預(yù)制混凝土塔筒用鋼筋螺紋套筒的開(kāi)發(fā)

趙紹諺，朱 菡，楊中桂，丁永春

(1.中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450015; 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大，近年來(lái)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快[1]。隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及供給側(cè)改革進(jìn)程加快，傳統(tǒng)風(fēng)資源優(yōu)勢(shì)區(qū)域遇到電力消納能力不足等問(wèn)題，低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)電開(kāi)發(fā)已成為解決風(fēng)電發(fā)展的必由之路。我國(guó)中東部和南方地區(qū)屬于典型的低風(fēng)速地區(qū)，年平均風(fēng)速小于6 m/s，年滿發(fā)電小時(shí)數(shù)小于2000 h，占全國(guó)風(fēng)能資源區(qū)的68%，低風(fēng)速資源接近電網(wǎng)負(fù)荷中心，不存在限電棄風(fēng)影響。業(yè)內(nèi)具有共識(shí)的解決低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)資源開(kāi)發(fā)，提高發(fā)電效率的辦法是大風(fēng)機(jī)、長(zhǎng)葉片、高塔筒[2]。大風(fēng)機(jī)、長(zhǎng)葉片必須匹配更高、承載力更好的風(fēng)機(jī)塔筒。

混凝土塔筒在國(guó)外許多公司已經(jīng)建成投產(chǎn)，目前應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)超過(guò)1.5萬(wàn)臺(tái)，如圖1所示。國(guó)內(nèi)在風(fēng)機(jī)100 m以上高塔筒的研究和應(yīng)用方面相對(duì)滯后，近兩年開(kāi)始出現(xiàn)100 m以上全鋼柔性塔及砼鋼混合塔筒的應(yīng)用，而混凝土高塔筒方面基本尚屬空白。

混凝土塔筒采用分段圓環(huán)錐式塔筒，體內(nèi)采用后張預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)[3]。如圖2所示，混凝土塔筒預(yù)制構(gòu)件的連接件包括：鋼筋螺紋套筒、預(yù)埋吊釘?shù)阮A(yù)埋件。對(duì)于混凝土塔筒預(yù)制構(gòu)件豎縫拼接，采用預(yù)埋螺紋套筒連接，對(duì)預(yù)埋件受力性能和疲勞性能要求較高。由于混凝土塔筒在運(yùn)行過(guò)程中承受頻繁的振動(dòng)載荷和疲勞載荷，對(duì)連接件的力學(xué)和疲勞性能要求較高，除了基本的力學(xué)性能之外，其疲勞應(yīng)力幅為150～300 MPa，疲勞壽命為200萬(wàn)次[4]，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)連接件的要求。國(guó)內(nèi)廠商曾選用GB/T 1499.2規(guī)定的《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》中規(guī)定的HRB500鋼筋進(jìn)行替代，經(jīng)疲勞試驗(yàn)，其疲勞壽命僅為100萬(wàn)次，為設(shè)計(jì)壽命的50%，存在較大安全隱患，不能直接應(yīng)用。

圖1 預(yù)制混凝土塔筒分段拼接

圖2 混凝土塔筒連接件連接示意圖

1 產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程

1.1 鋼筋螺紋套筒

螺紋鋼筋套筒套件一般由直端鋼筋、L型鋼筋和螺紋套筒組成，見(jiàn)圖3。鋼筋采用均為帶肋鋼筋，符合GB/T 1499.2的要求。套筒與直段鋼筋采用螺紋連接，L型鋼筋和套筒按照J(rèn)G/T 163中規(guī)定了鋼筋機(jī)械連接用套筒形式采用擠壓套筒。

1.2 鋼筋螺紋套筒設(shè)計(jì)及性能分析

預(yù)制混凝土塔筒鋼筋螺紋套筒設(shè)計(jì)及性能分析，主要包括鋼筋螺紋套筒傳導(dǎo)模型和承載特性分析、系列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能實(shí)驗(yàn)分析。以典型條件下外界載荷環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，確立科學(xué)合理的鋼筋螺紋套筒的力學(xué)傳導(dǎo)模型，分析其工作機(jī)理及其承載特性，并通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析梳理影響鋼筋螺紋套筒性能的主要因素及其作用規(guī)律，最終確定系列化產(chǎn)品型譜。

圖3 L型鋼筋和直端鋼筋尺寸示意圖

1.3 鋼筋螺紋套筒加工工藝分析

通過(guò)工藝試驗(yàn)和理論或仿真分析相互結(jié)合的方法，深入探討熱處理和加工制造過(guò)程中產(chǎn)品微觀結(jié)果和宏觀性能的變化規(guī)律，尋求綜合性能最優(yōu)化的工藝平衡點(diǎn)，優(yōu)化確定適應(yīng)批生產(chǎn)的熱處理、加工制造工藝路徑和具體工藝參數(shù)。并通過(guò)開(kāi)展并落實(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)線輔助工具工裝設(shè)計(jì)制造、過(guò)程檢驗(yàn)與計(jì)量?jī)x器設(shè)備及控制措施、過(guò)程及產(chǎn)品驗(yàn)收抽樣規(guī)則制定等工作，形成高效穩(wěn)定的批生產(chǎn)基礎(chǔ)條件和覆蓋全工序全過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)策略，為進(jìn)一步改進(jìn)規(guī)模化生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性提供有力保障。

工藝方案：1)用熱軋?jiān)牧现苯酉铝现谱鞒蒐型鋼筋和直端鋼筋→調(diào)質(zhì)處理至要求性能→按要求加工套筒尺寸和螺紋→用鋼筋冷擠壓鉗將套筒擠至L段鋼筋；2)加工直端鋼筋螺紋。

1.4 鋼筋螺紋套筒受力分析

根據(jù)預(yù)制混凝土塔筒連接件的實(shí)際受力特點(diǎn)，從經(jīng)典理論出發(fā)建立相應(yīng)仿真分析模型，結(jié)合相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試，分析判斷預(yù)制混凝土塔筒連接件的失效機(jī)理和失效行為特征。配合不同失效模式間的關(guān)聯(lián)特性研究，確定合理可行的可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法和失效防護(hù)措施。

2 鋼筋螺紋套筒拉力載荷下承載特性計(jì)算

2.1 鋼筋螺紋套筒有限元分析

通過(guò)選用不同的材料制作鋼筋螺紋套筒進(jìn)行有限元分析[5]，采用三維軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模模擬。

計(jì)算工況1：合金鋼帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強(qiáng)度785 MPa，抗拉強(qiáng)度904 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計(jì)算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強(qiáng)度345 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

計(jì)算工況2：HRB500帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強(qiáng)度540 MPa，抗拉強(qiáng)度690 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計(jì)算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強(qiáng)度345 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

2.2 邊界條件劃分

預(yù)制混凝土塔筒連接件仿真加載邊界條件如圖4所示，固定L型帶肋鋼筋的一端，在直端帶肋鋼筋的一端加載一個(gè)水平拉伸載荷。

圖4 預(yù)制混凝土塔筒連接件加載邊界條件

2.3 計(jì)算工況1

預(yù)制混凝土塔筒連接件計(jì)算工況1的應(yīng)力云圖如圖5所示。由應(yīng)力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應(yīng)力值在600～675 MPa之間，沒(méi)有達(dá)到材料屈服應(yīng)力，因而屬于彈性變形。L型鋼筋在套筒內(nèi)的一段的應(yīng)力值較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于直端鋼筋在套筒內(nèi)的一段。套筒上的應(yīng)力值要小于帶肋鋼筋的應(yīng)力值。圖6是螺紋套筒的應(yīng)力云圖，在螺紋套筒中間出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力值為550～600 MPa，該區(qū)域經(jīng)發(fā)生屈服，并且應(yīng)力值逼近抗拉強(qiáng)度，因而螺紋套筒的強(qiáng)度制約著連接件組件的承載特性。

2.4 計(jì)算工況2

預(yù)制混凝土塔筒連接件組件計(jì)算工況2的應(yīng)力云圖如圖7所示。由應(yīng)力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應(yīng)力值在583.3～641.7 MPa之間，已經(jīng)超過(guò)了HRB500材料的屈服應(yīng)力，產(chǎn)生了屈服，發(fā)生了塑性變形，且應(yīng)力值接近于抗拉強(qiáng)度。

圖5 計(jì)算工況1連接件組件應(yīng)力云圖

圖6 計(jì)算工況1螺紋套筒應(yīng)力云圖

與計(jì)算工況1相同，在L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋的端部產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖8為計(jì)算工況2螺紋套筒的應(yīng)力云圖，在螺紋套筒中間出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力值為551.2～600 MPa，該區(qū)域經(jīng)發(fā)生屈服，并且應(yīng)力值逼近抗拉強(qiáng)度。由此可以看出，當(dāng)拉伸載荷為230 kN時(shí)，帶肋鋼筋和螺紋套筒都已經(jīng)接近承載極限。

圖7 計(jì)算工況2連接件組件的應(yīng)力云圖

圖8 計(jì)算工況2螺紋套筒的應(yīng)力云圖

2.5 結(jié)果分析

計(jì)算工況1中合金鋼帶肋鋼筋的承載特性要明顯好于螺紋套筒，螺紋套筒的材料制約著連接件組件的承載特性。

計(jì)算工況2中HRB500帶肋鋼筋和螺紋套筒在拉伸過(guò)程中，幾乎同時(shí)達(dá)到抗拉極限，且拉伸載荷在230 kN已經(jīng)逼近連接件組件的最大拉伸載荷。

3 研究結(jié)果與分析

根據(jù)前期理論仿真分析計(jì)算結(jié)果和連接件設(shè)計(jì)需求，對(duì)合金鋼帶肋鋼筋進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理， 選擇HRB500帶肋鋼筋，對(duì)兩種原材料進(jìn)行力學(xué)性能分析，其力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 原材料力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

合金鋼帶肋鋼筋進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，對(duì)顯微組織進(jìn)行檢測(cè)。按GB/T 13298—2015、GB/T 13299—1991，使用3%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，經(jīng)鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕后置于顯微鏡下觀察，顯微組織如圖9所示，為回火索氏體加少量鐵素體，回火索氏體含量較高表明其具有較高的韌性和強(qiáng)度。

圖9 合金鋼帶肋鋼筋熱處理后顯微組織

根據(jù)原材料性能檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由合金鋼帶肋鋼筋和45#鋼螺紋套筒制作的連接件，對(duì)其進(jìn)行拉力載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果曲線圖如圖10所示。

從拉力載荷曲線和試驗(yàn)結(jié)束后連接件狀態(tài)分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗(yàn)臺(tái)上，兩個(gè)試驗(yàn)樣件均在200 kN出現(xiàn)塑性變形，隨著拉力的繼續(xù)增大，由于帶肋鋼筋的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于螺紋套筒的強(qiáng)度，從試驗(yàn)結(jié)束后連接件的狀態(tài)看出螺紋套筒的螺紋的損壞程度比較大。驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果。

根據(jù)原材料性能檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由HRB500帶肋鋼筋和Q345鋼螺紋套筒制作的連接件，對(duì)其進(jìn)行拉力載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果曲線圖如圖11所示。

圖10 合金鋼鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

圖11 HRB500鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

從拉力載荷曲線和試驗(yàn)結(jié)束后連接件狀態(tài)分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗(yàn)臺(tái)上，兩個(gè)試驗(yàn)樣件均在170 kN出現(xiàn)塑性變形，隨著拉力的繼續(xù)增大，達(dá)到HRB500帶肋鋼筋的屈服點(diǎn)。驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果。

4 結(jié)論

采用合金鋼帶肋鋼筋和Q345鋼，優(yōu)化熱處理工藝和加工工藝，制作鋼筋螺紋套筒，經(jīng)各項(xiàng)性能測(cè)試，達(dá)到預(yù)制混凝土用鋼筋螺紋套筒的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需求。預(yù)制混凝土用鋼筋螺紋套筒的成功開(kāi)發(fā)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，改變了此種產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口的局面。