裝配式風(fēng)電鋼混塔筒中預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的工藝要求★

邊 杰 余 潔 陳 慶

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

1 概述

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速進(jìn)步，單機(jī)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(fēng)機(jī)的平均高度從最初的15 m，發(fā)展到現(xiàn)在的70 m，80 m，甚至達(dá)到150 m[1]。若仍然采用純鋼結(jié)構(gòu)塔筒，過高的塔筒高度會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)塔筒發(fā)生折斷破壞，從而使混凝土塔筒的應(yīng)用逐步得到推廣。鑒于目前風(fēng)電塔筒的施工環(huán)境較為惡劣，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量無法得到保證。因此提出了體外預(yù)應(yīng)力裝配式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)形式，有效保證混凝土塔筒施工質(zhì)量的同時(shí)能夠明顯提高施工效率。體外預(yù)應(yīng)力裝配式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)下部為混凝土塔筒，上部為鋼塔筒?；炷了膊捎霉S分片預(yù)制的管片，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后進(jìn)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(yù)應(yīng)力工藝對混凝土塔筒進(jìn)行整體張拉，使預(yù)制混凝土塔筒在風(fēng)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(jìn)行拼裝，預(yù)制混凝土管片可在原工廠加工，也可在現(xiàn)場搭設(shè)臨時(shí)工廠進(jìn)行加工。預(yù)制混凝土管片之間可采用預(yù)埋鋼構(gòu)件進(jìn)行連接，并在接縫位置灌注環(huán)氧樹脂，提高接縫處的密封性。根據(jù)吊機(jī)的吊裝能力、塔身門洞高度和已有模具系統(tǒng)等條件確定塔筒節(jié)段分段。預(yù)應(yīng)力鋼筋沿塔筒內(nèi)壁直線布置，在開設(shè)了門洞的位置處，應(yīng)將預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于門洞兩側(cè)。在側(cè)風(fēng)向荷載作用下，塔筒將產(chǎn)生傾覆彎矩效應(yīng)，從而在塔筒底部產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，塔筒底部的彎曲應(yīng)力最大。若采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋將會產(chǎn)生較大的應(yīng)力增量，采用體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋則會明顯削弱混凝土預(yù)制管片截面且施工復(fù)雜，因此采用體外預(yù)應(yīng)力筋能夠有效提高施工效率，塔筒底部產(chǎn)生的應(yīng)變增量可以在預(yù)應(yīng)力鋼筋的全長進(jìn)行分布，有效降低應(yīng)力變化幅度，提高預(yù)應(yīng)力鋼筋和錨具的耐疲勞性能，同時(shí)保證混凝土預(yù)制管片的施工質(zhì)量。沿塔筒的高度均勻布置錨具以固定預(yù)應(yīng)力鋼筋，防止在風(fēng)荷載作用下導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生振動導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失?；炷了舶惭b完畢后，在其上部放置鋼塔筒后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線的張拉工作。為保證夾片中心線與預(yù)應(yīng)力鋼筋平行，采用特質(zhì)風(fēng)電專用錨具。由于塔筒高度較高，且塔筒內(nèi)部張拉空間有限，因此采用預(yù)應(yīng)力鋼筋底部張拉。塔筒底部采用空心基礎(chǔ)便于預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固與張拉。每根鋼絞線采用20%的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行預(yù)緊后開始整體張拉。為了均勻施加預(yù)壓應(yīng)力，避免偏心引起的短暫拉應(yīng)力效果，采用對稱、循環(huán)的方式進(jìn)行張拉。

基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中關(guān)于預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，本文針對體外后張預(yù)應(yīng)力裝配式風(fēng)電鋼混塔筒的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，從選材、技術(shù)要求以及施工等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為工程應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

2 鋼絞線

非成品索內(nèi)的鋼束材料一般采用鋼絞線束，其強(qiáng)度級別宜不低于1 860 MPa，并符合下列規(guī)定：

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

非成品索外護(hù)套采用高密度聚乙烯(簡稱HDPE管)，外護(hù)套應(yīng)具有足夠的強(qiáng)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(hù)套應(yīng)能承受不小于1 MPa的填充料灌注工作壓力。同時(shí)外護(hù)套需具有防水性和化學(xué)穩(wěn)定性，對鋼束材料無不良影響。風(fēng)電塔筒的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，因此外護(hù)套還應(yīng)具有耐腐蝕性，與防腐材料無不良反應(yīng)。

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

3 錨具

體外預(yù)應(yīng)力錨具的性能應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14370預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器[9]、JGJ 85預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[10]和JGJ 92無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[11]的規(guī)定。

4 索體減振裝置

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

減振裝置應(yīng)具有對周圍環(huán)境(如溫度等)相對不敏感的特性，定位部件應(yīng)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(yīng)有適當(dāng)?shù)姆栏胧?，?yīng)為便于維護(hù)的可重復(fù)拆裝式，所有可換部件應(yīng)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(hù)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(qiáng)度應(yīng)不低于整根外護(hù)套的屈服強(qiáng)度。接頭可采用HDPE管，材料應(yīng)符合CJ/T 297[12]的規(guī)定。

6 技術(shù)要求

體外索組件應(yīng)具備對體外索索力和防腐保護(hù)的可檢測性和監(jiān)控性。體外索組件的設(shè)計(jì)應(yīng)符合索體整束或單根鋼束可更換的規(guī)定。

在正常施工情況下，錨具應(yīng)能在結(jié)構(gòu)上準(zhǔn)確定位、有效傳遞預(yù)加力和承受可能出現(xiàn)的作用；在正常使用和維護(hù)的情況下，錨具應(yīng)能在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)保持良好的性能，滿足設(shè)計(jì)壽命和使用壽命均在20年以上(陸上機(jī)組20年以上)。

減振裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮可更換和可調(diào)節(jié)等要求，應(yīng)有防止側(cè)向與結(jié)構(gòu)共振的措施。體外索組件應(yīng)滿足防腐保護(hù)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(jié)鋼絞線與外護(hù)套之間的摩擦系數(shù)μ取0.08～0.1(或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方要求進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)確定)。

7 檢驗(yàn)規(guī)則

體外索產(chǎn)品的檢驗(yàn)分為型式檢驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)及進(jìn)場檢驗(yàn)三類。出廠檢驗(yàn)為生產(chǎn)單位在每批產(chǎn)品出廠前進(jìn)行的廠內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量控制性檢驗(yàn)。進(jìn)場檢驗(yàn)為體外索產(chǎn)品到工地后，由業(yè)主或監(jiān)理等單位抽取一定數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)行的質(zhì)量檢測性試驗(yàn)。對一些特殊工程，業(yè)主委派質(zhì)量工程師駐廠監(jiān)督產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，則出廠檢驗(yàn)報(bào)告可以代表進(jìn)場檢驗(yàn)。

8 質(zhì)量檢驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉錨固后，實(shí)際建立的預(yù)應(yīng)力值與設(shè)計(jì)規(guī)定檢驗(yàn)值的相對偏差不應(yīng)超過±5%，張拉力、張拉順序及張拉工藝應(yīng)符合設(shè)計(jì)及施工方案的要求；采用應(yīng)力控制方法張拉時(shí)，控制張拉力下預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長實(shí)測值與計(jì)算值的相對偏差不應(yīng)超過6%。鋼絞線出現(xiàn)斷裂或滑脫的數(shù)量嚴(yán)禁超過同一截面鋼絞線總根數(shù)的3%，且每根斷裂的鋼絞線斷絲不應(yīng)超過一絲。錨固階段應(yīng)檢驗(yàn)張拉端預(yù)應(yīng)力鋼絞線的內(nèi)縮量。張拉端預(yù)應(yīng)力鋼絞線的內(nèi)縮量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)設(shè)計(jì)無具體要求時(shí)，應(yīng)符合表1的規(guī)定。錨具的封閉保護(hù)措施應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)設(shè)計(jì)無要求時(shí)，外露錨具和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的混凝土保護(hù)層厚度不小于：一類環(huán)境時(shí)20 mm，二類、三類環(huán)境時(shí)50 mm。

表1 張拉端預(yù)應(yīng)力鋼絞線的內(nèi)縮量限值

9 標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸及存儲

1)標(biāo)志。產(chǎn)品應(yīng)在顯著位置標(biāo)明產(chǎn)品型號和產(chǎn)品批號。

2)包裝。錨具出廠時(shí)應(yīng)采用木箱包裝，并應(yīng)符合JB/ T 5000.13[13]的有關(guān)規(guī)定。包裝箱內(nèi)應(yīng)附有產(chǎn)品合格證、裝箱單。產(chǎn)品合格證內(nèi)容包括：規(guī)格型號、名稱、出廠日期、質(zhì)量合格簽章、廠名、廠址。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)卷盤包裝，卷盤內(nèi)徑不應(yīng)小于800 mm，每盤無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)捆扎結(jié)實(shí)，捆扎不得少于6道(經(jīng)協(xié)議，可加防潮紙或麻布等材料包裝)；成品索應(yīng)卷盤包裝，卷盤內(nèi)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(yīng)滿足相應(yīng)的運(yùn)輸條件。

單根外護(hù)套用塑料薄膜纏繞保護(hù)，批量外護(hù)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(jìn)行，每包裝單位中應(yīng)有合格證。

3)運(yùn)輸與儲存。在運(yùn)輸和裝卸過程中，應(yīng)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(xué)品等污染。產(chǎn)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(jī)械損傷和散失。外護(hù)套的貯存應(yīng)遠(yuǎn)離熱源、溫度不超過40 ℃，堆放場地應(yīng)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(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)場和環(huán)境條件進(jìn)行施工流程設(shè)計(jì)，并由專業(yè)施工單位進(jìn)場施工。施工前應(yīng)檢查原材料和施工設(shè)備的主要技術(shù)性能是否符合設(shè)計(jì)要求。

體外索下料前，應(yīng)將鋼絞線表面的油污、銹斑清除；鋼束應(yīng)采用切割機(jī)切斷；采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)，應(yīng)采取措施防止防腐油脂從端頭溢出；下料制作過程中應(yīng)避免護(hù)套的機(jī)械損傷；下料制作區(qū)和工地焊接操作區(qū)應(yīng)與體外索組件存放區(qū)隔離。

11 安裝與張拉

體外索安裝前應(yīng)檢查索體的加工質(zhì)量，確保滿足設(shè)計(jì)要求；在穿索過程中應(yīng)防止外護(hù)套受到機(jī)械損傷；索體安裝時(shí)，應(yīng)防止扭壓、彎曲損壞且進(jìn)行防腐保護(hù)構(gòu)造；錨具組件、連管、導(dǎo)管及轉(zhuǎn)向器的安裝定位，與設(shè)計(jì)參照點(diǎn)空間三個(gè)坐標(biāo)的誤差均應(yīng)小于10 mm，與設(shè)計(jì)參照點(diǎn)的角度誤差應(yīng)小于1°；成品索或無粘結(jié)鋼絞線束兩端的PE剝除長度應(yīng)精確計(jì)算，并確保張拉后剝除PE段的鋼束位于防腐設(shè)計(jì)要求的合理位置；需要多次張拉的鋼束，應(yīng)預(yù)留再次張拉的工作長度；外護(hù)套的連接宜采用焊接或管套連接方式，連接處的強(qiáng)度應(yīng)不低于整根外護(hù)套的屈服強(qiáng)度。

鋼束張拉前應(yīng)對張拉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定；鋼束的張拉控制應(yīng)力不宜超過70%fptk(預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)，并應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；鋼束張拉過程中應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)對稱均勻受力；長度大于100 m的超長鋼束應(yīng)采取措施防止反復(fù)張拉導(dǎo)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(yīng)實(shí)施雙控(應(yīng)力控制和伸長量控制)；鋼束張拉過程應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，鋼束張拉力監(jiān)測傳感器的測量精度，應(yīng)小于張拉控制力的2%。

12 施工驗(yàn)收

體外索組件施工驗(yàn)收應(yīng)提交原材料質(zhì)量合格證，產(chǎn)品出廠合格證，產(chǎn)品進(jìn)場抽檢試驗(yàn)報(bào)告，填充料檢驗(yàn)報(bào)告，體外索組件安裝質(zhì)量驗(yàn)收資料；鋼束張拉記錄及質(zhì)量驗(yàn)收報(bào)告；防腐工程檢查驗(yàn)收記錄。

施工驗(yàn)收時(shí)，尚應(yīng)提供鋼束拉力測點(diǎn)布置圖；鋼束拉力測量原始記錄。

當(dāng)提供的資料、報(bào)告和外觀抽查結(jié)果均符合GB 50204[14]和本標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，即可進(jìn)行驗(yàn)收。

13 檢查與監(jiān)測

應(yīng)在設(shè)計(jì)階段制定監(jiān)測計(jì)劃，由業(yè)主委托有資質(zhì)的監(jiān)測單位編制監(jiān)測方案，并在施工階段和結(jié)構(gòu)運(yùn)營期對體外索組件定期進(jìn)行檢查和監(jiān)測。檢查和監(jiān)測一般在結(jié)構(gòu)施工結(jié)束時(shí)進(jìn)行初步檢查；結(jié)構(gòu)運(yùn)營期一定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行常規(guī)檢查、專項(xiàng)檢查以及監(jiān)測。

檢查記錄應(yīng)包括檢查日期、檢查人員、檢查和監(jiān)測過程中收集的資料信息以及觀察和圖片文檔等。結(jié)構(gòu)竣工后，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)條件和運(yùn)行要求進(jìn)行管理和維護(hù)，體外索錨具、防腐保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)加保護(hù)。并且應(yīng)事先制定應(yīng)急處理方案，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)采取修補(bǔ)或補(bǔ)張措施。

14 結(jié)語

裝配式風(fēng)電鋼混塔筒采用體外后張預(yù)應(yīng)力對預(yù)制混凝土管片進(jìn)行張拉，有效提高了混凝土塔筒的整體工作性能以及風(fēng)荷載作用下的疲勞性能，并防止風(fēng)電塔筒底部受拉區(qū)的混凝土過早發(fā)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(yù)應(yīng)力裝配式風(fēng)電鋼混塔筒的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，從材料、裝置、技術(shù)以及施工工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為工程的實(shí)際施工提供一定的參考價(jià)值。