风电混凝土塔筒体外预应力锚固体系的研究及应用

文 | 甘国荣，苏韩，韦耀淋

近年来，随着风电塔筒的建设高度达到并超越120m，应用体外预应力技术的混凝土塔筒表现出优异的性能，成为国外风电塔筒建设的热点，并发展了多边形、多阶圆柱形、锥形等多种薄壁塔筒构型。

体外预应力锚固技术能在不影响构筑物原有结构的前提下，达到有效的提载强化效果，而且该体系具有设计灵活、施工快捷的优点，为混凝土结构构件采用预制化、标准化和装配化的施工方案提供了技术条件和建设选择。与通常桥梁和旧桥加固中应用的体外索不同，风电混凝土塔筒配置覆盖整个塔筒高度的竖向预应力束，一方面是在塔筒承受弯矩的情况下防止混凝土出现拉应力和过早开裂；另一方面则是在交变载荷的作用下维持塔筒的固有频率，有效避免共振和疲劳失效的发生。相关研究表明配置竖向体外预应力的预制拼装混凝土塔筒在减少造价、提高结构耐久性等方面具有特殊优势。然而目前我国混凝土塔筒的建设还比较少，对混凝土塔筒所需的体外预应力锚固技术研究有待加强。

因此，本文通过对120m竖向体外预应力锚固体系的适用结构型式和锚固性能进行试验研究和分析，并基于实际工况进行专用施工方法和配套施工机具的设计和工程应用，以期推动及促进这种新型结构在我国风电建设工程中的应用。

索体结构的研究

混凝土塔筒施工一般采用现场分节段预制，在完成塔筒基础施工后，以节段拼装的方式竖起塔筒，塔筒节段之间采用干接缝，因此施工进度很快，可达1塔/周。在竖起塔筒后，依靠塔筒本身的结构稳定性，按施工进度要求进行机组、叶片、电气设备、体外索等设备设施的安装，体外索在塔筒内的常规布置如图1所示。通常风电场的设计运营期为20年以上，混凝土塔筒技术满足运营所需的安全性、耐用性和易维护的要求，并且由于施工速度快、维修量小、易拆装等优点，使得应用预制后张法的混凝土塔筒在经济、技术、环境和美学上都具有竞争力。

预埋在基础混凝土结构中与风电机组塔筒连接的构件通常采用预应力锚杆笼结构，其刚性杆体频繁承受交变振动载荷极易发生疲劳破坏而影响风塔的安全使用。目前同样采用预制后张法的混凝土塔筒则在中空混凝土基础（图1）与混凝土塔筒的连接方式上选用了从塔顶至基础的锚拉式钢绞线（或钢丝）成品索体外预应力锚固体系，极大避免了刚性联接体系疲劳失效的风险。

图1 混凝土塔筒典型构造及体外索布置示意图

为降低风载对混凝土塔筒的不良影响，其截面尺寸从塔底到塔顶逐渐减小，相应地采用较大的拉索张拉力和较小的塔筒壁厚，同时综合考虑塔内空间、施工效率、质量控制等因素。为克服塔筒截面对拉索及锚具尺寸的限制，国外已有的技术是采用墩头锚式平行钢丝拉索方案来实现较小的索体截面积和锚具尺寸，但同时带来成盘直径较大、索体防腐及运输成本高等问题。本文在深入研究和大量试验的基础上，成功研发了OVMGJ-M15系列组合式整束挤压平行钢绞线拉索锚固体系，其拉索上端为固定端，采用整束挤压锚具，下端为张拉端，采用夹片式锚具；通过对塔底中空混凝土基础处体外索的张拉，与塔筒顶部的锚具一起对整个塔筒施加预紧力，增强拼装后的塔筒稳定性和抗疲劳性能。OVMGJ-M15索体采用Φ15.7mm标准强度为1860MPa的低松驰无粘结钢绞线（prEN10138-3），其基本结构组成如图2所示。

图2 组合式平行钢绞线拉索锚固体系基本结构示意图

图3 拉索组装件静载张拉曲线图

图4 拉索组装件静载张拉测试图

锚固体系的试验研究

一、静载锚固性能研究

根据欧标ETAG013的要求，拉索锚固性能需满足静载锚固性能、疲劳性能和荷载传递性能的要求。ETAG013对体外索的静载锚固性能试验要求测量加载时张拉端夹片锚头的变形，并且通过拉索两端锚具的交替张拉锚固最终加载至整个拉索破断来检验其静载性能。OVMGJ-M15的拉索锚具组装件静载试验如图3、图4所示，经检验，拉索加载至5243.1kN后破断，其锚具效率系数达到了96%，总延伸率达到了3.7%，拉索静载锚固性能满足ETAG013中规定达到锚具效率系数≥95%、总延伸率≥2%的要求。

二、疲劳性能研究

欧标ETAG013对体外索组装件的疲劳荷载性能试验要求是上限载荷为65%fptk，在应力幅度为80MPa的水平上进行200万次荷载循环试验后，发生破断的预应力筋的截面面积应不大于试验总截面面积的5%，即OVMGJ-M15拉索试验后，发生破断的钢绞线的钢丝应小于7丝。在对单根钢绞线锚固单元组装件进行匹配性试验的基础上，通过对OVMGJ-M15拉索上下端两种不同锚具参数进行改进及优化，在疲劳上限载荷为3445.7 kN、下限载荷为3217.7KN的水平上，经200万次荷载循环后，将断丝率控制在2%以下，成功通过了该试验验证。

图5 拉索组装件疲劳试验测试图

图6 疲劳试验后的拉索

三、锚固区传力性能研究

在现场体外索张拉施工过程中，曾经发生过张拉端混凝土锚固区被压溃的现象，因此，体外索张拉端须按ETAG013的规定进行锚固区荷载传递试验，保证试验破坏载荷不小于1.1倍的标准极限载荷。按基础设计的要求和承载墩尺寸进行OVMGJ-M15拉索锚具锚固区荷载传递试验（如图7），其混凝土设计抗压强度为40MPa，标准极限载荷为5301kN。经过十次的循环加载，混凝土试件在循环上限载荷4240.8 kN（0.8Fpk）时，其最大裂缝宽度为0.1mm，小于ETAG013规定≤0.25mm的要求。继续加载至6841.6kN，即试验载荷达到1.29倍的标准极限载荷，混凝土试件仍未破坏失效。

专用施工装置的研制

图7 荷载传递性能试验测试图

图8 测试后混凝土试件端面

为了安装塔筒内的体外索，一是利用塔外的大型吊机整体吊起拉索由塔顶从上而下进行穿索，二是利用提升（卷扬）机牵引拉索从塔底由下而上穿索。针对可在塔顶平台安装牵引动力——小型提升机的状况，为保证其牵引挂索效率，特别对其挂索施工方法和专用施工装置进行了研究。当待安装的索盘运输至塔筒现场后，一般须经过放索、提升、上端锚固、下端张拉和防护处理等步骤来完成索体安装施工。顺利将拉索牵引提升到塔顶就位需要一系列的专用装置，如多功能放索架、地面导轮装置、门口导轮装置、防撞导向框架、横梁导向装置、中间平台导向装置、万向连接头、塔顶滑车等，其中多功能放索架和塔顶滑车的合理结构设计是提高施工效率的关键。

一、多功能放索架

由于塔顶空间有限，在塔顶平台安装的小型提升机牵引力有限，放索方式需尽量减少牵引力损耗，提高挂索效率。通过对挂索工艺流程的研究，研制了与通常的水平放索方式不同、采用竖直放索的多功能放索架，以利于放索和对索体及周围人员的保护。由于拉索成盘及运输状态是水平放置的，多功能放索架的滚笼结构能方便地拆卸以放置索体，并能在吊车的辅助下旋转90°放置在底座托架上，其结构如图9所示，并可通过刹车系统随时控制放索架的转速，以匹配拉索的提升速度。

二、塔顶滑车

在塔顶的受限空间中进行挂索施工，需精确设计并校核塔顶滑车安装后的提升轴心与塔顶拉索设计轴心是否一致，以及滑车的整体尺寸是否满足安装空间的要求，否则很容易导致上端锚头提升不到位，螺母无法锁定。通过运用有限元分析进行结构优化，塔顶滑车如图10所示，其主要部件为上锚定板、万向旋转拉杆、卡槽式耳板、导轮装置等。安装时，上锚定板将两个高强度螺母安装在风电机组底座法兰螺杆上，用扭矩板手施以500N.m的扭矩来锁紧该螺母。

图9 多功能放索架结构示意图

图10 塔顶滑车结构示意图

图11 体外索施工工艺流程图

工程应用

印度班努尔风电场工程共建有3MW风电机组26台，该工程采用锥形混凝土塔筒，塔筒设计高度约为118.6m，塔底最大直径为8.4m，塔顶最大直径为3.5m；塔筒壁厚为150mm，分成6节段预制拼装，前5节段每节段高约20m，由多片弧形面板拼成。塔筒基础为中空混凝土基础，埋深约为3.5m，中空混凝土基础内侧专门设置了锚固拉索的混凝土锚墩。每个塔筒内设置6根OVMGJ-M15-17型体外索，索体材料为17根Φ15.7mm-1860MPa钢绞线无粘结筋；每根索长为120.6m，重约2.6t，设计张拉力为2950 kN。整个塔筒体外索拉索施工前，塔顶3MW机组、叶片和塔内大部分电力设备均已安装。

OVMGJ-M15-17型体外索安装主要施工工艺流程如图11所示。

根据现场塔内设施布置情况和吊点位置的限制，挂索系统采用了塔门口处放置多功能放索架放索、塔顶提升机牵引提升的挂索方案。由于塔内已安装的小型电梯运力只有约300kg，因此选择了自重较轻的小型提升机（牵引力为3t），配套Φ14mm的牵引钢丝绳。放置好挂索路径中各转向点导向并确定合理的挂索顺序后，将每根拉索上锚头提升至塔顶机组底座法兰并锁紧螺母后，需将塔顶滑车卸下并重新安装至下一根拉索对应的吊点上，依次完成对其余拉索的牵引和螺母锁定。

挂索时，需注意拉索提升的速度和放索速度的匹配，避免放索过慢时放索架被拖拽而导致倾覆，放索太快时钢绞线弹出而造成钢绞线PE护套的损伤。在上端锚头螺母锁定后，及时将拉索尾部钢绞线临时防护清理干净，安放进基础顶板预留施工孔并顺直各钢绞线，为下根索的提升作业腾出空间。

塔内全部拉索均提升到位并安装张拉端锚具后，采用悬浮张拉法对每对拉索进行对称连续张拉。首先，每根索的钢绞线逐一按顺序从基础顶板穿入预先在混凝土锚墩上固定好的张拉端锚头锚孔内，采用YDC160Q小千斤顶逐一预紧，然后在锚头上安装YDCL400Q张拉千斤顶，如图14所示，利用该千斤顶自带的工具锚具装置夹持钢绞线来进行该千斤顶的临时定位。拉索张拉分五级进行，按（20%、40%、60%、80%、100%）FASL的顺序对称同步张拉至设计索力FASL为2950 kN。测量张拉伸长值并校核无误后，用千斤顶顶压装置压紧锚头工作夹片，千斤顶缓慢卸载至拉索锚固。张拉实测数据如图15所示，各拉索张拉伸长值满足±5%的误差要求。

图12 挂索施工

图13 上端螺母安装

图14 塔基础内悬浮张拉施工

图15 现场张拉曲线图

结论

本文针对风电混凝土塔筒的结构特点和安装施工要求，开展并完成了Φ15.7mm-1860MPa组合式整束挤压平行钢绞线拉索锚固体系的研制和应用。该钢绞线拉索锚固体系的组装件静载及疲劳性能优良，各项技术性能指标均达到欧标ETAG013的要求；而且该体系的配套专用机具及施工方法有效保障了施工的安装质量，较好地满足了现场施工安全和进度的要求。