混凝土塔筒用體內式預應力方案設計及應用分析

文 | 朱元，溫朝臣，蘇韓，劉進，梁劍冰

隨著風電技術的發展進步，塔筒呈現不斷加高的趨勢。當風電塔筒高于100米時，較之鋼構塔筒，混凝土塔筒具有穩定性強、重量輕、耐腐蝕程度高、成本低等優勢。混凝土塔筒特別適用于風切變較高的風電場，有利于增加該類風電場的發電量。

塔筒高度取決于塔筒結構的設計及施工可行性。為了解決超高型混凝土塔筒的開發技術難題，國外風電行業采用預應力技術，實現了100米至140米以上的大功率、高發電量的超高型混凝土塔筒建設。現階段，我國風電領域基本采用鋼塔結構或鋼混塔組合結構，預應力技術還沒有真正實現大批量使用。

目前能夠適用于混凝土塔筒的預應力可分為體內和體外兩種體系，其中體內式體系通過預應力筋與全混凝土塔筒的結合，可以有效提升塔筒建設高度、降低建設成本。本文針對國內首次在全混凝土塔筒結構中批量化使用的體內式預應力體系技術進行了分析及論證。

塔筒體內式預應力技術方案

本文以哈密景峽第二風電場C區200MW風電場為例進行塔筒預應力技術可行性分析。該項目采用100臺全混凝土塔筒技術，塔筒高120米，使用體內預應力束產品，塔筒整體結構采用錐筒截斷拼裝技術。塔筒從上到下共30段，豎向體內預應力束從塔頂至塔底采用圓周均布。

該項目塔筒結構采用現場預制多段拼裝方式，筒壁內的預應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束預應力布置，每組有4根鋼索，每根鋼索由4根鋼絞線組成，全部錨在基礎內。但是每組鋼索中有一根只張拉至第23段塔筒，其他三根繼續張拉到塔筒頂部。鋼索與塔筒結構布置，如圖1和圖2所示。

通過這種階梯串聯的預應力錨固方式，可大大提高塔筒拼接后的整體剛度，有效改善風電機組運行過程對塔筒的疲勞性破壞，從而避免類似鋼塔筒失穩折彎的現象，延長塔筒結構的使用壽命，提升風電機組發電效率。

圖1 第23段塔筒鋼索布置

圖2 第30段塔筒鋼索布置

為了優化塔筒結構，合理控制其造價成本，該塔筒的壁厚設計相對較小，需要預應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的結構及預應力筋布置所示，由于塔筒內壁管道布置存在一定的偏轉角度，給預應力筋穿索造成一定困難。為實現4組孔位的排布，需要對預應力錨具結構進行優化設計，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構的鋼索，目前市場上有夾片式、擠壓套握裹式以及鋼絲墩頭錨固，但這幾種產品有如表1所示的優劣勢，通過方案對比，可以看出方案一更適合工況需求。考慮到風力發電的使用特殊性，產品設計必須符合ETAG013歐洲規范和GB/T14370―2007等相關技術標準要求，且需要通過相應的技術測試。

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

如方案示意圖所示，上、下端錨具采用夾片式組裝，可實現現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，錨罩體采用整體設計，為便于在塔底處實現灌漿，在下端設置了灌漿孔，避免高空作業的風險。

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

產品錨下傳遞構件理論分析

錨下結構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力并把應力傳遞到預應力混凝土結構，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、約束核心區混凝土橫向變形、提高鋼筋混凝土軸心受壓構件極限應變等作用。

為確保錨具產品能夠與錨下結構件匹配、張拉部位的混凝土預應力傳遞符合使用要求，采用ANSYS有限元分析軟件對錨下應力進行了理論計算。由于錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復雜的傳力關系，所以，需對三個結構組件進行整體建模分析。

圖3 固定端方案

圖4 張拉端方案

表1 技術方案對比

表2 YJM15-4靜載性能測試

圖5 結構模型

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際尺寸建模，混凝土按最小的承載面積310 mm×310mm 建模。考慮結構受力對稱性及有限元常規分析方式，取1/8結構進行模擬計算，結構模型見圖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，摩擦系數取0.6；螺旋筋和混凝土的節點重合，作為一體計算。在錨板上施加實際工程應用的最大荷載（鋼絞線標準強度的0.75），即260.4×5×0.75=976.5kN。

圖6 錨墊板和螺旋筋模型

二、結果分析

錨墊板為鑄鐵件，其材料抗壓強度極限比抗拉強度極限高2倍左右，因此，可以用最大拉應力判斷該結構的安全性。從圖7可以看出錨墊板所受拉應力比較小，最大處的應力值為65.447MPa，遠小于HT200的標準抗拉強度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，抗壓和抗拉強度極限基本上是一樣的，因此用綜合應力（mises應力）來判斷其可靠性。從圖8可以看出，螺旋筋所受綜合應力非常小，最大處僅為32.774MPa，遠小于其材料的強度極限235MPa，螺旋筋結構也是安全的。

根據眾多混凝土試件荷載傳遞試驗結果，產生破壞的形式為側表面拉應力過大開裂。而按混凝土特性，其抗拉強度極限大概為混凝土抗壓強度極限的1/8～1/10，即4～ 5MPa。

因此，根據計算得出的側表面拉應力極值來判斷混凝土試件的安全性，從圖9縮小應力范圍到5MPa云圖清晰看出，混凝土側表面最大拉應力為3.955MPa，小于混凝土材料的抗拉強度極限4～5MPa，混凝土側表面不會因為開裂產生破壞。從圖10最大壓應力云圖可以看出，混凝土所受壓應力在其與錨墊板接觸的部分區域，已經超過混凝土能夠承受的最大壓應力40MPa，但由于有螺旋筋箍緊，其抗破壞屈服強度為235MPa，遠遠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力而不至于破壞。

另外，由于本結果是按照素混凝土計算而來，實際工程中，錨下會布置很多的箍筋，這些箍筋能夠很大程度地承擔混凝土的拉、壓應力，因此，混凝土結構不會因為壓應力過大而產生破壞。根據同樣尺寸混凝土試件的荷載傳遞試驗結果可知，結構是安全可靠的。所以，實際工程中，只要混凝土錨固區面積不小于本計算面積，那么結構就是安全的。

塔筒體內式預應力技術施工

塔筒基礎部分為凹坑內腔結構，而預應力植入在塔筒內壁孔道內，整個120米的塔筒節段是封閉式，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峻挑戰。

針對這種設計工況和高塔高空作業特殊性，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，即圍繞塔底基礎段的4個方向預埋4個用于牽引預應力筋的穿索導向孔，再通過牽引繩將預應力筋拖拉至塔頂錨點處。方案示意圖如圖11所示。

圖7 錨墊板的最大主應力云圖

圖8 螺旋筋的mises應力云圖

圖9 混凝土最大拉應力云圖（縮小范圍到5MPa）

圖10 混凝土最大壓應力云圖

圖11 交叉下穿式放索方案示意

圖12 穿索施工流程

圖13 預應力安裝及張拉過程

采用以上技術方案的優點主要表現為：首先，避免了鋼絞線吊裝至塔內放索的繁瑣工作量，節約了大量的施工設備和人力、物力。其次，采用循環牽引可以有效提高工作效率，節約成本。最后，可以多孔道同時放索牽引，節約施工周期。

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罩等保護工具。根據塔筒結構預應力的布置設計（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根鋼索進行穿束并張拉，然后才能繼續進行上面的吊裝工作。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行安裝。施工步驟如圖12和圖13所示 。

結論

本文提出一種超高型全混凝土風電塔筒與預應力技術融合的可行技術方案，有效解決了超高節段拼裝塔筒技術施工問題。通過對預應力產品的結構匹配性能進行理論分析和試驗論證可知，各項技術性能指標符合歐標ETAG013的要求，符合風電塔筒設計和使用需要。該技術成果可為日后類似工程提供一定的借鑒作用。