海上風電場風機基礎(chǔ)鋼管樁中鋼筋應力監(jiān)測與分析

黃遠遠，彭 潛，姚順雨

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

引言

隨著風電機組大型化、產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，疊加產(chǎn)業(yè)成熟度和規(guī)模效應，我國海上風電有望在十四五期間迎來快速發(fā)展[1]。近年來，陸地經(jīng)濟可開發(fā)的風力資源越來越少，全球風電場建設已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢[2]。所以對風電場建設階段設置針對樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測項目是極為必要的。安裝鋼筋計可監(jiān)控混凝土或其它結(jié)構(gòu)中的鋼筋的應力，對結(jié)構(gòu)中存在的潛在問題給予極早的預示。曹淑剛、孫小釬等[3]以某海上風電項目為例，對高樁承臺基礎(chǔ)內(nèi)力進行了監(jiān)測與分析。通過對風機樁基礎(chǔ)分析，可以得出施工期及運行期風機基礎(chǔ)的受力狀態(tài)。廖駿等[4]和張開偉等[5]提出了將鋼筋計增設連接桿與鋼筋籠內(nèi)主筋同軸焊接的布置方法。程文亮等[6]通過改良鋼筋計的安裝工藝，提高了目前常采用的振弦式鋼筋計的成活率。謝龍等[7]介紹鉆孔灌注樁鋼筋計監(jiān)測質(zhì)量問題，并對問題原因進行分析，提出合理質(zhì)量控制措施，在施工中取得良好成效。

綜上，對海上風電場風機基礎(chǔ)鋼管樁中對鋼筋計的討論較鮮見，本文以東南沿海某海上風電場工程為例，根據(jù)現(xiàn)場實測可靠資料對該問題進行分析，為海上建筑物的安全評估、運維方案提供重要參考依據(jù)，兼顧驗證設計、科研及指導施工。

1 嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測

本工程風機的基礎(chǔ)樁形式選擇嵌巖樁基礎(chǔ)形式風機基礎(chǔ)，采用高樁承臺基礎(chǔ)形式，高樁承臺基礎(chǔ)采用4根鋼管樁作為樁基。擬對該項目二期的兩臺重點監(jiān)測風機的嵌巖樁進行安全監(jiān)測。主要監(jiān)測的項目包括:嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測、傾斜振動監(jiān)測及鋼管樁腐蝕電位監(jiān)測等，本文僅對監(jiān)測風機的嵌巖樁鋼筋應力的監(jiān)測進行分析。用于嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測的鋼筋應力計安裝在填芯混凝土鋼筋籠上，隨鋼筋籠一道放入嵌巖樁內(nèi)。

1.1 監(jiān)測儀器選型

根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)標準》，鋼筋計在嵌入鋼管樁前，需要進行檢驗測試，包括絕緣度、測量范圍、靜態(tài)特性等，以檢測鋼筋計在運輸途中是否出現(xiàn)問題[4-5]。精度低于技術(shù)規(guī)范要求的材料試驗機不能用來檢驗鋼筋計，以免引起誤導，甚至損傷鋼筋計[6]。

根據(jù)鋼筋計的靜態(tài)特性，綜合考慮其各項性能指標，由于振弦式鋼筋計具有測量原理簡單、使用方便、較高的穩(wěn)定性與耐久性等工程使用性能，近年來，廣泛應用于基礎(chǔ)工程、橋梁工程、水利工程、地下結(jié)構(gòu)工程等工程的混凝土構(gòu)筑物的監(jiān)測[7]。BGK-4910系列振弦式鋼筋計具有耐用、可靠、易于安裝和讀數(shù)，并不受潮濕、電纜長度和接觸電阻影響，已應用于多項工程中，具有長期穩(wěn)定性，本工程選用BGK-4910系列振弦式鋼筋計用于測量Y1、Y2風機嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測。施工中采用配套的讀數(shù)儀進行人工觀測，安裝后接入自動化系統(tǒng)進行自動化監(jiān)測。

1.2 鋼筋計工作原理

當被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的鋼筋發(fā)生應力變化時，鋼筋計將受到拉伸或壓縮，鋼套同步產(chǎn)生變形，變形使鋼筋計感受拉伸或壓縮的變形，變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)鋼筋所受的應力。同時可同步測量埋設點的溫度值。

當外界溫度恒定鋼筋計僅受到軸向應力時，其應力與輸出的頻率模數(shù)具有如下線性關(guān)系：

式中：k為鋼筋計的測量靈敏度，單位為MPa/F；ΔF為鋼筋計實時測量值相對于基準值的變化量，單位為F；F為鋼筋計的實時測量值，單位為F；F0為鋼筋計的基準值，單位為F。

埋設在水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)的鋼筋計，受到的是應力和溫度的雙重作用，因此鋼筋計一般計算公式為：

式中：σm為被測結(jié)構(gòu)物鋼筋所受的應力值，單位為MPa。b為鋼筋計的溫度修正系數(shù)，單位為MPa/℃；T為溫度的實時測量值，單位為℃；T0為溫度的基準值，單位為℃。

注：通常情況下，經(jīng)試驗測得其溫度修正系數(shù)小于最小讀數(shù)，由于溫度對振弦傳感器的影響很小，實際使用中可不予修正，一般計算時可用公式（1）。

1.3 鋼筋應力監(jiān)測的測點布置

Y1、Y2風機嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測，用于嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測的鋼筋應力計安裝在填芯混凝土鋼筋籠上，隨鋼筋籠一同放入嵌巖樁內(nèi)。每個承臺有4根直徑3.2m的直樁。

選擇Y1的1號鋼管樁（Y1-1）安裝鋼筋計，在-27.0m和-29.0m高程位置處埋設鋼筋計進行應力監(jiān)測，在-29.0m高程位置處布置4支鋼筋計，編號分別為R-1、R-2、R-3、R-4，其中一對沿主潮流方向?qū)ΨQ布置，一對垂直主潮流方向?qū)ΨQ布置，在-27.0m高程位置沿主風向?qū)ΨQ布置2支鋼筋計，編號分別為R-5和R-6，如圖1所示；Y2風機的3號鋼管樁（Y2-3）安裝鋼筋計，具體設置在-32.7m和-34.7m高程埋設鋼筋計，-34.7m高程位置布置4支，編號分別為R-1、R-2、R-3、R-4，一對沿主潮流方向?qū)ΨQ布置，一對垂直主潮流方向?qū)ΨQ布置；-32.7m位置沿主潮流方向?qū)ΨQ布置2支，編號分別為R-5和R-6，如圖2所示。每臺風機布置6支鋼筋計，共12支鋼筋計。

圖1 Y1-1#樁鋼筋計位置

圖2 Y2-3#樁鋼筋計位置

1.4 嵌巖樁鋼筋計安裝

要獲取可靠的監(jiān)測成果，高質(zhì)量的鋼筋計是前提，正確安裝、選取基準值是保證，鋼筋應力計算成果的合理分析是關(guān)鍵。鋼筋計及其檢驗、安裝，在相關(guān)的國家、行業(yè)標準中都有較全面的規(guī)定[4-5]，按照規(guī)定，嚴格執(zhí)行安裝步驟。

Y1、Y2風機的嵌巖樁鋼筋應力監(jiān)測，選擇在Y1-1#、Y2-3#嵌巖樁的相應位置共安裝12支嵌巖樁鋼筋計。嵌巖樁鋼筋計采用振弦式傳感器，安裝在填芯混凝土鋼筋籠上靠近樁內(nèi)壁，隨鋼筋籠一道放入嵌巖樁內(nèi)，安裝步驟如下：

①根據(jù)設計圖紙測量放樣，定位測點位置；

②由測點分布及電纜集中位置，接長鋼筋計電纜，并做好標記；

③鋼筋計焊接在同一直徑的受力鋼筋并保持在同一軸線上；

④鋼筋計焊接采用雙面綁條焊，綁條長度≥10D，儀器溫度不超過60℃；

⑤將儀器電纜沿鋼筋籠主筋牽引至鋼筋籠頂部合適位置，并注意保護電纜；

⑥儀器安裝前后及混凝土澆筑前后，及時跟蹤測試儀器并記錄；

⑦風機安裝后，電纜牽引至基礎(chǔ)監(jiān)測柜位置，最終接入相應采集模塊中。

將組裝好的鋼筋計連同主筋一起穿入鋼筋籠，為避免箍筋焊接燒傷鋼筋計，對鋼筋計采用濕布包裹，同時鋼筋計與箍筋交接處采用鋼絲綁扎。箍筋焊接時鋼筋計采用濕布包裹。在吊裝、下料和主筋張拉等各個環(huán)節(jié)，均要加強對信號線的保護。起吊鋼筋籠時，通過增加起吊點，避免過大的撓度變形對鋼筋計及信號線的破壞。5根芯線均需焊接，焊接時注意將各個芯線接頭錯開，保證各芯線長度一致，以保證電纜受拉時，各芯線能均勻受力。接線前芯線接頭部位及電纜接頭部位應套熱縮管，接線完成后，用熱風槍將熱縮管熱縮于接著部位，如圖3所示。接線工作結(jié)束后，用讀數(shù)儀進行計數(shù)測量檢查，并使用萬用表測量各芯線間的電阻情況，避免因焊接工作造成接頭部位芯線短路、斷路情況，保證被埋設的鋼筋計是可以正常使用的。嵌巖樁鋼筋計安裝現(xiàn)場照片見圖4。

圖3 電纜線接線示意圖

圖4 嵌巖樁鋼筋計現(xiàn)場安裝

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 施工期主要工況

Y1、Y2承臺施工期主要工況及監(jiān)測時間節(jié)點如下表1所示。

表1 風機承臺主要施工工況

2.2 鋼管樁監(jiān)測資料分析

鋼筋計安裝好后、混凝土澆筑前的計數(shù)計算基準值（獨立測讀3次，合格后取平均值）。埋設初期人工進行觀測，風機吊裝完成通電后將接入自動采集模塊中進行自動化觀測，Y1、Y2嵌巖樁鋼筋計，各測點基準值如表2所示。

表2 Y1嵌巖樁鋼筋計測點基準值匯總

分析時段選取各測點基準日期到2019年5月，Y1-1#、Y2-3#嵌巖樁鋼筋計測點過程線如圖5—圖16所示，其中正值表示鋼筋受拉，負值表示鋼筋受壓。

圖16 Y2-3#-R-6測值過程線

表3 Y2嵌巖樁鋼筋計測點基準值匯總

圖5 Y1-1#-R-1測值過程線

圖6 Y1-1#-R-2測值過程線

圖7 Y1-1#-R-3測值過程線

圖8 Y1-1#-R-4測值過程線

圖9 Y1-1#-R-5測值過程線

圖10 Y1-1#-R-6測值過程線

圖11 Y2-3#-R-1測值過程線

圖12 Y2-3#-R-2測值過程線

圖13 Y2-3#-R-3測值過程線

圖14 Y2-3#-R-4測值過程線

圖15 Y2-3#-R-5測值過程線

圖5 —圖16表明：

Y1-1#樁內(nèi)、Y2-3#樁內(nèi)12支豎向鋼筋計存的存活率為100%。其中Y1-1#中鋼筋計編號為R-1的鋼筋計的壓應力最大為58.8 MPa，R-2鋼筋計的壓應力最大為60.1 MPa，R-3鋼筋計的壓應力最大為51.7 MPa，R-4鋼筋計的壓應力最大為46.5MPa，R-5鋼筋計的壓應力最大為42.4 MPa，R-6鋼筋計的壓應力最大為51.0 MPa，6支鋼筋計的穩(wěn)定值基本在20—40 MPa之間；Y2-3#中6支鋼筋計中，R-1鋼筋計壓應力最大，最大值為99.0 MPa，數(shù)值最終穩(wěn)定在70M Pa左右，其余5支鋼筋計，數(shù)值最終穩(wěn)定為40—60 MPa之間。

Y2-3#樁內(nèi)鋼筋計R-1、R-3、R-4的測點初期測值變幅較大，主要是因為鋼筋計焊接于鋼筋籠主筋上產(chǎn)生的殘余應力，以及鋼筋計埋入混凝土樁后，其周邊的濕度及溫度也同時發(fā)生了變化，但變化范圍在合理范圍內(nèi)，且后期均逐漸趨于穩(wěn)定。

各鋼筋計過程線無明顯的向某一方向（受壓或受拉）的趨勢性變化，且無異常測值。初期應力變幅較大的原因主要是混凝土澆筑后內(nèi)部溫度較高（部分測點最高溫度達到58℃），初期溫度下降混凝土收縮，產(chǎn)生較大的溫度應力。

3 結(jié)語

（1）鋼筋計埋設后儀器通常無法接觸，不具有維修性，需要加強儀器及信號線的保護，且安裝前后需對儀器進行成活性檢測，保證安裝的設備能起到監(jiān)測的作用。起吊鋼筋籠時，增加起吊點，避免過大的撓度變形對鋼筋計及信號線產(chǎn)生破壞。

（2）在鋼筋計埋設后澆筑混凝土初期鋼筋應力與溫度表現(xiàn)一定相關(guān)性，溫度越高，鋼筋受壓應力越大，之后下降趨于穩(wěn)定，符合混凝土澆筑后水泥水化過程中產(chǎn)生的水化熱由積聚到逐漸消散的一般規(guī)律。

（3）從近一年的監(jiān)測資料可知，Y1、Y2嵌巖樁鋼筋計未出現(xiàn)異常變形。為使鋼筋計在監(jiān)測項目中更好的發(fā)揮作用，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗提出以下建議，在臺風等惡劣工況下，建議及時對監(jiān)測成果進行分析，以評估臺風等對風機的影響。風機基礎(chǔ)安全監(jiān)測系統(tǒng)，建議指派專人定期檢查與維護，使儀器設備長期處于良好狀態(tài)，確保系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠運行。