預制混凝土塔筒用鋼筋螺紋套筒的開發

趙紹諺，朱 菡，楊中桂，丁永春

(1.中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450015; 2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，我國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大，近年來風電產業發展較快[1]。隨著我國能源結構及供給側改革進程加快，傳統風資源優勢區域遇到電力消納能力不足等問題，低風速區域風電開發已成為解決風電發展的必由之路。我國中東部和南方地區屬于典型的低風速地區，年平均風速小于6 m/s，年滿發電小時數小于2000 h，占全國風能資源區的68%，低風速資源接近電網負荷中心，不存在限電棄風影響。業內具有共識的解決低風速區域風資源開發，提高發電效率的辦法是大風機、長葉片、高塔筒[2]。大風機、長葉片必須匹配更高、承載力更好的風機塔筒。

混凝土塔筒在國外許多公司已經建成投產，目前應用數量已經超過1.5萬臺，如圖1所示。國內在風機100 m以上高塔筒的研究和應用方面相對滯后，近兩年開始出現100 m以上全鋼柔性塔及砼鋼混合塔筒的應用，而混凝土高塔筒方面基本尚屬空白。

混凝土塔筒采用分段圓環錐式塔筒，體內采用后張預應力系統[3]。如圖2所示，混凝土塔筒預制構件的連接件包括：鋼筋螺紋套筒、預埋吊釘等預埋件。對于混凝土塔筒預制構件豎縫拼接，采用預埋螺紋套筒連接，對預埋件受力性能和疲勞性能要求較高。由于混凝土塔筒在運行過程中承受頻繁的振動載荷和疲勞載荷，對連接件的力學和疲勞性能要求較高，除了基本的力學性能之外，其疲勞應力幅為150～300 MPa，疲勞壽命為200萬次[4]，遠高于國內連接件的要求。國內廠商曾選用GB/T 1499.2規定的《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》中規定的HRB500鋼筋進行替代，經疲勞試驗，其疲勞壽命僅為100萬次，為設計壽命的50%，存在較大安全隱患，不能直接應用。

圖1 預制混凝土塔筒分段拼接

圖2 混凝土塔筒連接件連接示意圖

1 產品研發過程

1.1 鋼筋螺紋套筒

螺紋鋼筋套筒套件一般由直端鋼筋、L型鋼筋和螺紋套筒組成，見圖3。鋼筋采用均為帶肋鋼筋，符合GB/T 1499.2的要求。套筒與直段鋼筋采用螺紋連接，L型鋼筋和套筒按照JG/T 163中規定了鋼筋機械連接用套筒形式采用擠壓套筒。

1.2 鋼筋螺紋套筒設計及性能分析

預制混凝土塔筒鋼筋螺紋套筒設計及性能分析，主要包括鋼筋螺紋套筒傳導模型和承載特性分析、系列化結構設計和性能實驗分析。以典型條件下外界載荷環境為出發點，確立科學合理的鋼筋螺紋套筒的力學傳導模型，分析其工作機理及其承載特性，并通過對測試數據的統計分析梳理影響鋼筋螺紋套筒性能的主要因素及其作用規律，最終確定系列化產品型譜。

圖3 L型鋼筋和直端鋼筋尺寸示意圖

1.3 鋼筋螺紋套筒加工工藝分析

通過工藝試驗和理論或仿真分析相互結合的方法，深入探討熱處理和加工制造過程中產品微觀結果和宏觀性能的變化規律，尋求綜合性能最優化的工藝平衡點，優化確定適應批生產的熱處理、加工制造工藝路徑和具體工藝參數。并通過開展并落實自動化生產線輔助工具工裝設計制造、過程檢驗與計量儀器設備及控制措施、過程及產品驗收抽樣規則制定等工作，形成高效穩定的批生產基礎條件和覆蓋全工序全過程的質量檢測策略，為進一步改進規模化生產產品的質量一致性和可靠性提供有力保障。

工藝方案：1)用熱軋原材料直接下料制作成L型鋼筋和直端鋼筋→調質處理至要求性能→按要求加工套筒尺寸和螺紋→用鋼筋冷擠壓鉗將套筒擠至L段鋼筋；2)加工直端鋼筋螺紋。

1.4 鋼筋螺紋套筒受力分析

根據預制混凝土塔筒連接件的實際受力特點，從經典理論出發建立相應仿真分析模型，結合相應的試驗測試，分析判斷預制混凝土塔筒連接件的失效機理和失效行為特征。配合不同失效模式間的關聯特性研究，確定合理可行的可靠性穩健設計方法和失效防護措施。

2 鋼筋螺紋套筒拉力載荷下承載特性計算

2.1 鋼筋螺紋套筒有限元分析

通過選用不同的材料制作鋼筋螺紋套筒進行有限元分析[5]，采用三維軟件對預應力風機基礎結構進行建模模擬。

計算工況1：合金鋼帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強度785 MPa，抗拉強度904 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強度345 MPa，抗拉強度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

計算工況2：HRB500帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強度540 MPa，抗拉強度690 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強度345 MPa，抗拉強度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

2.2 邊界條件劃分

預制混凝土塔筒連接件仿真加載邊界條件如圖4所示，固定L型帶肋鋼筋的一端，在直端帶肋鋼筋的一端加載一個水平拉伸載荷。

圖4 預制混凝土塔筒連接件加載邊界條件

2.3 計算工況1

預制混凝土塔筒連接件計算工況1的應力云圖如圖5所示。由應力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應力值在600～675 MPa之間，沒有達到材料屈服應力，因而屬于彈性變形。L型鋼筋在套筒內的一段的應力值較大，出現應力集中現象，且應力集中區域明顯大于直端鋼筋在套筒內的一段。套筒上的應力值要小于帶肋鋼筋的應力值。圖6是螺紋套筒的應力云圖，在螺紋套筒中間出現明顯的應力集中區域，應力值為550～600 MPa，該區域經發生屈服，并且應力值逼近抗拉強度，因而螺紋套筒的強度制約著連接件組件的承載特性。

2.4 計算工況2

預制混凝土塔筒連接件組件計算工況2的應力云圖如圖7所示。由應力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應力值在583.3～641.7 MPa之間，已經超過了HRB500材料的屈服應力，產生了屈服，發生了塑性變形，且應力值接近于抗拉強度。

圖5 計算工況1連接件組件應力云圖

圖6 計算工況1螺紋套筒應力云圖

與計算工況1相同，在L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋的端部產生了明顯的應力集中現象。圖8為計算工況2螺紋套筒的應力云圖，在螺紋套筒中間出現明顯的應力集中區域，且應力值為551.2～600 MPa，該區域經發生屈服，并且應力值逼近抗拉強度。由此可以看出，當拉伸載荷為230 kN時，帶肋鋼筋和螺紋套筒都已經接近承載極限。

圖7 計算工況2連接件組件的應力云圖

圖8 計算工況2螺紋套筒的應力云圖

2.5 結果分析

計算工況1中合金鋼帶肋鋼筋的承載特性要明顯好于螺紋套筒，螺紋套筒的材料制約著連接件組件的承載特性。

計算工況2中HRB500帶肋鋼筋和螺紋套筒在拉伸過程中，幾乎同時達到抗拉極限，且拉伸載荷在230 kN已經逼近連接件組件的最大拉伸載荷。

3 研究結果與分析

根據前期理論仿真分析計算結果和連接件設計需求，對合金鋼帶肋鋼筋進行調質處理， 選擇HRB500帶肋鋼筋，對兩種原材料進行力學性能分析，其力學性能檢測結果如表1所示。

表1 原材料力學性能檢測結果

合金鋼帶肋鋼筋進行調質處理后，對顯微組織進行檢測。按GB/T 13298—2015、GB/T 13299—1991，使用3%硝酸酒精溶液進行腐蝕，經鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕后置于顯微鏡下觀察，顯微組織如圖9所示，為回火索氏體加少量鐵素體，回火索氏體含量較高表明其具有較高的韌性和強度。

圖9 合金鋼帶肋鋼筋熱處理后顯微組織

根據原材料性能檢測結果，依據加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由合金鋼帶肋鋼筋和45#鋼螺紋套筒制作的連接件，對其進行拉力載荷試驗，試驗結果曲線圖如圖10所示。

從拉力載荷曲線和試驗結束后連接件狀態分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗臺上，兩個試驗樣件均在200 kN出現塑性變形，隨著拉力的繼續增大，由于帶肋鋼筋的強度遠高于螺紋套筒的強度，從試驗結束后連接件的狀態看出螺紋套筒的螺紋的損壞程度比較大。驗證了有限元分析結果。

根據原材料性能檢測結果，依據加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由HRB500帶肋鋼筋和Q345鋼螺紋套筒制作的連接件，對其進行拉力載荷試驗，試驗結果曲線圖如圖11所示。

圖10 合金鋼鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

圖11 HRB500鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

從拉力載荷曲線和試驗結束后連接件狀態分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗臺上，兩個試驗樣件均在170 kN出現塑性變形，隨著拉力的繼續增大，達到HRB500帶肋鋼筋的屈服點。驗證了有限元分析結果。

4 結論

采用合金鋼帶肋鋼筋和Q345鋼，優化熱處理工藝和加工工藝，制作鋼筋螺紋套筒，經各項性能測試，達到預制混凝土用鋼筋螺紋套筒的開發設計需求。預制混凝土用鋼筋螺紋套筒的成功開發，填補了國內空白，改變了此種產品完全依賴進口的局面。