裝配式混凝土風(fēng)電塔筒荷載結(jié)構(gòu)特征與施工工藝研究

摘要：選取坐落于沿海地區(qū)某市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的荷載結(jié)構(gòu)特征與施工工藝進(jìn)行深入研究。分析了裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的荷載與結(jié)構(gòu)特征，闡述了安裝塔筒基礎(chǔ)部位模板、吊裝塔筒、涂裝塔筒等裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的施工要點(diǎn)，通過某市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際施工和塔筒強(qiáng)度檢測(cè)，驗(yàn)證了應(yīng)用本文所述裝配式混凝土風(fēng)電塔筒施工工藝的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：裝配式混凝土；風(fēng)電塔筒；荷載結(jié)構(gòu)特征；施工工藝；強(qiáng)度檢測(cè)

0" "引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和清潔能源的大力發(fā)展，風(fēng)能作為一種可再生、無污染的新型能源，在全球能源供應(yīng)中的地位日益凸顯。風(fēng)電塔筒作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝直接關(guān)系到風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行效率、安全性和壽命。因此，對(duì)風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)特征與施工工藝進(jìn)行深入研究，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義[1]。

傳統(tǒng)的風(fēng)電塔筒均由鋼板或現(xiàn)澆混凝土制作。裝配式混凝土風(fēng)電塔筒作為一種新型的塔筒結(jié)構(gòu)，近年來受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土塔筒相比，裝配式混凝土塔筒采用預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組裝，具有施工效率高、質(zhì)量可控、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，使用混凝土材料預(yù)制的風(fēng)電塔筒具有良好的抗壓性能和耐久性，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境。然而，裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝也面臨著諸多挑戰(zhàn)。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)特征與施工工藝進(jìn)行深入研究，探索其構(gòu)造特點(diǎn)以及吊裝施工要點(diǎn)，為裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的設(shè)計(jì)和吊裝施工提供理論支持。

1" 工程概況

選取坐落于沿海地區(qū)的某市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為研究對(duì)象。該風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目作為一項(xiàng)充分利用自然資源、推動(dòng)清潔能源發(fā)展的重大工程，地處風(fēng)能資源極為豐富的地域，為風(fēng)力發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的條件，使得風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)具有極高的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目規(guī)模宏大，計(jì)劃安裝60臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量高達(dá)150MW。這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)，充分捕捉風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，為當(dāng)?shù)靥峁┰丛床粩嗟那鍧嵞茉础?/p>

作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保障風(fēng)電場(chǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高發(fā)電效率和可靠性，本文旨在通過對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔筒進(jìn)行荷載結(jié)構(gòu)特性分析和施工工藝研究，推動(dòng)風(fēng)電施工技術(shù)的創(chuàng)新。

2" 裝配式混凝土風(fēng)電塔筒荷載與結(jié)構(gòu)特征

2.1" 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件

為了深入探究風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)特征，本文明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成部分及荷載傳遞方式，以便計(jì)算荷載。典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文主要將其分為幾個(gè)主要部件，即葉輪、輪轂、機(jī)艙、塔筒以及基礎(chǔ)[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件示意如圖1所示。

由圖1可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件相互協(xié)作，共同承擔(dān)著風(fēng)力發(fā)電作用。其中塔筒承擔(dān)著自重、機(jī)艙、輪轂、葉輪以及環(huán)境因素帶來的荷載。

2.2" 風(fēng)電塔筒的荷載特征

2.2.1" 風(fēng)電塔筒自重荷載

本文對(duì)風(fēng)電塔筒進(jìn)行研究，需計(jì)算塔筒的結(jié)構(gòu)荷載。風(fēng)電塔筒自重荷載的計(jì)算公式如下：

W=mg" " " " （1）

式中：W表示風(fēng)電塔筒自重荷載，m表示塔筒及其附屬設(shè)備的總質(zhì)量，g表示重力加速度。

2.2.2" "風(fēng)電塔筒風(fēng)力荷載

風(fēng)電塔筒風(fēng)力荷載的計(jì)算公式如下：

FW=CA（1/2）ρV2" " " " " " "（2）

式中：FW表示風(fēng)電塔筒風(fēng)力荷載，C表示風(fēng)壓系數(shù)，A表示塔筒迎風(fēng)面積，ρ表示空氣密度，V表示風(fēng)速。

2.2.3" "風(fēng)電塔筒地震荷載

風(fēng)電塔筒地震荷載的計(jì)算公式如下：

Fe=ma" " " " " " " " " （3）

式中：Fe表示風(fēng)電塔筒地震荷載，a表示地震加速度。

2.2.4" "風(fēng)電塔筒雪荷載

風(fēng)電塔筒雪荷載的計(jì)算公式如下：

Fs=hρsA" " " " " " " " " （4）

式中：Fs表示風(fēng)電塔筒雪荷載，h表示積雪深度，ρs表示積雪密度。

2.3" "裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)特征

2.3.1" "塔筒分節(jié)段預(yù)制和拼裝

在分析風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)荷載的基礎(chǔ)上，研究風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)特征。裝配式混凝土風(fēng)電塔筒采用倒角正方形的截面設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。風(fēng)電塔筒主體分為4個(gè)節(jié)段預(yù)制混凝土模塊，節(jié)段之間均由圓角構(gòu)件和平板構(gòu)件進(jìn)行拼裝，從而形成整體的風(fēng)電塔筒。

2.3.2" "塔筒頂部和內(nèi)部設(shè)施

裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的頂部設(shè)有轉(zhuǎn)接段，轉(zhuǎn)接段與上部鋼塔筒之間通過法蘭盤使用螺栓連接。風(fēng)電塔筒內(nèi)部配備爬梯、工作電梯、安裝平臺(tái)等輔助設(shè)施，為塔筒的安裝、維護(hù)和檢修提供了便利。通過分析裝配式混凝土風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)特征，為其后續(xù)施工打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3" "裝配式混凝土風(fēng)電塔筒施工要點(diǎn)

3.1" "安裝塔筒基礎(chǔ)部位模板

3.1.1" "施工場(chǎng)地檢查驗(yàn)收

為了精確地安裝裝配式混凝土風(fēng)電塔筒，采用先安裝塔筒模板、再安裝塔筒的方式進(jìn)行安裝。在安裝塔筒模板之前，需要對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行全面的檢查驗(yàn)收。檢查驗(yàn)收的內(nèi)容包括施工場(chǎng)地的平整度、地面的承載能力，以及周邊環(huán)境。

3.1.2" "塔筒模板安裝流程

在確保施工場(chǎng)地滿足施工要求后，對(duì)塔筒模板進(jìn)行安裝。塔筒模板安裝流程如下：檢查驗(yàn)收施工場(chǎng)地→整理內(nèi)、外模板→組裝模板→吊裝模板→固定模板。

3.1.3" "塔筒模板安裝方法

塔筒內(nèi)側(cè)模板由10塊標(biāo)準(zhǔn)模板和1塊早拆模板組成，先在地面上提前完成內(nèi)側(cè)模板組裝；再用塔吊將組裝好的模板吊運(yùn)到安裝部位并進(jìn)行精確定位；定位精度滿足施工需要后，擰緊安裝螺栓，以保證模板的穩(wěn)定[3]和后續(xù)風(fēng)電塔筒的安裝質(zhì)量。

3.2" "吊裝塔筒

3.2.1" "風(fēng)電塔筒各節(jié)段參數(shù)

安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起吊重量最大的吊裝作業(yè)，是吊裝裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的4個(gè)預(yù)制混凝土節(jié)段以及轉(zhuǎn)接環(huán)。裝配式混凝土風(fēng)電塔筒各節(jié)段參數(shù)如表1所示。

3.2.2" "吊裝機(jī)械選型

由于裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的節(jié)段重量大、安裝高度高，使得其在吊裝過程中容易受到空間和設(shè)備限制。為此，選擇履帶起重機(jī)進(jìn)行鋼筋混凝土塔筒的吊裝施工。參考其他類似吊裝項(xiàng)目選用履帶起重機(jī)的情況，結(jié)合該裝配式混凝土風(fēng)電塔筒各節(jié)段的參數(shù)，篩選出徐工XGC650、中聯(lián)重科ZCC9800W和三一重工SCC6500A等型號(hào)的起重機(jī)作為塔筒吊裝機(jī)械[4]。

3.2.3" "吊裝作業(yè)

完成吊裝機(jī)械選型后，對(duì)吊裝平臺(tái)進(jìn)行精確測(cè)量，合理擺放風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各種組件，開始吊裝作業(yè)。在吊裝過程中，將主起重機(jī)安排在最佳位置；兩臺(tái)輔助起重機(jī)放置在靠近塔筒位置并保持平行，使其受力均衡，以便完成塔筒的一次吊裝就位。

3.3" "涂裝塔筒

3.3.1" "涂裝要求

在風(fēng)電塔筒完成吊裝后，為了確保其具有長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和優(yōu)良的密閉性，對(duì)塔筒進(jìn)行涂裝。參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推出的ISO 12944—2018《色漆和清漆-防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》相關(guān)章節(jié)的要求，風(fēng)電塔筒的涂料保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)必須達(dá)到極高的耐久性，即至少應(yīng)保證15年以上的使用壽命[5]。

3.3.2" "涂裝方法

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，須采用先進(jìn)的涂料技術(shù)和嚴(yán)格的施工工藝，對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔筒進(jìn)行涂裝處理。針對(duì)混凝土風(fēng)電塔筒底材的特殊性質(zhì)，選擇水性環(huán)氧涂料作為防護(hù)層，以抵抗紫外線的老化作用，保護(hù)混凝土塔筒免受自然環(huán)境的侵蝕。除了水性防護(hù)涂料外，采用溶劑型高固體分防護(hù)涂料對(duì)混凝土塔筒進(jìn)行表面防護(hù)，同時(shí)結(jié)合混凝土表面處理工藝，使用滲透型環(huán)氧底漆進(jìn)行封閉，再配套使用環(huán)氧云鐵中間漆和丙烯酸聚氨酯面漆或氟碳面漆，為裝配式混凝土塔筒提供全方位的防護(hù)[6]。

4" "塔筒施工及效果驗(yàn)證

4.1" "施工準(zhǔn)備

4.1.1" "準(zhǔn)備施工機(jī)械設(shè)備

為了驗(yàn)證應(yīng)用本文所述裝配式混凝土風(fēng)電塔筒施工工藝，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目施工的可行性，準(zhǔn)備了4臺(tái)500t級(jí)的起重機(jī)，對(duì)預(yù)制混凝土風(fēng)電塔筒進(jìn)行吊裝施工作業(yè)。同時(shí)安排10輛20t載重的運(yùn)輸車輛，運(yùn)輸預(yù)制塔筒筒身、法蘭、連接件等施工材料。建立一座生產(chǎn)能力為120h/m3的混凝土攪拌站，生產(chǎn)風(fēng)電塔筒所需的混凝土。準(zhǔn)備2臺(tái)60h/m3的混凝土泵，用于將混凝土泵送至風(fēng)電塔筒的澆筑部位。吊裝施工機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備情況如表2所示。

4.1.2" "準(zhǔn)備施工材料

在施工材料方面，須準(zhǔn)備足夠的預(yù)制風(fēng)電塔筒各個(gè)節(jié)段筒身所需材料，為此須準(zhǔn)備鋼筋、水泥、砂石骨料、法蘭和連接件。風(fēng)電塔筒施工材料準(zhǔn)備情況如表3所示。

4.2" "塔筒施工

4.2.1" "塔筒基礎(chǔ)施工

按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)塔筒的基礎(chǔ)進(jìn)行施工。塔筒基礎(chǔ)的施工順序?yàn)椋河蓽y(cè)量人員在地面上進(jìn)行測(cè)量定位，使用挖掘機(jī)挖掘基坑，清理坑底并夯實(shí)，進(jìn)行基礎(chǔ)混凝土墊層澆筑和養(yǎng)護(hù)?；A(chǔ)混凝土墊層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，按照鋼筋施工圖紙?jiān)谄渖厦娲钤O(shè)模板，布設(shè)和綁扎鋼筋，設(shè)置與塔筒連接的預(yù)埋件。在鋼筋布設(shè)完成后，進(jìn)行混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)作業(yè)。

4.2.2" "塔筒安裝施工

當(dāng)基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始裝配預(yù)制好的風(fēng)電塔筒節(jié)段。使用螺栓、焊接或其他連接方式，自下而上將每個(gè)節(jié)段牢固地連接在一起。在整個(gè)施工過程中應(yīng)充分考慮環(huán)境保護(hù)措施，減少施工對(duì)環(huán)境的影響。

4.3" "施工效果及分析

4.3.1" "施工效果

為了驗(yàn)證本文所述裝配式混凝土風(fēng)電塔筒施工工藝，在某市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用效果，在施工完成后，對(duì)風(fēng)電塔筒的各個(gè)部位進(jìn)行全面的強(qiáng)度檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

4.3.2" "施工效果分析

由表4可知，按照本文所風(fēng)電塔筒施工工藝對(duì)風(fēng)電筒進(jìn)行施工后，經(jīng)檢驗(yàn)得到風(fēng)電塔筒6個(gè)部位的實(shí)際強(qiáng)度值均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，這說明本文所述施工工藝的有效性和可行性。

5" "結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)特征與施工工藝研究可知，裝配式混凝土風(fēng)電塔筒在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝方面仍面臨許多問題。未來研究將進(jìn)一步關(guān)注構(gòu)件連接方式的優(yōu)化以及施工流程的改進(jìn)，不斷提升裝配式混凝土風(fēng)電塔筒施工質(zhì)量和安全性能。同時(shí)保持開放的態(tài)度，積極學(xué)習(xí)和借鑒先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新和完善裝配式混凝土風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝。

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