一種風(fēng)電塔筒用拉索錨固性能研究

蘇 韓，韋耀淋

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

近幾年，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量穩(wěn)定增長，風(fēng)力發(fā)電量持續(xù)增長。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其塔筒取材容易、運(yùn)輸方便、剛度大、穩(wěn)定性好、耐腐蝕、節(jié)約鋼材及維修費(fèi)用低等優(yōu)點，已經(jīng)成為風(fēng)電120 m及以上塔筒的建設(shè)趨勢。針對120 m及以上塔筒高度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔筒可降低風(fēng)電場建設(shè)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(fēng)力發(fā)電項目，采用預(yù)制后張法混凝土塔筒，在混凝土基礎(chǔ)與混凝土塔筒的連接方式上選用了從塔頂至基礎(chǔ)的錨拉式鋼絞線成品索體體外預(yù)應(yīng)力錨固體系[1]。整個塔筒呈下大上小的錐筒形結(jié)構(gòu)，塔頂結(jié)構(gòu)空間有限且塔筒的塔壁偏薄，因此預(yù)留的穿索孔道偏小。塔底基礎(chǔ)提前預(yù)埋4根鋼棒，鋼棒上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)反力架，通過螺母進(jìn)行錨固，反力架中心預(yù)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(yè)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(xiàn)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(yōu)勢對比見表1。

表1 各種體外拉索優(yōu)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(yù)留的偏小的索孔道，在整束擠壓錨頭上可設(shè)置吊裝位置，便于整體吊裝拉索。

風(fēng)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(dá)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(xiàn)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(xiàn)場進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 拉索結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 靜載錨固性能試驗

按ETAG 013歐標(biāo)[2]對拉索進(jìn)行靜載錨固性能要求，進(jìn)行靜載錨固試驗時先用千斤頂2將錨索拉至0．05Fptk預(yù)緊力，再用YDC120Q對每根鋼絞線進(jìn)行2次對稱預(yù)緊；預(yù)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(shù)據(jù)。隨后開始逐級加載直到預(yù)應(yīng)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(chǎn)品，拉索的靜載錨固效率系數(shù)ηa=95．1%Ftu（實際破斷力），總應(yīng)變 εTu=3．9%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)[2]對拉索進(jìn)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(yù)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(jìn)行疲勞試驗，疲勞條件應(yīng)力上限為65%（3 445．65 kN），應(yīng)力幅度為80 MPa，上下限力值差228 kN。應(yīng)力循環(huán)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(cè)索體鋼絞線的孔間距與錨板一側(cè)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(fā)散角，這個微小的發(fā)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(nèi)壁發(fā)生微動摩擦，在應(yīng)力集中最大位置產(chǎn)生疲勞源。

改進(jìn)方案：在錨頭結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，在其外圓車一個過渡外錐，將錨固套擠壓時的應(yīng)力集中的最大點往后挪。由于在錨固套外側(cè)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(nèi)填充具有一定強(qiáng)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(jìn)方案后，重新制作一根疲勞試驗索，進(jìn)行疲勞試驗前先對單根鋼絞線進(jìn)行超張拉，即在試驗臺座上對每一根鋼絞線按0．8Fptk進(jìn)行超張拉，并從錨頭端面檢測鋼絞線的內(nèi)縮值，從超張拉試驗結(jié)果來看，鋼絞線的內(nèi)縮值≤0．05 mm，基本上沒有內(nèi)縮。拉索超張拉時鋼絞線內(nèi)宿值如圖7所示。

圖7 拉索超張拉時鋼絞線內(nèi)宿值

將拉索安裝在疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗，應(yīng)力循環(huán)208萬次無斷絲，滿足ETAG 013要求。疲勞試驗完成后進(jìn)行疲勞后靜載錨固性能試驗，其靜載錨固效率系數(shù)ηa=96%Ftu（實際破斷力），總應(yīng)變εTu=2．8%，其破斷形式為鋼絞線頸縮斷3絲，均滿足ETAG 013標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)方案后，拉索的錨固性能能夠滿足ETAG013標(biāo)準(zhǔn)要求，拉索亦成功應(yīng)用在國外風(fēng)電項目上，解決了該項目的實際難題。

2 結(jié)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(jìn)行研究，得到了能夠滿足風(fēng)電項目上端預(yù)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(jié)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(dāng)兩者進(jìn)行組合時，仍需進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行靜載試驗時不會體現(xiàn)出來，在進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行改制，在外圓車一個過渡外錐，可將錨頭擠壓時的最大應(yīng)力往后移動。

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