一種風電塔筒用拉索錨固性能研究

蘇 韓，韋耀淋

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

近幾年，隨著風電裝機容量穩定增長，風力發電量持續增長。鋼筋混凝土結構因其塔筒取材容易、運輸方便、剛度大、穩定性好、耐腐蝕、節約鋼材及維修費用低等優點，已經成為風電120 m及以上塔筒的建設趨勢。針對120 m及以上塔筒高度的風力發電機組，采用預應力鋼筋混凝土風力發電塔筒可降低風電場建設成本[1]。

1 體外拉索錨固形式確定

1.1 塔筒情況分析

國外某120 m混凝土風力發電項目，采用預制后張法混凝土塔筒，在混凝土基礎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成品索體體外預應力錨固體系[1]。整個塔筒呈下大上小的錐筒形結構，塔頂結構空間有限且塔筒的塔壁偏薄，因此預留的穿索孔道偏小。塔底基礎提前預埋4根鋼棒，鋼棒上設置鋼結構反力架，通過螺母進行錨固，反力架中心預留有體外拉索穿索孔道，反力架端面與地面間張拉空間為1．7 m。業主對體外拉索的張拉施工提出如下要求：性價比高、拉索吊裝方便、張拉速度快（2 d/塔）、可更換、防腐性能好（25 a）。塔筒及拉索布置圖如圖1所示。

圖1 塔筒及拉索布置圖

現行體外拉索類型有鋼絲墩頭錨成品索、鋼絞線擠壓錨成品索、錨板夾片后張錨散索等，均未能滿足該項目要求，故針對本項目提出了一種“鋼絞線擠壓錨頭+夾片組合錨半成品索”形式。幾種拉索優勢對比見表1。

表1 各種體外拉索優勢對比表

1.2 “鋼絞線擠壓錨頭+夾片組合錨半成品索”形式試驗研究

拉索上端采用錨頭尺寸緊湊的整束擠壓式錨頭，作為固定端，外露高度小可以滿足上端空間有限要求，同時錨頭尺寸小可以穿過塔頂預留的偏小的索孔道，在整束擠壓錨頭上可設置吊裝位置，便于整體吊裝拉索。

風塔體外索索長超過120 m且張拉力偏大，在張拉施工過程中拉索的張拉伸長量達700 mm，若采用成品索方式，制索時需提前減去張拉伸長量，在現場施工過程中通過其他牽引接長的方式將拉索張拉錨固到位，此過程較為煩瑣。針對該塔，拉索下端采用錨板、夾片錨固形式，作為張拉端，可以現場進行單根穿索張拉，張拉完成后再裁去多余的鋼絞線。此種半成品索在制索時不用考慮提前減去張拉伸長量，對于拉索索長容差率大。拉索結構示意圖如圖2所示。

圖2 拉索結構示意圖

1.2.1 靜載錨固性能試驗

按ETAG 013歐標[2]對拉索進行靜載錨固性能要求，進行靜載錨固試驗時先用千斤頂2將錨索拉至0．05Fptk預緊力，再用YDC120Q對每根鋼絞線進行2次對稱預緊；預緊完成后，用千斤頂2按拉索公稱破斷索力的20%、40%、60%、80%逐級加載，加載速度不大于100 MPa/min；加載至80%時，將拉索錨頭上的螺母鎖死并錨固于臺座上，再將千斤頂2卸載，并保壓130 min；保壓130 min后，用千斤頂1將拉索的荷載卸至20%的拉索公稱破斷索力，并記錄數據。隨后開始逐級加載直到預應力筋破壞失效。

在試驗過程中，記錄每一級荷載時活塞的伸長值，選取具有代表性的2根鋼絞線，測量，試驗荷載從1%增加到最大力時，鋼絞線、夾片與錨板支撐面的相對位移△r、△s。記錄在 7 個荷載等級下（0．2、0．4、0．8、0．8 保壓 10 min、0．8 保壓 30～40 min、0．8 保壓 60～70 min、0．8 保壓120～130 min）的錨板圓周方向的變形△t、錨板縱向的變形△z。

兩端均采用成熟的拉索體系產品，拉索的靜載錨固效率系數ηa=95．1%Ftu（實際破斷力），總應變 εTu=3．9%，均滿足標準要求。拉索靜載錨固性能試樣組裝示意圖如圖3所示；錨板夾片端采集變形圖如圖4所示。

圖3 拉索靜載錨固性能試樣組裝示意圖

圖4 錨板夾片端采集變形圖

1.2.2 疲勞性能試驗

按ETAG 013歐標[2]對拉索進行疲勞性能要求，先將拉索加載至公稱破斷索力的5%（265 kN），預緊。加載至拉索公稱破斷索力的80%（4 241 kN），保壓約30 min。保壓完成后卸載至疲勞試驗的下限荷載并將拉索卸力至5%（265 kN）。在拉索中任選2個測量點，分別測量鋼絞線、夾片的初始值。然后將拉力加載至65%（3 445．65 kN）疲勞試驗的上限值，再測量一次鋼絞線、夾片的外露量，計算出△值并記錄。正式進行疲勞試驗，疲勞條件應力上限為65%（3 445．65 kN），應力幅度為80 MPa，上下限力值差228 kN。應力循環至144萬次時，在擠壓錨頭端外圈鋼絞線邊絲剪切斷了9絲，造成試驗失敗。拉索疲勞試驗安裝示意如圖5所示；擠壓端鋼絞線邊絲剪斷位置圖如圖6所示。

圖5 拉索疲勞試驗安裝示意圖

圖6 擠壓端鋼絞線邊絲剪斷位置圖

原因分析：從擠壓端錨頭斷絲的位置分析，由于擠壓錨頭一側索體鋼絞線的孔間距與錨板一側的孔間距尺寸不相同，所以索體最外圈的鋼絞線形成一個微小的發散角，這個微小的發散角度對長索的影響很小，但對于試驗拉索（只有3．5 m）的影響很大，會致使外圈鋼絞線與錨固套沒有擠壓段孔內壁發生微動摩擦，在應力集中最大位置產生疲勞源。

改進方案：在錨頭結構上改進，在其外圓車一個過渡外錐，將錨固套擠壓時的應力集中的最大點往后挪。由于在錨固套外側車了過渡錐，造成錨固套的擠壓量減少，因此需要加長錨頭的擠壓握裹長度，在端部膨脹錐度增加至4°[3]，以保證受力。在制錨時在錨頭出口鋼絞線與錨頭的縫隙內填充具有一定強度的冷鑄填料，目的是減小鋼絞線與錨頭出口之間的微動磨損。

改進方案后，重新制作一根疲勞試驗索，進行疲勞試驗前先對單根鋼絞線進行超張拉，即在試驗臺座上對每一根鋼絞線按0．8Fptk進行超張拉，并從錨頭端面檢測鋼絞線的內縮值，從超張拉試驗結果來看，鋼絞線的內縮值≤0．05 mm，基本上沒有內縮。拉索超張拉時鋼絞線內宿值如圖7所示。

圖7 拉索超張拉時鋼絞線內宿值

將拉索安裝在疲勞試驗機上進行疲勞試驗，應力循環208萬次無斷絲，滿足ETAG 013要求。疲勞試驗完成后進行疲勞后靜載錨固性能試驗，其靜載錨固效率系數ηa=96%Ftu（實際破斷力），總應變εTu=2．8%，其破斷形式為鋼絞線頸縮斷3絲，均滿足ETAG 013標準要求。拉索疲勞過程及疲勞后鋼絞線頸縮斷絲情況如圖8所示。

圖8 拉索疲勞過程及疲勞后鋼絞線頸縮斷絲情況

改進方案后，拉索的錨固性能能夠滿足ETAG013標準要求，拉索亦成功應用在國外風電項目上，解決了該項目的實際難題。

2 結論

本文通過對此種一端整束擠壓式、一端錨板夾片式的新型組合式半成品拉索的錨固性能進行研究，得到了能夠滿足風電項目上端預留孔道偏小、上端空間有限、要求整體吊裝、施工張拉快、可更換、防腐性能好等要求的拉索，具有很好的實際工程參考價值。通過試驗研究驗證，得到了以下結論。

（1）拉索兩端的錨固方式均分別采用兩種非常成熟的錨固方式，但當兩者進行組合時，仍需進行相應的試驗驗證。

（2）拉索兩端索體鋼絞線的孔間距不同，外圈鋼絞線存在一個微小的夾角，該微小的夾角在進行靜載試驗時不會體現出來，在進行疲勞試驗時，會造成外圈鋼絞線存在微動磨損，直接影響疲勞使用壽命。

（3）通過對錨頭結構進行改制，在外圓車一個過渡外錐，可將錨頭擠壓時的最大應力往后移動。

（4）通過在鋼絞線與錨頭縫隙內灌注具有一定強度的冷鑄填料，可以有效地減少鋼絞線與錨頭的微動磨損。