú)粘結(jié)鋼絞線（prEN10138-3），其基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 組合式平行鋼絞線拉索錨固體系基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 拉索組裝件靜載張拉曲線圖

圖4 拉索組裝件靜載張拉測(cè)試圖

錨固體系的試驗(yàn)研究

一、靜載錨固性能研究

根據(jù)歐標(biāo)ETAG013的要求，拉索錨固性能需滿(mǎn)足靜載錨固性能、疲勞性能和荷載傳遞性能的要求。ETAG013對(duì)體外索的靜載錨固性能試驗(yàn)要求測(cè)量加載時(shí)張拉端夾片錨頭的變形，并且通過(guò)拉索兩端錨具的交替張拉錨固最終加載至整個(gè)拉索破斷來(lái)檢驗(yàn)其靜載性能。OVMGJ-M15的拉索錨具組裝件靜載試驗(yàn)如圖3、圖4所示，經(jīng)檢驗(yàn)，拉索加載至5243.1kN后破斷，其錨具效率系數(shù)達(dá)到了96%，總延伸率達(dá)到了3.7%，拉索靜載錨固性能滿(mǎn)足ETAG013中規(guī)定達(dá)到錨具效率系數(shù)≥95%、總延伸率≥2%的要求。

二、疲勞性能研究

歐標(biāo)ETAG013對(duì)體外索組裝件的疲勞荷載性能試驗(yàn)要求是上限載荷為65%fptk，在應(yīng)力幅度為80MPa的水平上進(jìn)行200萬(wàn)次荷載循環(huán)試驗(yàn)后，發(fā)生破斷的預(yù)應(yīng)力筋的截面面積應(yīng)不大于試驗(yàn)總截面面積的5%，即OVMGJ-M15拉索試驗(yàn)后，發(fā)生破斷的鋼絞線的鋼絲應(yīng)小于7絲。在對(duì)單根鋼絞線錨固單元組裝件進(jìn)行匹配性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)OVMGJ-M15拉索上下端兩種不同錨具參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化，在疲勞上限載荷為3445.7 kN、下限載荷為3217.7KN的水平上，經(jīng)200萬(wàn)次荷載循環(huán)后，將斷絲率控制在2%以下，成功通過(guò)了該試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 拉索組裝件疲勞試驗(yàn)測(cè)試圖

圖6 疲勞試驗(yàn)后的拉索

三、錨固區(qū)傳力性能研究

在現(xiàn)場(chǎng)體外索張拉施工過(guò)程中，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)張拉端混凝土錨固區(qū)被壓潰的現(xiàn)象，因此，體外索張拉端須按ETAG013的規(guī)定進(jìn)行錨固區(qū)荷載傳遞試驗(yàn)，保證試驗(yàn)破壞載荷不小于1.1倍的標(biāo)準(zhǔn)極限載荷。按基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求和承載墩尺寸進(jìn)行OVMGJ-M15拉索錨具錨固區(qū)荷載傳遞試驗(yàn)（如圖7），其混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為40MPa，標(biāo)準(zhǔn)極限載荷為5301kN。經(jīng)過(guò)十次的循環(huán)加載，混凝土試件在循環(huán)上限載荷4240.8 kN（0.8Fpk）時(shí)，其最大裂縫寬度為0.1mm，小于ETAG013規(guī)定≤0.25mm的要求。繼續(xù)加載至6841.6kN，即試驗(yàn)載荷達(dá)到1.29倍的標(biāo)準(zhǔn)極限載荷，混凝土試件仍未破壞失效。

專(zhuān)用施工裝置的研制

圖7 荷載傳遞性能試驗(yàn)測(cè)試圖

圖8 測(cè)試后混凝土試件端面

為了安裝塔筒內(nèi)的體外索，一是利用塔外的大型吊機(jī)整體吊起拉索由塔頂從上而下進(jìn)行穿索，二是利用提升（卷?yè)P(yáng)）機(jī)牽引拉索從塔底由下而上穿索。針對(duì)可在塔頂平臺(tái)安裝牽引動(dòng)力——小型提升機(jī)的狀況，為保證其牽引掛索效率，特別對(duì)其掛索施工方法和專(zhuān)用施工裝置進(jìn)行了研究。當(dāng)待安裝的索盤(pán)運(yùn)輸至塔筒現(xiàn)場(chǎng)后，一般須經(jīng)過(guò)放索、提升、上端錨固、下端張拉和防護(hù)處理等步驟來(lái)完成索體安裝施工。順利將拉索牽引提升到塔頂就位需要一系列的專(zhuān)用裝置，如多功能放索架、地面導(dǎo)輪裝置、門(mén)口導(dǎo)輪裝置、防撞導(dǎo)向框架、橫梁導(dǎo)向裝置、中間平臺(tái)導(dǎo)向裝置、萬(wàn)向連接頭、塔頂滑車(chē)等，其中多功能放索架和塔頂滑車(chē)的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高施工效率的關(guān)鍵。

一、多功能放索架

由于塔頂空間有限，在塔頂平臺(tái)安裝的小型提升機(jī)牽引力有限，放索方式需盡量減少牽引力損耗，提高掛索效率。通過(guò)對(duì)掛索工藝流程的研究，研制了與通常的水平放索方式不同、采用豎直放索的多功能放索架，以利于放索和對(duì)索體及周?chē)藛T的保護(hù)。由于拉索成盤(pán)及運(yùn)輸狀態(tài)是水平放置的，多功能放索架的滾籠結(jié)構(gòu)能方便地拆卸以放置索體，并能在吊車(chē)的輔助下旋轉(zhuǎn)90°放置在底座托架上，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，并可通過(guò)剎車(chē)系統(tǒng)隨時(shí)控制放索架的轉(zhuǎn)速，以匹配拉索的提升速度。

二、塔頂滑車(chē)

在塔頂?shù)氖芟蘅臻g中進(jìn)行掛索施工，需精確設(shè)計(jì)并校核塔頂滑車(chē)安裝后的提升軸心與塔頂拉索設(shè)計(jì)軸心是否一致，以及滑車(chē)的整體尺寸是否滿(mǎn)足安裝空間的要求，否則很容易導(dǎo)致上端錨頭提升不到位，螺母無(wú)法鎖定。通過(guò)運(yùn)用有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，塔頂滑車(chē)如圖10所示，其主要部件為上錨定板、萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)拉桿、卡槽式耳板、導(dǎo)輪裝置等。安裝時(shí)，上錨定板將兩個(gè)高強(qiáng)度螺母安裝在風(fēng)電機(jī)組底座法蘭螺桿上，用扭矩板手施以500N.m的扭矩來(lái)鎖緊該螺母。

圖9 多功能放索架結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 塔頂滑車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 體外索施工工藝流程圖

工程應(yīng)用

印度班努爾風(fēng)電場(chǎng)工程共建有3MW風(fēng)電機(jī)組26臺(tái)，該工程采用錐形混凝土塔筒，塔筒設(shè)計(jì)高度約為118.6m，塔底最大直徑為8.4m，塔頂最大直徑為3.5m；塔筒壁厚為150mm，分成6節(jié)段預(yù)制拼裝，前5節(jié)段每節(jié)段高約20m，由多片弧形面板拼成。塔筒基礎(chǔ)為中空混凝土基礎(chǔ)，埋深約為3.5m，中空混凝土基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了錨固拉索的混凝土錨墩。每個(gè)塔筒內(nèi)設(shè)置6根OVMGJ-M15-17型體外索，索體材料為17根Φ15.7mm-1860MPa鋼絞線無(wú)粘結(jié)筋；每根索長(zhǎng)為120.6m，重約2.6t，設(shè)計(jì)張拉力為2950 kN。整個(gè)塔筒體外索拉索施工前，塔頂3MW機(jī)組、葉片和塔內(nèi)大部分電力設(shè)備均已安裝。

OVMGJ-M15-17型體外索安裝主要施工工藝流程如圖11所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔內(nèi)設(shè)施布置情況和吊點(diǎn)位置的限制，掛索系統(tǒng)采用了塔門(mén)口處放置多功能放索架放索、塔頂提升機(jī)牽引提升的掛索方案。由于塔內(nèi)已安裝的小型電梯運(yùn)力只有約300kg，因此選擇了自重較輕的小型提升機(jī)（牽引力為3t），配套Φ14mm的牽引鋼絲繩。放置好掛索路徑中各轉(zhuǎn)向點(diǎn)導(dǎo)向并確定合理的掛索順序后，將每根拉索上錨頭提升至塔頂機(jī)組底座法蘭并鎖緊螺母后，需將塔頂滑車(chē)卸下并重新安裝至下一根拉索對(duì)應(yīng)的吊點(diǎn)上，依次完成對(duì)其余拉索的牽引和螺母鎖定。

掛索時(shí)，需注意拉索提升的速度和放索速度的匹配，避免放索過(guò)慢時(shí)放索架被拖拽而導(dǎo)致傾覆，放索太快時(shí)鋼絞線彈出而造成鋼絞線PE護(hù)套的損傷。在上端錨頭螺母鎖定后，及時(shí)將拉索尾部鋼絞線臨時(shí)防護(hù)清理干凈，安放進(jìn)基礎(chǔ)頂板預(yù)留施工孔并順直各鋼絞線，為下根索的提升作業(yè)騰出空間。

塔內(nèi)全部拉索均提升到位并安裝張拉端錨具后，采用懸浮張拉法對(duì)每對(duì)拉索進(jìn)行對(duì)稱(chēng)連續(xù)張拉。首先，每根索的鋼絞線逐一按順序從基礎(chǔ)頂板穿入預(yù)先在混凝土錨墩上固定好的張拉端錨頭錨孔內(nèi)，采用YDC160Q小千斤頂逐一預(yù)緊，然后在錨頭上安裝YDCL400Q張拉千斤頂，如圖14所示，利用該千斤頂自帶的工具錨具裝置夾持鋼絞線來(lái)進(jìn)行該千斤頂?shù)呐R時(shí)定位。拉索張拉分五級(jí)進(jìn)行，按（20%、40%、60%、80%、100%）FASL的順序?qū)ΨQ(chēng)同步張拉至設(shè)計(jì)索力FASL為2950 kN。測(cè)量張拉伸長(zhǎng)值并校核無(wú)誤后，用千斤頂頂壓裝置壓緊錨頭工作夾片，千斤頂緩慢卸載至拉索錨固。張拉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖15所示，各拉索張拉伸長(zhǎng)值滿(mǎn)足±5%的誤差要求。

圖12 掛索施工

圖13 上端螺母安裝

圖14 塔基礎(chǔ)內(nèi)懸浮張拉施工

圖15 現(xiàn)場(chǎng)張拉曲線圖

結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電混凝土塔筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝施工要求，開(kāi)展并完成了Φ15.7mm-1860MPa組合式整束擠壓平行鋼絞線拉索錨固體系的研制和應(yīng)用。該鋼絞線拉索錨固體系的組裝件靜載及疲勞性能優(yōu)良，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到歐標(biāo)ETAG013的要求；而且該體系的配套專(zhuān)用機(jī)具及施工方法有效保障了施工的安裝質(zhì)量，較好地滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)施工安全和進(jìn)度的要求。