混凝土塔筒用體內(nèi)式預(yù)應(yīng)力方案設(shè)計及應(yīng)用分析

文 | 朱元，溫朝臣，蘇韓，劉進(jìn)，梁劍冰

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，塔筒呈現(xiàn)不斷加高的趨勢。當(dāng)風(fēng)電塔筒高于100米時，較之鋼構(gòu)塔筒，混凝土塔筒具有穩(wěn)定性強(qiáng)、重量輕、耐腐蝕程度高、成本低等優(yōu)勢?；炷了蔡貏e適用于風(fēng)切變較高的風(fēng)電場，有利于增加該類風(fēng)電場的發(fā)電量。

塔筒高度取決于塔筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工可行性。為了解決超高型混凝土塔筒的開發(fā)技術(shù)難題，國外風(fēng)電行業(yè)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了100米至140米以上的大功率、高發(fā)電量的超高型混凝土塔筒建設(shè)。現(xiàn)階段，我國風(fēng)電領(lǐng)域基本采用鋼塔結(jié)構(gòu)或鋼混塔組合結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)還沒有真正實(shí)現(xiàn)大批量使用。

目前能夠適用于混凝土塔筒的預(yù)應(yīng)力可分為體內(nèi)和體外兩種體系，其中體內(nèi)式體系通過預(yù)應(yīng)力筋與全混凝土塔筒的結(jié)合，可以有效提升塔筒建設(shè)高度、降低建設(shè)成本。本文針對國內(nèi)首次在全混凝土塔筒結(jié)構(gòu)中批量化使用的體內(nèi)式預(yù)應(yīng)力體系技術(shù)進(jìn)行了分析及論證。

塔筒體內(nèi)式預(yù)應(yīng)力技術(shù)方案

本文以哈密景峽第二風(fēng)電場C區(qū)200MW風(fēng)電場為例進(jìn)行塔筒預(yù)應(yīng)力技術(shù)可行性分析。該項(xiàng)目采用100臺全混凝土塔筒技術(shù)，塔筒高120米，使用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)品，塔筒整體結(jié)構(gòu)采用錐筒截斷拼裝技術(shù)。塔筒從上到下共30段，豎向體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束從塔頂至塔底采用圓周均布。

該項(xiàng)目塔筒結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場預(yù)制多段拼裝方式，筒壁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力布置在塔筒的兩個高度截面位置，分段張拉錨固。整個塔筒共10組40束預(yù)應(yīng)力布置，每組有4根鋼索，每根鋼索由4根鋼絞線組成，全部錨在基礎(chǔ)內(nèi)。但是每組鋼索中有一根只張拉至第23段塔筒，其他三根繼續(xù)張拉到塔筒頂部。鋼索與塔筒結(jié)構(gòu)布置，如圖1和圖2所示。

通過這種階梯串聯(lián)的預(yù)應(yīng)力錨固方式，可大大提高塔筒拼接后的整體剛度，有效改善風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程對塔筒的疲勞性破壞，從而避免類似鋼塔筒失穩(wěn)折彎的現(xiàn)象，延長塔筒結(jié)構(gòu)的使用壽命，提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率。

圖1 第23段塔筒鋼索布置

圖2 第30段塔筒鋼索布置

為了優(yōu)化塔筒結(jié)構(gòu)，合理控制其造價成本，該塔筒的壁厚設(shè)計相對較小，需要預(yù)應(yīng)力筋能夠滿足穿索孔道尺寸較小配套錨具的使用要求。另外，如圖2的結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力筋布置所示，由于塔筒內(nèi)壁管道布置存在一定的偏轉(zhuǎn)角度，給預(yù)應(yīng)力筋穿索造成一定困難。為實(shí)現(xiàn)4組孔位的排布，需要對預(yù)應(yīng)力錨具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小錨具的孔間距，降低錨墊板對空間的要求。

能夠適用于這種塔筒結(jié)構(gòu)的鋼索，目前市場上有夾片式、擠壓套握裹式以及鋼絲墩頭錨固，但這幾種產(chǎn)品有如表1所示的優(yōu)劣勢，通過方案對比，可以看出方案一更適合工況需求。考慮到風(fēng)力發(fā)電的使用特殊性，產(chǎn)品設(shè)計必須符合ETAG013歐洲規(guī)范和GB/T14370―2007等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，且需要通過相應(yīng)的技術(shù)測試。

根據(jù)設(shè)計方案，每組錨具為OVM15-4圓錨結(jié)構(gòu)體系（上、下端錨具方案設(shè)計如圖3和4所示），上端為固定端結(jié)構(gòu)，從上到下完成張拉后再進(jìn)行整體灌漿封錨。

如方案示意圖所示，上、下端錨具采用夾片式組裝，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場穿索施工的化整為零。另外，考慮到灌漿方便性和密封效果，錨罩體采用整體設(shè)計，為便于在塔底處實(shí)現(xiàn)灌漿，在下端設(shè)置了灌漿孔，避免高空作業(yè)的風(fēng)險。

為檢驗(yàn)產(chǎn)品錨固性能的可靠性，對產(chǎn)品開展了錨夾具靜載錨固性能測試：試驗(yàn)樣品采用1860MPa級1×7―φ15.2鋼絞線，錨具采用YJM15-4型號。測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果可以看出，采用這種夾片式體系的產(chǎn)品性能完全符合規(guī)范要求，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。

產(chǎn)品錨下傳遞構(gòu)件理論分析

錨下結(jié)構(gòu)件主要零部件有錨墊板與螺旋筋，其作用主要是承受錨下應(yīng)力并把應(yīng)力傳遞到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，螺旋筋在錨下主要是起到約束錨下混凝土和抗混凝土劈裂、約束核心區(qū)混凝土橫向變形、提高鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件極限應(yīng)變等作用。

為確保錨具產(chǎn)品能夠與錨下結(jié)構(gòu)件匹配、張拉部位的混凝土預(yù)應(yīng)力傳遞符合使用要求，采用ANSYS有限元分析軟件對錨下應(yīng)力進(jìn)行了理論計算。由于錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復(fù)雜的傳力關(guān)系，所以，需對三個結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行整體建模分析。

圖3 固定端方案

圖4 張拉端方案

表1 技術(shù)方案對比

表2 YJM15-4靜載性能測試

圖5 結(jié)構(gòu)模型

一、模型建立

對混凝土和錨墊板及螺旋筋采用三維體單元建模。其中，錨墊板和螺旋筋按實(shí)際尺寸建模，混凝土按最小的承載面積310 mm×310mm 建模?？紤]結(jié)構(gòu)受力對稱性及有限元常規(guī)分析方式，取1/8結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算，結(jié)構(gòu)模型見圖5、圖6。

錨墊板材料是HT200，彈模E=120GPa，泊松比μ=0.3；混凝土彈模E=32.5GPa，泊松比μ=0.167；螺旋筋為Q235，彈模E=190GPa，泊松比μ=0.3。在對稱面上加對稱約束，混凝土底面加支撐約束，錨墊板與混凝土之間加摩擦約束，摩擦系數(shù)取0.6；螺旋筋和混凝土的節(jié)點(diǎn)重合，作為一體計算。在錨板上施加實(shí)際工程應(yīng)用的最大荷載（鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的0.75），即260.4×5×0.75=976.5kN。

圖6 錨墊板和螺旋筋模型

二、結(jié)果分析

錨墊板為鑄鐵件，其材料抗壓強(qiáng)度極限比抗拉強(qiáng)度極限高2倍左右，因此，可以用最大拉應(yīng)力判斷該結(jié)構(gòu)的安全性。從圖7可以看出錨墊板所受拉應(yīng)力比較小，最大處的應(yīng)力值為65.447MPa，遠(yuǎn)小于HT200的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度200MPa，所以，該錨墊板比較安全。

螺旋筋材料為Q235-A，其屬于彈塑性材料，抗壓和抗拉強(qiáng)度極限基本上是一樣的，因此用綜合應(yīng)力（mises應(yīng)力）來判斷其可靠性。從圖8可以看出，螺旋筋所受綜合應(yīng)力非常小，最大處僅為32.774MPa，遠(yuǎn)小于其材料的強(qiáng)度極限235MPa，螺旋筋結(jié)構(gòu)也是安全的。

根據(jù)眾多混凝土試件荷載傳遞試驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)生破壞的形式為側(cè)表面拉應(yīng)力過大開裂。而按混凝土特性，其抗拉強(qiáng)度極限大概為混凝土抗壓強(qiáng)度極限的1/8～1/10，即4～ 5MPa。

因此，根據(jù)計算得出的側(cè)表面拉應(yīng)力極值來判斷混凝土試件的安全性，從圖9縮小應(yīng)力范圍到5MPa云圖清晰看出，混凝土側(cè)表面最大拉應(yīng)力為3.955MPa，小于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度極限4～5MPa，混凝土側(cè)表面不會因?yàn)殚_裂產(chǎn)生破壞。從圖10最大壓應(yīng)力云圖可以看出，混凝土所受壓應(yīng)力在其與錨墊板接觸的部分區(qū)域，已經(jīng)超過混凝土能夠承受的最大壓應(yīng)力40MPa，但由于有螺旋筋箍緊，其抗破壞屈服強(qiáng)度為235MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土的最大承壓力，所以混凝土還可以承受錨墊板傳遞過來的應(yīng)力而不至于破壞。

另外，由于本結(jié)果是按照素混凝土計算而來，實(shí)際工程中，錨下會布置很多的箍筋，這些箍筋能夠很大程度地承擔(dān)混凝土的拉、壓應(yīng)力，因此，混凝土結(jié)構(gòu)不會因?yàn)閴簯?yīng)力過大而產(chǎn)生破壞。根據(jù)同樣尺寸混凝土試件的荷載傳遞試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)是安全可靠的。所以，實(shí)際工程中，只要混凝土錨固區(qū)面積不小于本計算面積，那么結(jié)構(gòu)就是安全的。

塔筒體內(nèi)式預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工

塔筒基礎(chǔ)部分為凹坑內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，而預(yù)應(yīng)力植入在塔筒內(nèi)壁孔道內(nèi)，整個120米的塔筒節(jié)段是封閉式，考慮到施工成本，只能采取從下往上的牽引式放索施工工法，這對放索空間提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

針對這種設(shè)計工況和高塔高空作業(yè)特殊性，需制定專門的穿索、張拉施工工藝。為此本文提出了一種多角度交叉下穿式放索工藝，即圍繞塔底基礎(chǔ)段的4個方向預(yù)埋4個用于牽引預(yù)應(yīng)力筋的穿索導(dǎo)向孔，再通過牽引繩將預(yù)應(yīng)力筋拖拉至塔頂錨點(diǎn)處。方案示意圖如圖11所示。

圖7 錨墊板的最大主應(yīng)力云圖

圖8 螺旋筋的mises應(yīng)力云圖

圖9 混凝土最大拉應(yīng)力云圖（縮小范圍到5MPa）

圖10 混凝土最大壓應(yīng)力云圖

圖11 交叉下穿式放索方案示意

圖12 穿索施工流程

圖13 預(yù)應(yīng)力安裝及張拉過程

采用以上技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：首先，避免了鋼絞線吊裝至塔內(nèi)放索的繁瑣工作量，節(jié)約了大量的施工設(shè)備和人力、物力。其次，采用循環(huán)牽引可以有效提高工作效率，節(jié)約成本。最后，可以多孔道同時放索牽引，節(jié)約施工周期。

鋼索的4根鋼絞線可以利用所需工具逐根地安裝或者一次安裝2根或4根。為保護(hù)鋼絞線孔以及便于穿束操作，在鋼絞線穿束的一端必須安裝保護(hù)罩等保護(hù)工具。根據(jù)塔筒結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的布置設(shè)計（如圖1和圖2），其中有10根鋼索只通到第23段塔筒處（92米高度），在吊裝時首先要對這10根鋼索進(jìn)行穿束并張拉，然后才能繼續(xù)進(jìn)行上面的吊裝工作。剩下的30根鋼索在第30段塔筒和鋼制連接段全部吊裝完成后才進(jìn)行安裝。施工步驟如圖12和圖13所示 。

結(jié)論

本文提出一種超高型全混凝土風(fēng)電塔筒與預(yù)應(yīng)力技術(shù)融合的可行技術(shù)方案，有效解決了超高節(jié)段拼裝塔筒技術(shù)施工問題。通過對預(yù)應(yīng)力產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)匹配性能進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)論證可知，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)符合歐標(biāo)ETAG013的要求，符合風(fēng)電塔筒設(shè)計和使用需要。該技術(shù)成果可為日后類似工程提供一定的借鑒作用。