山地大體積風(fēng)機(jī)混凝土基座施工裂縫控制研究

劉剛偉

（中國安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

風(fēng)電工程適宜建設(shè)在地處西部多高山、多季風(fēng)的廣大地區(qū)。風(fēng)電工程的施工難度并不大，其巨大的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工及后期葉片吊裝是全部工程的核心。風(fēng)機(jī)基座作為最主要的受力構(gòu)件，始終存在一定的安全隱患和質(zhì)量問題[1]。如何在進(jìn)行風(fēng)機(jī)基座混凝土澆筑的過程中減少施工裂縫的問題，是施工技術(shù)中重點(diǎn)需要攻克的難題。該文將從風(fēng)機(jī)基座混凝土施工裂縫的控制入手，制定有效的抗裂措施。

1 混凝土應(yīng)力狀態(tài)分析

為防止出現(xiàn)溫度裂縫，在過去傳統(tǒng)的大混凝土施工過程中，通常采用循環(huán)水管冷卻措施，以此來減少內(nèi)外溫差，并將內(nèi)外溫差控制在25 ℃內(nèi)，保證大體積混凝土不出現(xiàn)溫度裂縫，提高施工質(zhì)量[2]。對(duì)大型圓臺(tái)式重力風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)并沒有進(jìn)行通冷卻水管的施工條件。當(dāng)混凝土開始澆筑并且逐漸澆筑至所有圓臺(tái)基礎(chǔ)時(shí)，混凝土?xí)粩喟l(fā)生放熱反應(yīng)，其放熱會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部持續(xù)釋放拉應(yīng)力，并最終使風(fēng)電圓臺(tái)基礎(chǔ)的表面被拉裂。因此，對(duì)混凝土本身在連續(xù)澆筑的過程中的應(yīng)力狀態(tài)需要特別進(jìn)行分析，才能真正解決山地大體積風(fēng)機(jī)混凝土基座的穩(wěn)定不開裂問題[3]。

2 溫度收縮機(jī)制

2.1 溫差分析

溫差是引起應(yīng)力變化的因素之一，而應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土開裂的原因。引起應(yīng)力的因素包括水泥水化收縮、溫度梯度效應(yīng)以及內(nèi)外約束等，該文在研究混凝土應(yīng)力問題時(shí)，首先要考慮溫差帶來的變化，以圖1 所示的混凝土模量時(shí)間曲線力學(xué)模型為準(zhǔn)，進(jìn)行混凝土的溫度溫差分析。

圖1 混凝土力學(xué)模型曲線

通過有限元徑向截面選取單元如圖2 所示，得到溫差變化如圖3 所示。該曲線揭示了在4 種溫度狀態(tài)下的混凝土單元的溫度變化情況，分別為T1 上表層混凝土溫度；T3為混凝土基座上表層以下0.3m 范圍的混凝土溫度分布；T4為混凝土基座表層以下0.7 m～1 m 的混凝土單元平均溫度分布；T5 為混凝土基座最底層溫度分布。

圖2 山地大體積風(fēng)機(jī)混凝土基座1/4 有限元模型

圖3的曲線分布結(jié)果顯示：大體積混凝土基座的溫差較大并且呈現(xiàn)一定規(guī)律，反復(fù)振蕩。并且發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)機(jī)基座混凝土的深度由表層向內(nèi)部逐漸延伸，出現(xiàn)的溫度偏差越大，而這種偏差主要是在大體積混凝土澆筑中，由于混凝土表層直接與大氣接觸，可以及時(shí)地進(jìn)行放熱，大氣的溫度瞬間能夠平衡掉混凝土由于迅速硬化而釋放的大量熱源，從而不會(huì)出現(xiàn)開裂。

圖4的溫度變化曲線為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基座混凝土澆筑后的混凝土溫度變化曲線，選取從2022 年11—12 月初進(jìn)行跟蹤觀測(cè)所得的結(jié)果。圖中-1、-2、-3 三條曲線分別表示混凝土表層、中部以及墊層以上的位置。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線可知：在大體積風(fēng)機(jī)基座澆筑的首倉料中，混凝土溫度基本無顯著變化，在表層、中部、墊層以上3 個(gè)部位溫度趨勢(shì)整體趨于一致；而從澆筑后的第三天開始，混凝土內(nèi)部溫度呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，并在5 d 內(nèi)達(dá)到溫度的峰值，3 個(gè)不同位置的溫度均出現(xiàn)同樣的特征。受不良導(dǎo)熱性的影響，處于墊層以上部位的混凝土最先出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈現(xiàn)緩慢向下降溫的趨勢(shì)。而處于中間的混凝土部位由于內(nèi)部放熱積蓄的溫度應(yīng)力無法及時(shí)得到釋放，積壓的溫度最多，因此表現(xiàn)為其溫度峰值最大并且在測(cè)試記錄的后期降溫過程也最緩慢。通過實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，與通過有限元力學(xué)模型仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，整體結(jié)論較為一致。驗(yàn)證了大體積風(fēng)機(jī)基座混凝土在澆筑以后出現(xiàn)的溫差的確廣泛存在并且其分布規(guī)律具有顯著特征，需要做好中間層次的熱量釋放，溫度峰值主要由該層次的熱量釋放所堆積，因此在施工過程中重點(diǎn)控制中間層次的溫度裂縫。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)基座澆筑實(shí)測(cè)溫度變化曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析

3.1 工程實(shí)例

傳統(tǒng)大體積溫控措施主要包括混凝土攪拌溫度控制、混凝土入模溫度控制和混凝土內(nèi)外溫差控制等[4]。由于在山地地區(qū)，風(fēng)力大，更容易造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差急劇增大的情況，在這種工況下作業(yè)，特別是對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組安裝來說，基座的牢固及其穩(wěn)定性直接影響后期風(fēng)力發(fā)電的葉片旋轉(zhuǎn)的正常進(jìn)行并且影響整個(gè)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的使用壽命和維護(hù)成本。該文選取廣西龍?jiān)搓惼剑?5.55 MW）風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)際澆筑溫控措施，來說明前述規(guī)律在實(shí)際情況中的應(yīng)用，對(duì)實(shí)際基座裂縫控制的實(shí)際作用。

該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用機(jī)械開挖，鋼筋混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度為C40，單個(gè)基座混凝土方量為725 m3，半徑10.5 m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂高4.7 m，施工現(xiàn)場(chǎng)須避免由于溫度變化及大體積混凝土收縮造成的混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，影響風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的質(zhì)量[5]。從混凝土的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)采取實(shí)際工況的澆筑溫控措施，使整體內(nèi)外溫度基本一致，或最大限度地迅速耗散到大氣空間。

3.2 監(jiān)測(cè)控制分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)應(yīng)根據(jù)基座混凝土的情況布設(shè)溫感器，實(shí)際布設(shè)圖如圖5 所示。由于基座半徑較大，整體混凝土澆筑方量也相對(duì)較大，因此整體布設(shè)溫感器26 個(gè)，布設(shè)位置及其編號(hào)如圖5 所示。一共安裝2 種溫感器類型，一種測(cè)量溫度變化、一種進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。通過2 種不同類型的溫感器可以全面地對(duì)施工裂縫進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，所設(shè)置的溫感器可以準(zhǔn)確讀出不同部位溫度數(shù)值；并隨著現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑情況的變化而隨時(shí)顯示不同的數(shù)據(jù)值。從基座混凝土首倉澆筑時(shí)間開始進(jìn)行監(jiān)控，仍然選取2022 年11 月—12 月初的澆筑時(shí)間進(jìn)行跟蹤記錄。

圖5 風(fēng)機(jī)基座混凝土表層溫感器布置及編號(hào)平面示意圖

為了便于分析，考慮3 個(gè)方向的溫控及裂縫控制數(shù)據(jù)采集，并拉出相應(yīng)曲線。選取溫感器編號(hào)1-8 所在區(qū)域、19-22 所在區(qū)域、15-18 所在區(qū)域進(jìn)行圖行曲線匯總，如圖6 所示。

圖6 溫感器應(yīng)變數(shù)據(jù)采集匯編曲線

從基座混凝土澆筑一個(gè)月的實(shí)際應(yīng)變值情況分析，3個(gè)方向的應(yīng)變值差異較大。1-8 所在區(qū)域的應(yīng)變值相對(duì)最大，而15-18 區(qū)域、19-22 區(qū)域則相對(duì)較小；同時(shí)3 條方向的整體應(yīng)變趨勢(shì)基本一致。在監(jiān)測(cè)開始的極短的時(shí)間范圍內(nèi)，混凝土應(yīng)變值呈負(fù)數(shù)變化，在力學(xué)響應(yīng)上表征為壓應(yīng)力，即發(fā)生緊致收縮變形；而在中后程開始向上反彈，主要表征為出現(xiàn)拉應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂縫，并逐漸發(fā)展。在監(jiān)測(cè)的最后階段達(dá)到平衡。其中，19-22 區(qū)域的分布波動(dòng)值較小，在監(jiān)測(cè)5 d 時(shí)間可以看出，整體應(yīng)變值很小，基本沒有變形。說明基座澆筑沿該條線上整體區(qū)域穩(wěn)定并且不會(huì)出現(xiàn)裂縫等不良質(zhì)量問題；與澆筑的15-18區(qū)域相比，容易產(chǎn)生裂縫，其應(yīng)變值在5×10-5波動(dòng)，該應(yīng)變條件下，會(huì)出現(xiàn)少量極小的細(xì)裂紋，但是整體仍然不會(huì)有較大結(jié)構(gòu)影響；在應(yīng)變值最大的1-8 區(qū)域，是整個(gè)基座的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)上部塔筒及風(fēng)機(jī)葉片安裝就位后，對(duì)基座的偏心受壓，產(chǎn)生的組合壓彎變形會(huì)極大地影響基座穩(wěn)定性并且通過拉應(yīng)力不斷傳導(dǎo)，會(huì)導(dǎo)致表層混凝土的裂縫向深層發(fā)展，最終影響結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，最大應(yīng)變值達(dá)到15×10-5左右。該數(shù)值足以產(chǎn)生能夠貫穿結(jié)構(gòu)的危害性較大的裂縫。

3.3 裂縫控制措施

由圖5、圖6 可知，在基座的上下平分區(qū)域線條上最易出現(xiàn)應(yīng)變值較大的混凝土，而在其余斜向方向整體均較小，不會(huì)構(gòu)成安全隱患，穩(wěn)定性在可控范圍。對(duì)基座混凝土防裂應(yīng)做好及時(shí)覆蓋保溫工作[6]。由于施工地點(diǎn)地處廣西山地發(fā)育地區(qū)，風(fēng)力較大，在澆筑混凝土尤其是大體積混凝土后非常容易受到風(fēng)力影響，水分蒸發(fā)加速，從而導(dǎo)致混凝土失水干縮。因此，主要控制措施就是對(duì)上述分析的區(qū)域（1-8、15-18 區(qū)域）需要加大保水薄膜覆蓋。

此外，混凝土配合比還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果不斷地進(jìn)行調(diào)整[7]?；炷恋淖冃翁匦孕枰獙?duì)其應(yīng)力狀態(tài)有較清晰認(rèn)識(shí)，適當(dāng)在配合比中增加混凝土抗拉應(yīng)力增強(qiáng)的摻合料。在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，混凝土整體的性能可以表現(xiàn)得更為優(yōu)越。配合比具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工、監(jiān)測(cè)的應(yīng)變以及溫度變化情況來調(diào)整。反復(fù)高效地進(jìn)行振搗能夠減少85%以上的溫度所引發(fā)的裂縫問題。

最后，通過適當(dāng)分層澆筑，能夠有效控制混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生。陳平風(fēng)電項(xiàng)目在進(jìn)行基座混凝土施工過程上對(duì)每個(gè)風(fēng)機(jī)基座的幾何尺寸、澆筑順序、板塊劃分等方式上均進(jìn)行過整理規(guī)劃。通過這種方式可以直接減少由于澆筑放熱而導(dǎo)致混凝土開裂的情況。

4 結(jié)論

作為大型風(fēng)電結(jié)構(gòu)的隱蔽工程，控制基座混凝土施工質(zhì)量非常重要，要能夠全面地進(jìn)行混凝土的防裂施工，必須通過裂縫處理。通過該文的論述，得到如下3 個(gè)結(jié)論：1）首先，要對(duì)風(fēng)電基座混凝土進(jìn)行全面的參數(shù)分析以及有限元數(shù)值仿真分析。通過數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比有關(guān)曲線結(jié)果?；炷粱┕な谴篌w積澆筑施工。2）從溫度控制、應(yīng)力狀態(tài)分析入手，對(duì)大體積風(fēng)電基座混凝土施工可能存在的問題及原理進(jìn)行研究，可知混凝土厚度的變化呈現(xiàn)不同的特征，在表層和較深層的混凝土材料中其出現(xiàn)的裂縫不同，施工中要注意搜集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并及時(shí)修正。3）對(duì)陳平風(fēng)電的基座布設(shè)溫感器進(jìn)行溫度與變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過應(yīng)變來直觀地反映大體積混凝土在澆筑后的變形情況；并制定有實(shí)際效果的裂縫控制措施。