超高風電塔筒豎向體外預應力施工難題及解決方案研究

摘要：近年來，國家大力發展風力發電工程，超高型塔筒能充分利用風能資源，提升整機發電量，因此成為主要的風力發電建造形式。豎向預應力系統作為加強塔筒結構整體剛度、穩定性、耐疲勞性的重要構件，其構造形式和施工方法近年來不斷地得到改進和完善。文章以數個風電塔筒豎向體外預應力系統安裝工程實踐為例，針對施工中遇到的制索、吊裝、扭轉、張拉、折角、換索等技術難題，介紹其應用工況，分析難題的成因，并且提出了針對性的解決方案。該研究對同類工程的結構設計和施工具有一定的參考作用。

關鍵詞：超高風電塔筒；豎向體外預應力；施工難題；解決方案

中圖分類號：TM6"""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）01-0102-04

【作者簡介】韋潔，男，陜西蒲城人，工程師，研究方向：預應力技術的研發及施工；彭莎，女，湖南婁底人，助理工程師，研究方向：預應力技術開發及技術管理；韋妮采，女，廣西柳州人，工程師，研究方向：工程造價及管理。

【引用本文】韋潔，彭莎，韋妮采.超高風電塔筒豎向體外預應力施工難題及解決方案研究［J］.企業科技與發展，2024（1）：102-105.

0 引言

風力發電是一種利用風能轉化為電能的可再生能源技術，我國的風能資源豐富且相對集中，因此大力發展風力發電符合國家《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》的總體路線。隨著風電塔筒建造技術的不斷創新與突破，超高型塔筒能充分利用風能資源、提升整機發電量、降低建設維護成本，因此成為主要的風力發電建造形式。鋼-混凝土組合結構塔筒具有穩定性高、耐久性強、經濟性能好等諸多優點，成為目前超高風電塔筒結構發展的主要方向。行業內最新設計的風電鋼混塔筒的總體高度已達到180 m，其中預應力混凝土基礎段的高度可達到140 m。結構體系的升級離不開施工技術的支持，在針對超高型塔筒的研究中，黃漢斌等［1］以新疆哈密某風電場項目120 m高的混凝土塔筒為研究對象，對塔筒體內預應力施工安裝及監測技術進行專項設計，為類似工程提供了可借鑒的施工經驗；許千壽［2］結合深能高郵東部風電場項目140 m鋼-混凝土混合風力發電塔筒的預應力混凝土的結構特點，分析預制混凝土塔筒拼裝方法與其預應力工程施工過程中的關鍵點和難點，總結保持塔筒預應力效應的工藝措施；邊杰等［3］基于《混凝土結構設計規范》中的相關規定，介紹裝配式風電鋼混塔筒中預應力系統的工藝要求，從結構設計上提出體外預應力系統應用于鋼混塔筒結構中的優越性，認為采用體外預應力筋能提高施工效率，降低應力變化幅度，提高預應力筋和錨具的耐疲勞性能，同時能保證混凝土預制管片的施工質量；李海民［4］以江蘇揚州寶應柳堡鎮的風電場項目為例，介紹目前風電塔體外索預應力的常規施工技術。本文結合前人的研究，從工程實踐出發，針對基礎段塔筒的體外預應力系統安裝施工中的技術難題進行分析，提出一些新的解決方案，并指出風電塔筒預應力技術未來的發展方向，可為后續同類型工程的結構體系設計及施工提供參考。

1 超高風電塔筒豎向體外預應力的特點

1.1 體外預應力系統構造

風電塔筒體外預應力系統主要由無黏結護套鋼絞線、群錨錨具和保護罩等附屬構件組成，其安裝的主要施工工序為“制索—吊裝—張拉—防護”?？紤]到施工的便利性，通常將塔筒上端設計為固定端，錨固于鋼混轉接段內腔，塔筒上端錨固構造圖如圖1所示；下端為張拉端，錨固于基礎承臺內腔，塔筒下端錨固構造圖如圖2所示。

1.2 構造特點

塔筒超高的結構特點決定了其豎向體外預應力系統具有超長和有限空間的特點，超長造成吊裝噸位大、路徑長的施工難點，而有限空間導致了施工設備布置與安裝困難、人員操作困難。此外，預應力束由單根護套鋼絞線編束制作而成，在制作、轉運、吊裝過程中易損傷鋼絞線的護套，從而影響預應力束的耐久性，尤其是風電塔筒在運營過程中一直處于振動狀態，會加速預應力束的損壞。因此，如何保證預應力束的安裝質量是施工人員需要解決的關鍵問題。

2 施工難題及解決方案

2.1 制索難題

2.1.1 難點分析

鋼絞線原材料出廠時均按照規范要求的尺寸和重量整盤發出，到達現場后需要施工單位進行“斷料—編束—再成盤”的制索過程。因為施工現場條件有限，所以在制索過程中無黏結鋼絞線的護套容易被污染或損傷，而且制作好的預應力束再成盤需要人工操作并動用卷盤機、汽車吊等大型機具，施工和人力成本較高。

2.1.2 解決方案

盡量采取“材料+施工”的系統性承包服務模式，保證主材的質量；推廣采用工廠化制索方式，即在工廠內建立標準化的下料制索生產線，根據具體的項目要求，在工廠內完成無黏結鋼絞線的下料、制索、成盤后，再發往施工現場，從而保證主材質量，并且可以實現統籌選料，達到減少尾料、節省材料費的目的。

2.2 吊裝難題

2.2.1 難點分析

體外預應力束的長度可達到150 m，需要豎直起吊，起吊路徑長、噸位大。目前，行業內多采用懸臂吊機置于塔頂的方式進行預應力束吊裝作業，但懸臂吊機自重較大，上、下塔頂均需要依賴大型履帶吊車，而履帶吊車完成一個塔筒壁的吊裝后，需要轉移到下一個塔筒位置進行吊裝作業，無法等待預應力施工。因此，預應力吊裝設備無法下塔，需要準備多套設備周轉，施工成本較高且不利于控制工期。

2.2.2 解決方案

方案一：布設卷揚機于地面作為起吊動力，卷揚機鋼絲繩通過導向到達塔頂預應力孔道口上方，然后在塔頂設置吊裝支架，提供吊點。吊裝支架設計成拼裝式，以減小結構單元的重量，便于人工裝、拆支架；可利用地面卷揚機逐個下放支架單元，擺脫對大型履帶吊車的依賴，有利于縮短整個風電場項目的建造周期，節約建設成本。

方案二：采用單根吊裝方法，即布置提升機于塔頂，逐根起吊鋼絞線完成整束鋼絞線的架設。此方法起吊重量小，不需要編束成盤，可以實現吊裝設備的小型化。但是，此方法施工效率低于整束吊裝，需要開發系統性且高效的施工裝備和方法。

2.3 扭轉難題

2.3.1 難點分析

體外預應力束由多根鋼絞線編束組成，預應力束制作好后，需要卷盤用于轉運。預應力束在起吊放索過程中需要釋放卷盤時積累的扭轉力，因此呈現出旋轉上升的狀態，導致上、下端錨固時，各個錨孔不在一條直線上，并且無法判斷預應力束從上端錨固位置至下端錨固位置的扭轉角度。預應力束存在的扭轉角，會導致各根鋼絞線的應力狀態不均勻，進而影響整束預應力束的使用壽命。

2.3.2 解決方案

在鋼絞線下料編束時，可將預應力束中的一根鋼絞線的護套設置為不同的顏色，以此根鋼絞線作為標記線，預應力束起吊完成后根據標記線的位置判定預應力束的扭轉情況，進而從上至下地扭動調整預應力束，使各根鋼絞線平行順直。預應力束扭轉調整原理圖如圖3所示。

2.4 張拉難題

2.4.1 難點分析

目前，常用的張拉方式有整束張拉和單根張拉2種，整束張拉方式可應用于各種結構的塔筒，而單根張拉方式僅適用于預應力束與塔壁無接觸、無折角的塔筒，原因是先張拉的鋼絞線在接觸偏折位置時，會擠壓其余的鋼絞線，導致后面張拉的鋼絞線在擠壓位置的應力無法傳遞。

整束張拉方式的難點是需要大噸位穿心千斤頂，設備自重大，進出塔洞倒運困難，而且千斤頂安裝方向為由下至上，張拉回程過程中需要不斷向上頂推千斤頂，使其貼緊下端的錨固面，操作困難，費時費力。單根張拉方式因其設備輕巧而成為一個優選方案，然而在逐根張拉鋼絞線的過程中，由于主體結構的壓縮形變會造成應力損失，因此解決其適用條件的限制和保證各根鋼絞線應力的均勻性成為解決問題的關鍵。

2.4.2 解決方案

為解決整束張拉方式的難點，可采用專用液壓頂升車和定位千斤頂。專用液壓頂升車需要根據塔筒基礎內腔的空間尺寸和千斤頂的型號尺寸進行針對性的結構尺寸設計，并且需具備攜帶千斤頂進行三維運動的功能。

對于單根張拉方式的適用性問題，可以通過在預應力束與塔壁接觸位置設置蜂窩式分絲管，使鋼絞線束分別穿過各個獨立的管道，張拉時就不會相互擠壓。對于應力均勻性的問題，張拉時可以在首根鋼絞線上安裝壓力傳感器，用以顯示逐根張拉鋼絞線過程中應力的損失量，從而指導后續每根鋼絞線的張拉控制施工。對于首根鋼絞線張拉控制力的大小，可根據整束目標索力的平均值加上結構變形的損失量計算得到。

2.5 折角難題

2.5.1 難點分析

混凝土塔筒從下至上大體上呈現分段梯形的構造，有些塔筒在變徑轉向位置，其內壁會干涉預應力束的路徑，使預應力束與塔筒內壁接觸形成折角。為了避免接觸位置出現摩擦損傷，目前采用的解決措施為在接觸位置的索體上安裝鋼質抱箍隔離預應力束和塔壁。此方法存在的問題是抱箍只能在張拉之前安裝，張拉時鋼絞線、抱箍、塔壁之間會產生相對滑移，可能會損傷鋼絞線的護套。為了節約建造成本，很多項目塔筒的中間段并未設置作業平臺，因此無法采用安裝抱箍的方式施工。

2.5.2 解決方案

混凝土塔壁預制時可在變徑轉向位置預埋固定塑料板或橡膠板等柔性板材，其硬度低于鋼絞線護套的硬度，如此在接觸位置的預應力束與柔性板材即使相互摩擦也不會造成護套損傷。此方案不用安裝抱箍構件，并且在變徑轉向位置也不使用作業平臺，可降低施工成本，提高施工效率。塔壁轉向處處置方案如圖4所示。

2.6 換索難題

2.6.1 難點分析

塔筒預應力束長度較長且設計的張拉控制力可達到0.7倍的破斷力，導致預應力束的張拉伸長量很大，即張拉完成后，錨具后方還有很長一段鋼絞線外露，因此需要配套很長的保護罩保護外露段。然而，塔筒基礎內空間有限，保護罩太長會導致安裝困難，而且保護罩內部需要灌注防腐材料，會增加材料成本。若是切短外露鋼絞線，則會導致工作長度不足以釋放鋼絞線內的應力，無法實現后期換索的功能。

2.6.2 解決方案

為了降低材料成本，需要開發創新性的換索技術，以減少鋼絞線的外露長度。目前，工程上已有一些在索體自由段切割換索的技術，然而其安全性和施工效率還需要檢驗和完善，工程技術人員可參考此方法展開進一步的研究。

3 結語

風力發電作為近幾年以及未來較長一段時間內重點發展的工程類型，為了縮短建設周期、降低建造成本，其結構體系和施工技術均在不斷地創新和完善中。結構體系的創新離不開施工技術的支持和工程實踐的檢驗，需要廣大工程技術人員持續研究，解決工程難題，創新施工方法。目前，風電塔筒豎向體外預應力系統施工的關鍵環節為“制索—吊裝—張拉”。對于制索環節，為了保證鋼絞線下料的精度和質量，應盡力推進工廠化下料，未來可以嘗試將擠壓成品拉索應用于風電塔筒預應力領域，擠壓成品拉索的防腐性能更優，使用壽命更久。對于吊裝環節，應大力開發系統性的施工機械，實現自主動作和自動化控制，以提高施工效率。對于張拉環節，需要大力發展智能化程度更高的張拉技術，實現索力的精準控制。此外，風電塔筒預應力換索技術和預應力系統的健康監測技術也應成為該類工程未來重點關注的一個關鍵課題，例如對磁通量傳感器測力系統、可視化監控系統及大數據反饋系統等高新技術手段的深入研究和推廣應用，有利于風電塔筒運營期的維護和使用壽命的提高。

4 參考文獻

［1］黃漢斌，簡鈴方，王波，等.風電超高混凝土塔筒體內預應力施工及監測技術研究［J］.科技創新導報，2021（17）：4-6.

［2］許千壽.140m鋼-混凝土混合風力發電機塔筒預應力技術研究［J］.建筑技術開發，2019，46（22）：96-98.

［3］邊杰，余潔，陳慶.裝配式風電鋼混塔筒中預應力系統的工藝要求［J］.山西建筑，2021，47（9）：91-93.

［4］李海民.風電塔體外索預應力施工技術［J］.中國高新科技，2021（14）：61-62.