風電混凝土塔筒體外預應力錨固體系的研究及應用

文 | 甘國榮，蘇韓，韋耀淋

近年來，隨著風電塔筒的建設高度達到并超越120m，應用體外預應力技術的混凝土塔筒表現出優異的性能，成為國外風電塔筒建設的熱點，并發展了多邊形、多階圓柱形、錐形等多種薄壁塔筒構型。

體外預應力錨固技術能在不影響構筑物原有結構的前提下，達到有效的提載強化效果，而且該體系具有設計靈活、施工快捷的優點，為混凝土結構構件采用預制化、標準化和裝配化的施工方案提供了技術條件和建設選擇。與通常橋梁和舊橋加固中應用的體外索不同，風電混凝土塔筒配置覆蓋整個塔筒高度的豎向預應力束，一方面是在塔筒承受彎矩的情況下防止混凝土出現拉應力和過早開裂；另一方面則是在交變載荷的作用下維持塔筒的固有頻率，有效避免共振和疲勞失效的發生。相關研究表明配置豎向體外預應力的預制拼裝混凝土塔筒在減少造價、提高結構耐久性等方面具有特殊優勢。然而目前我國混凝土塔筒的建設還比較少，對混凝土塔筒所需的體外預應力錨固技術研究有待加強。

因此，本文通過對120m豎向體外預應力錨固體系的適用結構型式和錨固性能進行試驗研究和分析，并基于實際工況進行專用施工方法和配套施工機具的設計和工程應用，以期推動及促進這種新型結構在我國風電建設工程中的應用。

索體結構的研究

混凝土塔筒施工一般采用現場分節段預制，在完成塔筒基礎施工后，以節段拼裝的方式豎起塔筒，塔筒節段之間采用干接縫，因此施工進度很快，可達1塔/周。在豎起塔筒后，依靠塔筒本身的結構穩定性，按施工進度要求進行機組、葉片、電氣設備、體外索等設備設施的安裝，體外索在塔筒內的常規布置如圖1所示。通常風電場的設計運營期為20年以上，混凝土塔筒技術滿足運營所需的安全性、耐用性和易維護的要求，并且由于施工速度快、維修量小、易拆裝等優點，使得應用預制后張法的混凝土塔筒在經濟、技術、環境和美學上都具有競爭力。

預埋在基礎混凝土結構中與風電機組塔筒連接的構件通常采用預應力錨桿籠結構，其剛性桿體頻繁承受交變振動載荷極易發生疲勞破壞而影響風塔的安全使用。目前同樣采用預制后張法的混凝土塔筒則在中空混凝土基礎（圖1）與混凝土塔筒的連接方式上選用了從塔頂至基礎的錨拉式鋼絞線（或鋼絲）成品索體外預應力錨固體系，極大避免了剛性聯接體系疲勞失效的風險。

圖1 混凝土塔筒典型構造及體外索布置示意圖

為降低風載對混凝土塔筒的不良影響，其截面尺寸從塔底到塔頂逐漸減小，相應地采用較大的拉索張拉力和較小的塔筒壁厚，同時綜合考慮塔內空間、施工效率、質量控制等因素。為克服塔筒截面對拉索及錨具尺寸的限制，國外已有的技術是采用墩頭錨式平行鋼絲拉索方案來實現較小的索體截面積和錨具尺寸，但同時帶來成盤直徑較大、索體防腐及運輸成本高等問題。本文在深入研究和大量試驗的基礎上，成功研發了OVMGJ-M15系列組合式整束擠壓平行鋼絞線拉索錨固體系，其拉索上端為固定端，采用整束擠壓錨具，下端為張拉端，采用夾片式錨具；通過對塔底中空混凝土基礎處體外索的張拉，與塔筒頂部的錨具一起對整個塔筒施加預緊力，增強拼裝后的塔筒穩定性和抗疲勞性能。OVMGJ-M15索體采用Φ15.7mm標準強度為1860MPa的低松馳無粘結鋼絞線（prEN10138-3），其基本結構組成如圖2所示。

圖2 組合式平行鋼絞線拉索錨固體系基本結構示意圖

圖3 拉索組裝件靜載張拉曲線圖

圖4 拉索組裝件靜載張拉測試圖

錨固體系的試驗研究

一、靜載錨固性能研究

根據歐標ETAG013的要求，拉索錨固性能需滿足靜載錨固性能、疲勞性能和荷載傳遞性能的要求。ETAG013對體外索的靜載錨固性能試驗要求測量加載時張拉端夾片錨頭的變形，并且通過拉索兩端錨具的交替張拉錨固最終加載至整個拉索破斷來檢驗其靜載性能。OVMGJ-M15的拉索錨具組裝件靜載試驗如圖3、圖4所示，經檢驗，拉索加載至5243.1kN后破斷，其錨具效率系數達到了96%，總延伸率達到了3.7%，拉索靜載錨固性能滿足ETAG013中規定達到錨具效率系數≥95%、總延伸率≥2%的要求。

二、疲勞性能研究

歐標ETAG013對體外索組裝件的疲勞荷載性能試驗要求是上限載荷為65%fptk，在應力幅度為80MPa的水平上進行200萬次荷載循環試驗后，發生破斷的預應力筋的截面面積應不大于試驗總截面面積的5%，即OVMGJ-M15拉索試驗后，發生破斷的鋼絞線的鋼絲應小于7絲。在對單根鋼絞線錨固單元組裝件進行匹配性試驗的基礎上，通過對OVMGJ-M15拉索上下端兩種不同錨具參數進行改進及優化，在疲勞上限載荷為3445.7 kN、下限載荷為3217.7KN的水平上，經200萬次荷載循環后，將斷絲率控制在2%以下，成功通過了該試驗驗證。

圖5 拉索組裝件疲勞試驗測試圖

圖6 疲勞試驗后的拉索

三、錨固區傳力性能研究

在現場體外索張拉施工過程中，曾經發生過張拉端混凝土錨固區被壓潰的現象，因此，體外索張拉端須按ETAG013的規定進行錨固區荷載傳遞試驗，保證試驗破壞載荷不小于1.1倍的標準極限載荷。按基礎設計的要求和承載墩尺寸進行OVMGJ-M15拉索錨具錨固區荷載傳遞試驗（如圖7），其混凝土設計抗壓強度為40MPa，標準極限載荷為5301kN。經過十次的循環加載，混凝土試件在循環上限載荷4240.8 kN（0.8Fpk）時，其最大裂縫寬度為0.1mm，小于ETAG013規定≤0.25mm的要求。繼續加載至6841.6kN，即試驗載荷達到1.29倍的標準極限載荷，混凝土試件仍未破壞失效。

專用施工裝置的研制

圖7 荷載傳遞性能試驗測試圖

圖8 測試后混凝土試件端面

為了安裝塔筒內的體外索，一是利用塔外的大型吊機整體吊起拉索由塔頂從上而下進行穿索，二是利用提升（卷揚）機牽引拉索從塔底由下而上穿索。針對可在塔頂平臺安裝牽引動力——小型提升機的狀況，為保證其牽引掛索效率，特別對其掛索施工方法和專用施工裝置進行了研究。當待安裝的索盤運輸至塔筒現場后，一般須經過放索、提升、上端錨固、下端張拉和防護處理等步驟來完成索體安裝施工。順利將拉索牽引提升到塔頂就位需要一系列的專用裝置，如多功能放索架、地面導輪裝置、門口導輪裝置、防撞導向框架、橫梁導向裝置、中間平臺導向裝置、萬向連接頭、塔頂滑車等，其中多功能放索架和塔頂滑車的合理結構設計是提高施工效率的關鍵。

一、多功能放索架

由于塔頂空間有限，在塔頂平臺安裝的小型提升機牽引力有限，放索方式需盡量減少牽引力損耗，提高掛索效率。通過對掛索工藝流程的研究，研制了與通常的水平放索方式不同、采用豎直放索的多功能放索架，以利于放索和對索體及周圍人員的保護。由于拉索成盤及運輸狀態是水平放置的，多功能放索架的滾籠結構能方便地拆卸以放置索體，并能在吊車的輔助下旋轉90°放置在底座托架上，其結構如圖9所示，并可通過剎車系統隨時控制放索架的轉速，以匹配拉索的提升速度。

二、塔頂滑車

在塔頂的受限空間中進行掛索施工，需精確設計并校核塔頂滑車安裝后的提升軸心與塔頂拉索設計軸心是否一致，以及滑車的整體尺寸是否滿足安裝空間的要求，否則很容易導致上端錨頭提升不到位，螺母無法鎖定。通過運用有限元分析進行結構優化，塔頂滑車如圖10所示，其主要部件為上錨定板、萬向旋轉拉桿、卡槽式耳板、導輪裝置等。安裝時，上錨定板將兩個高強度螺母安裝在風電機組底座法蘭螺桿上，用扭矩板手施以500N.m的扭矩來鎖緊該螺母。

圖9 多功能放索架結構示意圖

圖10 塔頂滑車結構示意圖

圖11 體外索施工工藝流程圖

工程應用

印度班努爾風電場工程共建有3MW風電機組26臺，該工程采用錐形混凝土塔筒，塔筒設計高度約為118.6m，塔底最大直徑為8.4m，塔頂最大直徑為3.5m；塔筒壁厚為150mm，分成6節段預制拼裝，前5節段每節段高約20m，由多片弧形面板拼成。塔筒基礎為中空混凝土基礎，埋深約為3.5m，中空混凝土基礎內側專門設置了錨固拉索的混凝土錨墩。每個塔筒內設置6根OVMGJ-M15-17型體外索，索體材料為17根Φ15.7mm-1860MPa鋼絞線無粘結筋；每根索長為120.6m，重約2.6t，設計張拉力為2950 kN。整個塔筒體外索拉索施工前，塔頂3MW機組、葉片和塔內大部分電力設備均已安裝。

OVMGJ-M15-17型體外索安裝主要施工工藝流程如圖11所示。

根據現場塔內設施布置情況和吊點位置的限制，掛索系統采用了塔門口處放置多功能放索架放索、塔頂提升機牽引提升的掛索方案。由于塔內已安裝的小型電梯運力只有約300kg，因此選擇了自重較輕的小型提升機（牽引力為3t），配套Φ14mm的牽引鋼絲繩。放置好掛索路徑中各轉向點導向并確定合理的掛索順序后，將每根拉索上錨頭提升至塔頂機組底座法蘭并鎖緊螺母后，需將塔頂滑車卸下并重新安裝至下一根拉索對應的吊點上，依次完成對其余拉索的牽引和螺母鎖定。

掛索時，需注意拉索提升的速度和放索速度的匹配，避免放索過慢時放索架被拖拽而導致傾覆，放索太快時鋼絞線彈出而造成鋼絞線PE護套的損傷。在上端錨頭螺母鎖定后，及時將拉索尾部鋼絞線臨時防護清理干凈，安放進基礎頂板預留施工孔并順直各鋼絞線，為下根索的提升作業騰出空間。

塔內全部拉索均提升到位并安裝張拉端錨具后，采用懸浮張拉法對每對拉索進行對稱連續張拉。首先，每根索的鋼絞線逐一按順序從基礎頂板穿入預先在混凝土錨墩上固定好的張拉端錨頭錨孔內，采用YDC160Q小千斤頂逐一預緊，然后在錨頭上安裝YDCL400Q張拉千斤頂，如圖14所示，利用該千斤頂自帶的工具錨具裝置夾持鋼絞線來進行該千斤頂的臨時定位。拉索張拉分五級進行，按（20%、40%、60%、80%、100%）FASL的順序對稱同步張拉至設計索力FASL為2950 kN。測量張拉伸長值并校核無誤后，用千斤頂頂壓裝置壓緊錨頭工作夾片，千斤頂緩慢卸載至拉索錨固。張拉實測數據如圖15所示，各拉索張拉伸長值滿足±5%的誤差要求。

圖12 掛索施工

圖13 上端螺母安裝

圖14 塔基礎內懸浮張拉施工

圖15 現場張拉曲線圖

結論

本文針對風電混凝土塔筒的結構特點和安裝施工要求，開展并完成了Φ15.7mm-1860MPa組合式整束擠壓平行鋼絞線拉索錨固體系的研制和應用。該鋼絞線拉索錨固體系的組裝件靜載及疲勞性能優良，各項技術性能指標均達到歐標ETAG013的要求；而且該體系的配套專用機具及施工方法有效保障了施工的安裝質量，較好地滿足了現場施工安全和進度的要求。