充氣膜結構模板體系在浮式結構混凝土澆筑中的應用

何世欽，李金禹，王輝，付茜雅

（北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144）

0 引言

隨著世界經濟不斷發(fā)展，傳統化石能源已無法滿足社會長期發(fā)展的需求。風能由于容易獲取、較易轉換、污染小、可再生等優(yōu)勢受到各國的普遍關注。相比陸地風電，海上風電優(yōu)勢顯著：1）海上發(fā)電功率約為陸地發(fā)電功率的1.7~1.8 倍[1]；2） 節(jié)約大量的土地資源；3） 發(fā)電量高，工作持續(xù)時間相比陸地風電可增加50%以上[2]；4） 裝機規(guī)模較為靈活。所以，海上風電具有更廣闊的發(fā)展前景。

目前海上風力發(fā)電系統大多采用樁基礎，樁基礎風力發(fā)電機適用于淺海水域。隨著水深增大，固定式樁基礎結構不再適用，浮式基礎結構將更適用于深海領域。目前浮式風電基礎的發(fā)展面臨以下問題：1） 工程造價高。采用浮式基礎的風電系統一般遠離海岸，與傳統的固定式基礎相比，浮式基礎施工工藝復雜，其建設成本達到總成本的15%~25%，遠高于固定式基礎[3]。2） 施工難度大。目前浮式基礎施工主要采用岸上預制—海上運輸—海上安裝的工藝，施工期間受到風荷載、波浪荷載、海流荷載、海冰荷載等耦合作用會導致海上施工難度加大[4]。3） 耐久性能差。浮式基礎長期浸泡在海水中，海水中氯離子的侵蝕導致鋼結構耐久性逐漸降低。這些問題限制了浮式海上風電發(fā)展。

采用高流動性、高強度、高耐久性的新型自密實混凝土材料可以解決鋼結構存在的腐蝕嚴重、耐久性不足和造價高的問題。但是目前工程中很少采用混凝土浮式基礎，主要是由于海上澆筑混凝土存在較大技術難度[5]，而采用預制混凝土結構存在自重大不利于海上運輸的問題。因此開發(fā)一種適用于海上澆筑的浮式混凝土基礎充氣模板體系成為了深海風能利用的關鍵環(huán)節(jié)之一。本文在選擇適用于充氣膜結構模板材料基礎上，使用有限元分析方法對不同充氣工況進行模擬，從變形及強度方面對充氣膜結構進行分析和優(yōu)化，設計并完成小型水上浮式風電發(fā)電試驗樣機的試制。該技術可以實現水上充氣展開，在預定的腔室內澆筑自密實混凝土，大大簡化施工流程，降低工程造價和施工難度，為浮式結構混凝土澆筑的應用提供了參考。

1 充氣膜材料選取

膜結構屬于張力結構體系，成為當今大跨度空間結構的重要分支。膜結構具有造價低、重量輕、施工速度快等優(yōu)點，已廣泛應用于體育館、展覽館等大跨度結構中[6]。充氣膜結構作為混凝土澆筑的模板易于保持曲面，適用于曲面結構，但充氣膜作為柔性模板制作混凝土浮筒時需要解決的主要問題是變形及應力分布問題。柔性結構易發(fā)生變形，過大變形將使結構失去原有的效用[7]，故作為模板應用還較為少見。膜結構材料是一種非線性復合材料，具有特殊的構造和力學性能，且材料的各向異性突出。纖維和涂層均為非線性材料，編織時兩者所處狀態(tài)不同，纖維松弛但涂層對纖維有張拉約束作用。編織基材的經向纖維和緯向纖維相互垂直，其編織結構使膜材具有各向異性特性。這些膜材的經、緯向抗拉強度的差值一般小于20%，斷裂延伸率差值小于35%。膜結構常用材料包括PTFE 膜材、PVDF 膜材、PVC膜材、ETFE 膜材、環(huán)境工程膜材等，其中PVC膜材質地柔軟，可反復折疊，為柔性充氣模板的運輸提供了便利[8]。PVC 膜材價格相對低廉且易于加工，具有較高的經濟性，可用于制作規(guī)模較大的充氣模板[9]，由于充氣膜作為混凝土澆筑的模板是一種臨時性結構，對其耐久性要求較低，因此本文選用1.25 mm 精編滌綸PVC 雙面涂層氣密布（PVC 夾網布）制作了用于澆筑自密實混凝土的充氣模板。膜材各項材料參數見表1。

表1 1.25 mm 精編滌綸PVC 雙面涂層氣密布材料參數Table 1 Material parameters of 1.25 mm precision woven polyester PVC double-sided coating gas-dense fabric

2 混凝土浮式基礎結構形式

海上浮式風電基礎需要安全地漂浮在水上并支撐上部風機及附屬設備的重量，在相同的材料消耗下，應提供較大浮力，因此在選型設計時首先考慮基礎的浮力提供效率。由于結構的吃水深度主要由結構體積與結構總重決定，在結構選型時首先考慮了浮筒整體外形的4 種基本形狀，分別為圓形、正方形、正三角形與正六邊形，浮筒結構形式如圖1 所示。

圖1 浮筒結構形式（mm）Fig.1 Buoy structure form（mm）

定義浮式基礎的浮力提供效率為基礎浸入水中時能夠提供的浮力與基礎的重量之比。經計算分析，4 種結構的浮力提供效率分別為169.2%、107.9%、108%、112.3%，圓形浮筒在同等重量條件下可以提供更大的浮力。同時柔性充氣模板為柱形曲面結構，能夠更好地適應圓形浮筒形態(tài)，因此選用圓形基礎浮筒形式。浮式基礎由3 個浮筒連接而成，等邊三角形布置，見圖2。

3 充氣膜結構模板

3.1 結構參數

為驗證采用充氣膜結構作為模板澆筑自密實混凝土浮式基礎、實現海上風力發(fā)電的可行性，在揚州某水域制作了水上風電系統樣機。樣機選用了如圖3 所示的三內腔圓形充氣模板，綜合考慮制作難度與樣機工程要求，充氣膜結構模板尺寸見表2。

圖3 三內腔圓形充氣模板Fig.3 The circular inflatable template with three cavities

表2 三內腔圓形充氣模板參數表Table 2 Parameters of the circular inflatable template with three cavities

3.2 充氣膜結構模板有限元模型

充氣膜結構模板在水上充氣展開，在其內腔澆筑自密實混凝土，需要承受氣壓、水壓及混凝土初凝前產生的壓力。為明確充氣模板的應力及變形分布，以保證其安全性和基礎澆筑的尺寸精度，按照3.1 節(jié)充氣模板尺寸建立了充氣膜結構模板板殼有限元模型。外圈圓形氣肋內直徑3 m，外直徑3.4 m，共15 層，總高度3 m。內圈扇形氣肋之間間隙寬度0.1 m，與外圈圓形氣肋間隙寬度0.1 m。柔性充氣模板充氣后的幾何尺寸模型見圖4。

圖4 柔性充氣模板有限元模型Fig.4 Finite element model of flexible inflatable template

基礎整體底部在豎直方向上不可自由移動，因此要對結構底部豎直方向自由度進行約束。研究中將柔性充氣模板的荷載分為2 種，一種是充氣階段產生預應力的內氣壓荷載，另外一種是使用階段的外荷載。所有荷載按照面單元的法線方向施加，內氣壓荷載以面荷載的形式施加在所有單元上，外部水壓及澆筑混凝土產生的壓力分別作用在模板外表面及模板內側。

3.3 模板充氣試驗

為保證充氣模板的氣密性，采用PVC 材料制作了試驗模型并對其進行了充氣試驗，制作時對所用膜材外觀進行了全部檢驗，嚴禁有裂紋及局部破損，充氣后對氣嘴進行了密封。充氣試驗在地面上進行，試驗中模板在不同充氣壓力下保持了良好的氣密性，3 d 后氣壓數據下降幅度小于3%。由于膜結構在充氣過程中變形較大，非線性特征明顯，為了驗證有限元分析模型的可靠性，同時采用ANSYS 軟件對充氣過程進行了數值分析，充氣完成后模板尺寸實測值與有限元模擬結果見表3，其相對誤差均小于3%，表明有限元模型邊界條件及材料本構關系可靠。

表3 柔性充氣模板充氣測試與模擬結果Table 3 Inflation test and simulation results of flexible inflatable template

3.4 充氣壓力優(yōu)化

模板在澆筑過程中受到水壓力、澆筑混凝土壓力與氣肋中內氣壓的作用，通過計算可知澆筑混凝土時的側壓力最大為75 kPa，水壓力與混凝土壓力為梯度力，底部最大水壓力為30×104Pa，混凝土對外部圓形氣肋的底部壓力最大為75 kPa，對內部扇形氣肋底部的壓力最大為6.86×105Pa。充氣模板合理的內部充氣壓力對于模板安全性、抵抗外部壓力、保持形狀尺寸至關重要，為此分析了在80 kPa、100 kPa、120 kPa、140 kPa、160 kPa 內氣壓下充氣模板的最大主應力及最大位移，見表4。

表4 內部氣壓變化對柔性充氣模板的影響Table 4 Influence of internal air pressure variation on flexible inflatable template

可以看出內部氣壓增大時，在澆筑條件不變的情況下，模板徑向及豎向變形呈線性減小，即模板的剛度隨氣壓增加而增大，但總體變化量較小，且充氣壓力過大無法有效減小模板豎直方向變形。隨著充氣壓力增大，膜材內的應力也逐步增大，這將導致膜結構的安全儲備降低或同時充入的壓力過高時需增大材料厚度，從而直接增加柔性充氣模板的重量。因此建議在考慮經濟性的前提下，保證充氣壓力發(fā)揮其應有的控制變形作用，無需給柔性充氣模板設計過大的充氣氣壓。取充氣壓力大于澆筑混凝土產生的最大側壓力的1.2 倍即可。

3.5 充氣膜結構氣肋直徑優(yōu)化

由于充氣模板有多層氣肋組成，氣肋直徑直接影響充氣模板的制造難度及在充氣和混凝土澆筑過程中的應力變形分布。為此，研究了氣肋直徑為100 mm，120 mm，150 mm，200 mm，材料厚度為1.25 mm，充氣壓力為80 kPa 條件下充氣模板的力學行為。柔性充氣模板氣肋平面見圖5。不同氣肋直徑充氣模板的最大主應力和最大位移見表5。

圖5 柔性充氣模板氣肋平面（mm）Fig.5 Flexible inflatable template air rib plane（mm）

表5 氣肋直徑變化對柔性充氣模板的影響Table 5 Influence of air rib diameter variation on flexible inflatable template

氣肋直徑由200 mm 減小至100 mm，膜結構的最大拉應力和澆筑混凝土時產生的徑向變形逐漸增大，但豎直方向變形減小且減小幅度較大，所以對于豎直方向尺寸精度要求較高的結構可優(yōu)先選擇較小氣肋直徑的柔性充氣模板。而對于浮式基礎而言，模板高度方向的變形對結構的受力及穩(wěn)定性影響較小，加之氣肋直徑減小將增加氣肋的數量和制作難度，建議選擇較大氣肋直徑的柔性充氣模板。

3.6 充氣膜結構材料厚度優(yōu)化

考慮目前常用膜材的厚度和澆筑時的應力水平，研究了材料厚度對柔性充氣模板變形的影響，材料厚度分別取1.1 mm、1.25 mm、1.4 mm、1.55 mm，設定充氣壓力為80 kPa。在氣肋直徑、水壓力、混凝土壓力等條件不變的情況下，分析不同材料厚度的最大主應力和最大位移，見表6。

表6 材料厚度變化對柔性充氣模板的影響Table 6 Influence of material thickness variation on flexible inflatable template

可以看出增加膜材厚度可以明顯降低充氣模板的應力水平和澆筑混凝土時的變形，對于尺寸要求嚴格的結構，增加膜材厚度是提高充氣模板剛度的有效手段。對浮式混凝土基礎而言，充氣模板在澆筑時的變形對其主要功能（提供浮力）影響較小，控制模板的應力水平是材料厚度選擇的首要因素。

根據以上分析結果，采用柔性膜材設計并制作了充氣模板，完成了水上自密實混凝土基礎的澆筑和上部機電設備安裝。澆筑完成后，混凝土基礎浮筒壁厚均勻，徑向及高度方向尺寸誤差均小于10 mm，混凝土外觀質量良好。目前樣機已成功發(fā)電，驗證了采用充氣模板實現浮式混凝土基礎水上澆筑的可行性，圖6 為風電系統安裝完畢開始發(fā)電。

圖6 海上風電系統樣機Fig.6 Offshore wind power system prototype

4 結語

1） 從浮式基礎的功能考慮，圓形多室結構的浮式基礎具有較大的浮力提供效率，同時其對水流的阻力系數較小。針對此類型的基礎可采用多層氣肋的膜結構作為主體混凝土施工的模板，通過選擇合適的膜材、優(yōu)化充氣氣壓和氣肋直徑在保證模板強度條件下實現合理的剛度從而完成基礎的海上澆筑。

2） 提高充氣壓力可以小幅提高模板剛度減小模板變形，考慮到浮式基礎澆筑的尺寸精度要求，建議取充氣壓力為1.2 倍的澆筑混凝土產生的最大壓力。

3） 在相同內外壓力下氣肋的直徑和膜材厚度對于充氣模板的應力和變形分布有較大的影響。在進行充氣膜結構設計時，可以優(yōu)化氣肋直徑和膜材厚度，在控制模板應力和變形條件下實現柔性模板的經濟性。