裝配式風電鋼混塔筒中預應力系統的工藝要求★

邊 杰 余 潔 陳 慶

(1.華電河南新能源發電有限公司，河南 鄭州 450046；2.重慶大學土木工程學院，重慶 400045； 3.中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司，重慶 400045)

1 概述

隨著風力發電技術的快速進步，單機容量的加大，葉片尺寸的增加，人們對塔架高度的要求也在增加。風機的平均高度從最初的15 m，發展到現在的70 m，80 m，甚至達到150 m[1]。若仍然采用純鋼結構塔筒，過高的塔筒高度會導致鋼結構塔筒發生折斷破壞，從而使混凝土塔筒的應用逐步得到推廣。鑒于目前風電塔筒的施工環境較為惡劣，導致混凝土結構的施工質量無法得到保證。因此提出了體外預應力裝配式鋼混塔筒結構形式，有效保證混凝土塔筒施工質量的同時能夠明顯提高施工效率。體外預應力裝配式鋼混塔筒結構下部為混凝土塔筒，上部為鋼塔筒。混凝土塔筒采用工廠分片預制的管片，運輸到現場后進行拼裝和接縫處灌漿。為了保證混凝土管片之間的整體工作性能以及混凝土的開裂、疲勞性能[2]，采用體外后張預應力工藝對混凝土塔筒進行整體張拉，使預制混凝土塔筒在風荷載以及地震荷載的耦合荷載作用下保持良好的工作性能。

混凝土塔筒可采用4片或8片的形式進行拼裝，預制混凝土管片可在原工廠加工，也可在現場搭設臨時工廠進行加工。預制混凝土管片之間可采用預埋鋼構件進行連接，并在接縫位置灌注環氧樹脂，提高接縫處的密封性。根據吊機的吊裝能力、塔身門洞高度和已有模具系統等條件確定塔筒節段分段。預應力鋼筋沿塔筒內壁直線布置，在開設了門洞的位置處，應將預應力鋼筋布置于門洞兩側。在側風向荷載作用下，塔筒將產生傾覆彎矩效應，從而在塔筒底部產生彎曲效應，塔筒底部的彎曲應力最大。若采用有粘結預應力筋將會產生較大的應力增量，采用體內無粘結預應力筋則會明顯削弱混凝土預制管片截面且施工復雜，因此采用體外預應力筋能夠有效提高施工效率，塔筒底部產生的應變增量可以在預應力鋼筋的全長進行分布，有效降低應力變化幅度，提高預應力鋼筋和錨具的耐疲勞性能，同時保證混凝土預制管片的施工質量。沿塔筒的高度均勻布置錨具以固定預應力鋼筋，防止在風荷載作用下導致預應力鋼筋發生振動導致預應力損失。混凝土塔筒安裝完畢后，在其上部放置鋼塔筒后進行預應力筋鋼絞線的張拉工作。為保證夾片中心線與預應力鋼筋平行，采用特質風電專用錨具。由于塔筒高度較高，且塔筒內部張拉空間有限，因此采用預應力鋼筋底部張拉。塔筒底部采用空心基礎便于預應力鋼筋的錨固與張拉。每根鋼絞線采用20%的張拉控制應力進行預緊后開始整體張拉。為了均勻施加預壓應力，避免偏心引起的短暫拉應力效果，采用對稱、循環的方式進行張拉。

基于《混凝土結構設計規范》[3]中關于預應力系統的相關規定，本文針對體外后張預應力裝配式風電鋼混塔筒的預應力系統，從選材、技術要求以及施工等方面進行了詳細的介紹，為工程應用提供一定的參考價值。

2 鋼絞線

非成品索內的鋼束材料一般采用鋼絞線束，其強度級別宜不低于1 860 MPa，并符合下列規定：

采用無粘結鋼絞線，無粘結鋼絞線中PE層厚度應不小于1.5 mm，防腐油脂重量應在15 g～30 g之間，其余要求應符合JG/T 161[4]的規定；無粘結鋼絞線束中的鋼絞線可采用光面鋼絞線、熱鍍鋅鋼絞線、環氧涂覆鋼絞線，熱鍍鋅鋼絞線應符合YB/T 152[5]的規定，環氧涂覆鋼絞線應符合GB/T 25823[6]的規定。

非成品索外護套采用高密度聚乙烯(簡稱HDPE管)，外護套應具有足夠的強度和韌性、在加工和安裝過程中不被損壞，需灌注填充料的外護套應能承受不小于1 MPa的填充料灌注工作壓力。同時外護套需具有防水性和化學穩定性，對鋼束材料無不良影響。風電塔筒的作業環境較為惡劣，因此外護套還應具有耐腐蝕性，與防腐材料無不良反應。

對需灌注填充料的HDPE護套，其最小壁厚應不小于D/17(D為外護套直徑)，而對于不灌注填充料的HDPE外護套，其最小壁厚應不小于D/32，且不小于4 mm，HDPE材料應符合CJ/T 29[7]的規定。成品索應由無粘結鋼絞線束熱擠HDPE護套組成。成品索的技術要求可參考GB/T 18365[8]的規定。

3 錨具

體外預應力錨具的性能應符合國家現行標準GB/T 14370預應力筋用錨具、夾具和連接器[9]、JGJ 85預應力筋用錨具、夾具和連接器應用技術規程[10]和JGJ 92無粘結預應力混凝土結構技術規程[11]的規定。

4 索體減振裝置

索體的減振裝置應由定位部件和隔振材料組成(見圖1)。非成品索應在對應位置的鋼束和外護套之間設置隔振材料。減振裝置的設置不應對體外索造成不利影響。

減振裝置應具有對周圍環境(如溫度等)相對不敏感的特性，定位部件應采用剛度較大的鋼材等材料，隔振材料宜采用聚氯丁烯橡膠。除此之外還應有適當的防腐措施，應為便于維護的可重復拆裝式，所有可換部件應裝卸方便。

5 附件

體外索附件包括密封裝置和接頭。密封裝置是保證錨固段密封性能的裝置。接頭是錨固段與外護套之間的連接裝置，接頭的連接方式宜采用焊接或套管連接，連接處的強度應不低于整根外護套的屈服強度。接頭可采用HDPE管，材料應符合CJ/T 297[12]的規定。

6 技術要求

體外索組件應具備對體外索索力和防腐保護的可檢測性和監控性。體外索組件的設計應符合索體整束或單根鋼束可更換的規定。

在正常施工情況下，錨具應能在結構上準確定位、有效傳遞預加力和承受可能出現的作用；在正常使用和維護的情況下，錨具應能在設計使用年限內保持良好的性能，滿足設計壽命和使用壽命均在20年以上(陸上機組20年以上)。

減振裝置設計時應充分考慮可更換和可調節等要求，應有防止側向與結構共振的措施。體外索組件應滿足防腐保護性能、錨具錨固性能、錨下載荷傳遞性能、體外索組件疲勞性能、體外索可更換性以及錨固段的密封性。無粘結鋼絞線與外護套之間的摩擦系數μ取0.08～0.1(或根據結構設計方要求進行摩擦系數試驗確定)。

7 檢驗規則

體外索產品的檢驗分為型式檢驗、出廠檢驗及進場檢驗三類。出廠檢驗為生產單位在每批產品出廠前進行的廠內產品質量控制性檢驗。進場檢驗為體外索產品到工地后，由業主或監理等單位抽取一定數量的產品進行的質量檢測性試驗。對一些特殊工程，業主委派質量工程師駐廠監督產品的生產質量，則出廠檢驗報告可以代表進場檢驗。

8 質量檢驗

預應力鋼絞線張拉錨固后，實際建立的預應力值與設計規定檢驗值的相對偏差不應超過±5%，張拉力、張拉順序及張拉工藝應符合設計及施工方案的要求；采用應力控制方法張拉時，控制張拉力下預應力鋼絞線伸長實測值與計算值的相對偏差不應超過6%。鋼絞線出現斷裂或滑脫的數量嚴禁超過同一截面鋼絞線總根數的3%，且每根斷裂的鋼絞線斷絲不應超過一絲。錨固階段應檢驗張拉端預應力鋼絞線的內縮量。張拉端預應力鋼絞線的內縮量應符合設計要求，當設計無具體要求時，應符合表1的規定。錨具的封閉保護措施應符合設計要求，當設計無要求時，外露錨具和預應力鋼絞線的混凝土保護層厚度不小于：一類環境時20 mm，二類、三類環境時50 mm。

表1 張拉端預應力鋼絞線的內縮量限值

9 標志、包裝、運輸及存儲

1)標志。產品應在顯著位置標明產品型號和產品批號。

2)包裝。錨具出廠時應采用木箱包裝，并應符合JB/ T 5000.13[13]的有關規定。包裝箱內應附有產品合格證、裝箱單。產品合格證內容包括：規格型號、名稱、出廠日期、質量合格簽章、廠名、廠址。

無粘結預應力鋼絞線應卷盤包裝，卷盤內徑不應小于800 mm，每盤無粘結預應力鋼絞線應捆扎結實，捆扎不得少于6道(經協議，可加防潮紙或麻布等材料包裝)；成品索應卷盤包裝，卷盤內徑一般不小于20倍拉索外徑，且不小于1 600 mm，最大外形尺寸應滿足相應的運輸條件。

單根外護套用塑料薄膜纏繞保護，批量外護套用編織袋包裝、非金屬繩捆扎牢固，或用木架固定兩頭捆扎，或按供需雙方商定要求進行，每包裝單位中應有合格證。

3)運輸與儲存。在運輸和裝卸過程中，應小心操作，防止碰傷，不得受到劃傷、拋甩、劇烈的撞擊及油污和化學品等污染。產品宜貯存在庫房中，露天貯存宜加遮蓋，避免銹蝕、沾污、遭受機械損傷和散失。外護套的貯存應遠離熱源、溫度不超過40 ℃，堆放場地應平整，水平整齊堆放，堆放高度不超過2 m。

10 下料及制作

體外索施工前，應根據工程結構設計要求、現場和環境條件進行施工流程設計，并由專業施工單位進場施工。施工前應檢查原材料和施工設備的主要技術性能是否符合設計要求。

體外索下料前，應將鋼絞線表面的油污、銹斑清除；鋼束應采用切割機切斷；采用無粘結預應力鋼絞線時，應采取措施防止防腐油脂從端頭溢出；下料制作過程中應避免護套的機械損傷；下料制作區和工地焊接操作區應與體外索組件存放區隔離。

11 安裝與張拉

體外索安裝前應檢查索體的加工質量，確保滿足設計要求；在穿索過程中應防止外護套受到機械損傷；索體安裝時，應防止扭壓、彎曲損壞且進行防腐保護構造；錨具組件、連管、導管及轉向器的安裝定位，與設計參照點空間三個坐標的誤差均應小于10 mm，與設計參照點的角度誤差應小于1°；成品索或無粘結鋼絞線束兩端的PE剝除長度應精確計算，并確保張拉后剝除PE段的鋼束位于防腐設計要求的合理位置；需要多次張拉的鋼束，應預留再次張拉的工作長度；外護套的連接宜采用焊接或管套連接方式，連接處的強度應不低于整根外護套的屈服強度。

鋼束張拉前應對張拉設備進行標定；鋼束的張拉控制應力不宜超過70%fptk(預應力筋抗拉強度標準值)，并應符合設計要求；鋼束張拉過程中應盡量保證結構對稱均勻受力；長度大于100 m的超長鋼束應采取措施防止反復張拉導致夾片錨固效率降低或失效，確保工作錨在張拉完成后一次錨固；鋼束張拉應實施雙控(應力控制和伸長量控制)；鋼束張拉過程應進行現場監測，鋼束張拉力監測傳感器的測量精度，應小于張拉控制力的2%。

12 施工驗收

體外索組件施工驗收應提交原材料質量合格證，產品出廠合格證，產品進場抽檢試驗報告，填充料檢驗報告，體外索組件安裝質量驗收資料；鋼束張拉記錄及質量驗收報告；防腐工程檢查驗收記錄。

施工驗收時，尚應提供鋼束拉力測點布置圖；鋼束拉力測量原始記錄。

當提供的資料、報告和外觀抽查結果均符合GB 50204[14]和本標準的要求時，即可進行驗收。

13 檢查與監測

應在設計階段制定監測計劃，由業主委托有資質的監測單位編制監測方案，并在施工階段和結構運營期對體外索組件定期進行檢查和監測。檢查和監測一般在結構施工結束時進行初步檢查；結構運營期一定時間間隔內進行常規檢查、專項檢查以及監測。

檢查記錄應包括檢查日期、檢查人員、檢查和監測過程中收集的資料信息以及觀察和圖片文檔等。結構竣工后，應嚴格按照設計條件和運行要求進行管理和維護，體外索錨具、防腐保護系統和監測系統應嚴加保護。并且應事先制定應急處理方案，根據監測結果及時采取修補或補張措施。

14 結語

裝配式風電鋼混塔筒采用體外后張預應力對預制混凝土管片進行張拉，有效提高了混凝土塔筒的整體工作性能以及風荷載作用下的疲勞性能，并防止風電塔筒底部受拉區的混凝土過早發生開裂破壞，保證混凝土塔筒的耐久性。本文針對體外后張預應力裝配式風電鋼混塔筒的預應力系統，從材料、裝置、技術以及施工工藝等方面進行詳細的介紹，為工程的實際施工提供一定的參考價值。