某風(fēng)機基礎(chǔ)精軋鋼筋斷裂的處理

黃冬平

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司 上海200092)

引言

隨著陸上風(fēng)電的發(fā)展，作為風(fēng)機塔筒和基礎(chǔ)連接的一種方式，錨栓在風(fēng)機基礎(chǔ)中的運用也越來越普遍。除重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)外，錨栓(或其他預(yù)應(yīng)力部件)也常用于其他基礎(chǔ)形式中，如P&H基礎(chǔ)[1]。P&H基礎(chǔ)為大直徑單墩式基礎(chǔ)，由美國Patrick和Henderson教授發(fā)明并推廣應(yīng)用，故簡稱P&H基礎(chǔ)。由于各方面原因，風(fēng)機基礎(chǔ)在其建設(shè)的各階段都可能出現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問題。文獻[2-4]對常規(guī)基礎(chǔ)中的常見質(zhì)量問題進行了分析，并提出了相應(yīng)的處理措施。P&H基礎(chǔ)作為一種相對較新的基礎(chǔ)形式，如果選材不當(dāng)則可能出現(xiàn)錨栓斷裂的質(zhì)量問題[5，6]。本文以某風(fēng)電場風(fēng)機的P&H基礎(chǔ)錨栓斷裂為例，介紹了針對該基礎(chǔ)形式的加固方案。

1 工程概況

某風(fēng)電場項目共安裝17臺2.75MW機組，輪轂高度為85m。其中16臺機組的基礎(chǔ)采用了P&H基礎(chǔ)，基礎(chǔ)和底法蘭之間通過φ50的PSB1080精軋鋼筋連接。根據(jù)現(xiàn)場反饋，發(fā)現(xiàn)16臺機組中有12臺基礎(chǔ)出現(xiàn)精軋鋼筋斷裂的情況，如圖1所示。

圖1 精軋鋼筋斷裂Fig.1 Rupture of finish-rolled steel bar

2 原因分析

精軋鋼筋在建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)和土石邊坡等應(yīng)用較多，一般為先張法有粘結(jié)或后張法后注漿有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。由于上述結(jié)構(gòu)中的荷載特點與風(fēng)機基礎(chǔ)存在差異，即風(fēng)機基礎(chǔ)所受荷載有著明顯的疲勞特征。

自發(fā)現(xiàn)精軋鋼筋斷裂后，經(jīng)多次檢測和分析，結(jié)果表明:由于精軋鋼筋硫和磷含量不穩(wěn)定、無低溫沖擊功要求、材料偏析、表面存在點腐蝕坑及不完全脫碳等因素，決定了其不適合用于風(fēng)機底法蘭和基礎(chǔ)的連接。承受疲勞作用的風(fēng)電預(yù)應(yīng)力錨栓結(jié)構(gòu)其低溫沖擊功應(yīng)滿足《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10311—2019)的相關(guān)要求，而工程中所采用的精軋鋼筋未提供低溫沖擊功保證值，后經(jīng)試驗得到其-40℃低溫沖擊功為22J～38J，不滿足規(guī)范規(guī)定要求40J。同時，本工程應(yīng)用的大直徑精軋鋼筋(φ50)材料不均勻性更突出，致使由材料問題導(dǎo)致斷裂的可能性更大。

3 處理方案

3.1 更換材料

從原因分析可知，精軋鋼筋不適用于風(fēng)機基礎(chǔ)底法蘭和基礎(chǔ)的連接，且風(fēng)機還將運行15年～20年，故對全部精軋鋼筋(含已斷裂和未斷裂)作更換處理。如更換材料選用風(fēng)機基礎(chǔ)中常用的錨栓，考慮到底節(jié)塔筒高度小于所需錨栓長度，且底節(jié)塔筒的門洞加強環(huán)等突出筒壁(圖2)，更換時錨栓無法順利穿入孔道。

圖2 底節(jié)塔筒內(nèi)部Fig.2 Bottom part of the steel tube

預(yù)應(yīng)力鋼絞線是預(yù)應(yīng)力混凝土中常用的預(yù)應(yīng)力部件，且鋼絞線穿孔方便，故選用鋼絞線作為更換材料。選用1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線7φs15.2，張拉控制應(yīng)力取1280MPa，考慮錨具變形及混凝土收縮徐變等導(dǎo)致的總預(yù)拉力損失約15%，則鋼絞線的有效預(yù)拉力為1066kN，與原精軋鋼筋設(shè)計預(yù)拉力1100kN接近。

3.2 更換方案

更換精軋鋼筋需進入至基礎(chǔ)正下方，將錨固螺母拆除。由于基礎(chǔ)筒內(nèi)部上下端為C40混凝土澆筑、中部為毛石混凝土，難以鑿出一個豎向通道，因此需在與主風(fēng)向垂直方位打豎井至基礎(chǔ)底部標(biāo)高處，然后施工一個水平巷道進入至基礎(chǔ)正下方，并在底環(huán)正下方形成一個環(huán)形作業(yè)空間。

在施工時，必須循環(huán)對稱施工，即同時將相位角相差180°的兩個方位精軋鋼筋更換為鋼絞線，已經(jīng)斷裂的精軋鋼筋應(yīng)優(yōu)先更換。更換過程如圖3所示:1)先松動精軋鋼筋，取掉頂部螺母；2)從基礎(chǔ)底部取出錨栓，拔出一定長度后截斷，直至精軋鋼筋全部取出；3)在錨栓孔內(nèi)穿入牽引鋼絲，鋼絲頂部與鋼絞線端部連接，將鋼絞線穿入錨栓孔道內(nèi)；4)在鋼絞線PVC套管內(nèi)用高壓油槍注滿防銹油脂，兩端分別架設(shè)張拉錨具將鋼絞線張拉到設(shè)計力預(yù)拉力，并在夾片與鋼絞線端頭涂環(huán)氧樹脂后封閉。

圖3 更換過程Fig.3 Replacement the rebar with tendon

3.3 實施過程有限元分析

為確保實施過程的安全性，建立帶“豎井-巷道”的基礎(chǔ)有限元模型，考察結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。模型基于通用有限元分析程序ABAQUS，其中絞線采用T3D2單元模擬，其余部件都采用C3D8R單元模擬，基礎(chǔ)和土體之間以及塔筒底法蘭和混凝土之間通過接觸單元考慮。混凝土和鋼材之間的摩擦系數(shù)取0.3，混凝土和土之間的摩擦系數(shù)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)取0.4?；炷梁弯撏膊捎媒壎s束形成整體。材料本構(gòu)關(guān)系選取見表1。

表1 材料本構(gòu)關(guān)系Tab.3 Constitutive models for different materials

約束土體側(cè)面邊緣的水平位移和土體底面所有方向的位移。有限元模型如圖4所示。由于更換過程中機組處于停機狀態(tài)，此時荷載相對較小，偏保守取機組正常運行對應(yīng)的荷載施加與基礎(chǔ)頂部，彎矩作用平面與豎井位置垂直。正常運行工況對應(yīng)荷載:豎向力-4876.4kN，水平力1263.21kN，彎矩92992.6kN·m。分析時，首先對鋼絞線采用降溫法進行張拉，然后對基礎(chǔ)施加外荷載。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3.4 分析結(jié)果

在正常運行荷載作用下，基礎(chǔ)混凝土部分的應(yīng)力如圖5所示。從圖5a和圖5b中可以看出外圍C15混凝土的最大拉應(yīng)力為1.45MPa，最大壓應(yīng)力為7.31MPa。從圖5c和圖5d中可以看出內(nèi)部C40混凝土的最大拉應(yīng)力為2.37MPa，最大壓應(yīng)力為28.4MPa。從圖5e和圖5f中可以看出，豎井和環(huán)形巷道的最大拉應(yīng)力為1.32MPa，最大壓應(yīng)力為6.63MPa。分析結(jié)果可知，外部的C15混凝土及豎井和環(huán)形巷道應(yīng)力比較??；而內(nèi)部C40混凝土已經(jīng)有部分區(qū)域進入塑性狀態(tài)，但這些區(qū)域主要在法蘭下部，此區(qū)域多向受壓，實際為C80的高強灌漿。

圖5 基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力(單位：MPa)Fig.5 Stress of concrete part for foundation(unit:MPa)

在正常運行荷載作用下，基礎(chǔ)鋼筒和水平巷道鋼筒的應(yīng)力如圖6所示。從圖6a可以看出基礎(chǔ)鋼筒最大應(yīng)力為64MPa，從圖6b可以看出水平巷道鋼筒的應(yīng)力為24MPa。分析結(jié)果可知，鋼筒的應(yīng)力都較小，處于彈性狀態(tài)。

圖6 鋼筒應(yīng)力(單位：MPa)Fig.6 Stress of steel part for foundation(unit:MPa)

在正常運行荷載作用下，基礎(chǔ)的水平位移如圖7所示，從中可以看出，最大水平位移為8.2mm。分別提取基礎(chǔ)頂部和底部的側(cè)移為7.045mm和-3.22mm，相應(yīng)傾角為:

圖7 基礎(chǔ)水平位移(單位：mm)Fig.7 Translation of foundation(unit:mm)

3.5 巷道填充封堵及豎井回填

當(dāng)一臺風(fēng)機基礎(chǔ)精軋鋼筋完全更換為鋼絞線后，對巷道進行填充封堵施工。環(huán)向巷道和水平巷道用不低于MU30的水泥磚/紅磚砌筑，水泥磚/紅磚砌筑必須全部錯縫，水泥磚之間、水泥磚與巷道之間的灰縫必須飽滿；水泥磚頂部與巷道之間的空隙用相當(dāng)于C40混凝土強度的水泥砂漿進行壓力注漿。水泥磚砌筑前，在環(huán)向巷道的頂部平均分部兩根D50PE管，D50PE按間距0.3m，鉆一個φ10的圓孔用于輸出水泥漿。PE管的端部注漿孔引到豎井里，環(huán)向巷道和水平巷道的水泥磚砌筑完畢，進行高壓注漿施工。注漿壓力小于0.3MPa，并一次性注漿完畢，注漿過程中不能停止。豎井采用原土回填，每層回填厚度300mm，并用電動沖擊夯實，壓實系數(shù)不小于0.95。

4 處理效果

為評估將精軋鋼筋更換為鋼絞線的效果，對更換后的整機系統(tǒng)頻率進行檢測，實測頻率為0.344Hz，與整機系統(tǒng)頻率設(shè)計值0.34Hz吻合良好，滿足機組的設(shè)計要求。該項目從更換為鋼絞線后已接近5年，目前機組運行狀態(tài)良好。

5 結(jié)語

精軋鋼筋較硬脆的特點決定了其低溫沖擊功較低且不穩(wěn)定，因此不適合用于風(fēng)機底法蘭和基礎(chǔ)的連接，容易導(dǎo)致其斷裂從而影響機組的運行，甚至存在安全隱患。結(jié)合實際工程提出了采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線對其進行更換，施工過程實施有限元分析，保證了施工安全。后續(xù)的整機頻率實測結(jié)果驗證了更換方案的有效性。