风电塔施工方案与监测措施

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摘要：分阶变径预制体外预应力混凝土施工需在钢绞线张拉之前完成，且每个筒段都在其重力与摩擦力的作用下保持结构稳定。而钢绞线张拉流程给建筑结构稳定性带来的影响目前还无法量化，因此文章详细研究了预制体外预应力混凝土电塔的具体施工方法与监测方法。

关键词：体外预应力；风力发电塔；施工监测

预制体外预应力混凝土风电塔同时涵盖了预制混凝土塔与体外预应力技术。其结构是在分阶变径预制预应力混凝土筒段与顶端筒段共同作用下形成的。同时，各个筒段从竖向相应的高度进行分节，其内部则均匀安放了钢绞线，施工时给钢绞线施加预应力，以此对混凝土段达到均匀施压的效果，从而使得所有接触面被压紧。

1工程概况

研究者选用的风电塔组机的额定功率可达3MW，高度达到117m左右，同时风电塔底部104m左右是混凝土塔筒，而顶端13m左右则是钢塔筒。塔机钢筒主要是借助混凝土转接部位中的高强螺栓来和塔筒相接。塔筒主要包含预制段与基础现浇段，其中预制段可分成2个过渡段与3个直筒段，每段均高3m左右。直筒段共有三种型号的截面，包含Φ8000×350、Φ4500×400和Φ6600×350，各种型号截面高度是27.72m、24.64m与30.80m。过渡段则是由锥筒组成的，各过渡段中均包含两个预制段，且过渡段高度均是6.16m。除此之外，还要给每个预制段内外侧配备非预应力筋，以起到保护效果，厚度应控制在5cm左右。混凝土筒内还需均匀缠绕16股钢绞线，其自下而上数第2个过渡段处应保留1.2°的角度。施工时给所有钢绞线施加3200kN的力，以此达到各部位受力均匀的效果。

2施工过程分析

分层壳单元的理论基础来源于复合材料力学，该技术是通过将壳单元进行分层，根据每层所处位置设计不等的厚度、材料性质与积分点数，从厚度角度给各积分点计算相应的应力、应变大小，将结果用于剪力墙结构模拟问题内。由于混凝土塔筒配筋、受力等问题类似于剪力墙，因此本项目同样可以使用这一方法进行研究，只需借助ABAQUS即可实现。塔筒自内而外共计拥有三层，即内侧保护、混凝土核心以及外侧保护，其交接处内外还包含两大钢筋层。借助非线性分析能够得知，若是项目选择塑性损伤本构，那么混凝土材料的受拉应变力将小于受拉峰值应变力，同时受压应力也在抗压强度70%以内，由此说明混凝土并没有形成塑性，本构类似线弹性。基于此研究，决定选用线弹性本构，具体参数选择严格按照行业内规范，各参数设计值如表1所示。塔门是塔身的基础部件之一，加密网格，依据Medialaxis算法划分塔门周边场所，另外的区域按照结构化网络进行划分。其单元类型属于4节点曲壳单元S4R，拥有超过13000个单元数。设计两大分析步完成了对混凝土塔筒未进行张拉部位的实验，其中第一步是如何添加重力荷载，第二步则是如何添加风荷载。考虑到时间上的要求，又设计了三个分析步来验证该项目能否在维系自身结构稳定的同时只通过一次张拉就把钢绞线张拉至设计值，分别是添加重力荷载、添加预紧力以及添加风荷载。根据相关标准可以估算出风荷载大小，并依照设计需求给予塔筒壳表层一定压力。若是周围环境10m高空处风压大小是0.2kN/m2，表明目前施工现场有8级大风。由于张拉工作并不会给钢绞线造成明显的预应力波动，对整体影响不大，因此本模型无须配备钢绞线，可直接给顶端添加压力。在结构顶部选取合适的参考点，跟顶端壳形成边缘耦合约束的关联，同时在钢绞线锚点处找到合适的点位，将其和中心点位连接起来。随后只需给钢绞线锚点增加压力，并给整个结构增加压力。考虑到钢绞线自下而上数第2个过渡段处存在1.2°的转折，由此可以得出钢绞线给第2过渡段顶部带来的压力值大小。分析计算结果可以得出，当施工现场处于8级风环境中，塔筒依旧能够与所有截面保持紧密连接状态，其中Φ4500×400段底端是受风力影响最明显的部位，在风的影响下其竖向压力明显变小，说明了即便没有钢筒、机头，塔筒也可以通过重力保持结构稳固。当开始对钢绞线张拉时，所有截面所承受的压应力都在不同程度减小。若是张拉任意一根钢绞线的过程中受到来自周围八级大风的影响，即便Φ4500×400截面底端的压力已经变小到0.165MPa，其结构依旧稳固。若是选择一次性完成整个张拉工作，那么将导致Φ4500×400顶部各段出现裂隙甚至是脱开。从连续体角度分析，此时形成的拉应力上限将为0.2MPa，但由于该处所承受的风载较小，应力变动几乎不会给整体带来影响。所以决定把每个钢绞线一次张拉完毕，但需注意要间隔张拉，以免受到偏心预拉力与周围风力的影响导致出现裂隙或脱开的问题。综上，本项目最终决定张拉方案如下所示：先完成一根钢绞线的张拉工作，待其完成后张拉与其中心对称的那一根，随后对两者相连的垂直平分线中的两个钢绞线依次张拉。按照这一方法重复三次直至完成共16根钢绞线的张拉工作。由于每次张拉带来的混凝土压缩将引起前一次张拉实现的预应力被削弱，因此在进行张拉工作时要按照顺序适当超张拉，即第一个钢绞线张拉力应为3332kN，依次递减至最后一根为3200kN。16根钢绞线的张拉工作共计分成4批完成，先对这16根钢绞线依次编号，编号顺序是从门洞处左侧开始顺时针进行编号。为了能够模拟出整个张拉工作，共设计了17个分析步骤，其中第1个分析步是针对如何给钢绞线添加重力荷载，其他16个则是严格按照标准逐步添加预紧力。同时，本次模拟实验压力值大小均为3200kN，这样设计的目的是为了将误差控制在3%以内，以此确保模拟结果贴近于实际。

3现场实测

3.1测点布置。通过对现场的分析，把应变计安设在受力明显的塔筒过渡段底端，且还要给现浇基础中的底端、侧壁以及顶端分别安设应变计。同时，Φ8000×350段的顶端是s组，共计拥有4个应变计，均垂直摆放；而第一过渡段底端则属于t1组，共计拥有7个应变计，其中两个与筒臂环向加强筋平行摆放，而另外5个则与纵向受力筋平行摆放；最后第二过渡段属于t2组，同样拥有7个应变计，应变计摆放与第一过渡段摆放一致。3.2测量过程。在制作预制段时应该把振弦式应变计安置到混凝土内。由于施工需用到钢模板，信号线不能穿过模板，所以在施工时应提前把信号线置于结构中的预埋管内，待施工完毕拆模后再把信号线从管中取出。施工时应派遣专业人员手拿读数仪观察应变计活性，并测试频率与温度值，将其作为f0、t0；随后利用四芯隔离电缆，并准备足够长的电缆线将其环绕到筒壁内侧预埋件中；将预制件运送至施工场所后，吊装完毕顺着爬梯方向把电缆铺设到底层地坪中；电缆连接采集箱，并构建振弦式应变计监测体系，施工单位除了可以使用该体系进行施工环节的监控，还可以将其用于后续的维护监测工作中。

4实测结果及与分析结果对比

在张拉时，施工人员应实时观察结构关键位置的变动状况来对整体进行监测，确保整个张拉工作按设计标准有序开展。Φ8000×350段顶端部位的s-2测点应变变化如图1所示，通过观察可以发现，刚开始张拉时全截面并没受到预压力影响，应变增长幅度波动剧烈，未达到上小下大、底部内侧应变大于外侧应变的设想。观察发现所有测试点的变化状况与有限元分析结论类似，尤其是t2-1-v部位最为贴近，而t2-4-v位置存在一定误差。分析细节发现，在施工时其顶部在压力作用下产生了微裂缝，依据微应变值、应变计标距等内容可得出裂缝宽度在0.03mm左右，可见对整体结构的影响微乎其微。同时不管是实验还是有限元的模拟都表明上侧塔筒的应变力主要在-400~+110με范围下波动，部分现浇部位也出现了微裂缝，但有限元分析结果显示这一切均在弹性范围中，由此可见借助有限元分析混凝土材料是否为线弹性本构的方法可行。

5结语

本文借助分层壳单元技术构建了混凝土塔筒分析模型，利用该模型模拟出了塔筒进行张拉工作之前的受力状况，针对测试结果制定了相应的施工方案。实践表明使用分层壳单元理论构建出的模型实用性可靠性较高，能够用来研究预制塔筒在施工时的关键之处，希望能够为类似项目所参考。

参考文献

[1]姚博强，李贝，吕雪源，等.基于BIM技术的装配式混凝土风电塔架深化设计[J].施工技术，2019（10）：5-7.

[2]甘国荣，苏韩，韦耀淋.风电混凝土塔筒体外预应力锚固体系的研究及应用[J].风能，2018（8）：92-96.

[3]刘占省，韩泽斌，张禹，等.基于BIM技术的预制装配式风电塔架数值模拟[J].建筑技术，2017（11）：113-114.

作者:徐目华 单位:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司