风机基础预应力锚杆长期运行特性研究

周建华，路 威，赵卫全，王丽娟

(1.中国水利水电科学研究院， 北京 100044；2.北京中水科工程总公司， 北京 100044)

在我国，传统风机基础型式均含有基础环，但基础环连接存在基础刚度、强度突变以及耐久性等问题，相比之下，预应力锚杆基础具有结构刚度和强度均匀、整体性好、耐久性好、经济性好与建设周期短等特点[1-3]，解决了基础环连接的天然缺陷，在风机基础中的应用日趋广泛。现阶段，单机容量1.5 MW及以上容量风机的塔筒与基础连接主要采用预应力锚杆基础[4]。预应力锚杆作为锚杆基础最主要的受力构件，预应力损失等长期运行特性会对基础承载性能产生较大影响。而复杂荷载作用下锚杆长期运行特性还未进行过专门研究，相应预应力长期损失规律还不明确，缺少相应的研究资料和方法，导致无法对预应力锚杆基础承载性能进行科学合理的评价，锚杆预应力维护策略的制定也缺乏相应依据，不仅影响了风机的安全运行和风电场效益的发挥，同时还增加了预应力锚杆基础的设计和应用风险。

本文通过开展锚杆试件应力松弛试验和江苏某潮间带风机基础锚杆预应力监测，研究室内及现场相应加载条件下锚杆长期运行性特性。结合相应室内试验及现场监测成果，研究现场锚杆长期运行特性影响因素，并通过对监测数据拟合获得相应条件下预应力及预应力保留百分比与时间的函数关系。

1 锚杆试件应力松弛试验

1.1 预应力锚杆基本拉伸性能

按照《金属材料拉伸应力试验方法》[5](GB/T 10120—2013)的有关规定，从现场取样加工成相应试件，开展风机预应力锚杆拉伸基本力学性能试验。锚杆拉伸基本力学性能参数如表1所示。

1.2 锚杆应力松弛试验

本研究监测对象为江苏某潮间带风电场28#风机基础锚杆，锚杆设计张拉力400 kN，初始预拉应力σ0=336 MPa，由拉伸试验可知锚杆屈服强度σs=841 MPa，σ0=0.4σs。本研究同时开展两组σ0=0.4σs、σ0=0.8σs=672 MPa试验，研究两种初始加载条件下锚杆预应力损失规律。每组试验包含3个试样。本次应力松弛试验持续时长150 h，监测试样0～150 h预拉力变化值，绘制力相应初始加载条件下预拉力随时间变化过程及松弛百分比变化曲线如图1、图2所示。

图1 σ0=0.4σs时预拉力及松弛百分比变化曲线

图2 σ0=0.8σs时预拉力及松弛百分比变化曲线

分析图1、图2可知，

(1) 试验期内，应力松弛可分为两个阶段。第一阶段预应力衰减相对较快，持续时间较短，约10 h；第二阶段衰减速度较慢，时间持续较长，至试验结束约140 h。

(2)σ0=0.8σs加载条件下，第一阶段应力损失约占总损失值92.5%，第二阶段约占总应力损失值的7.5%。σ0=0.4σs加载条件下，第一阶段应力损失约占总损失值96%，第二阶段约占总应力损失值的4%。

(3) 初始预应力大小对应力松弛量的影响较为显著，当施加预拉应力小于材料屈服强度40%时，预应力锚杆试样抗松弛性能较好。

相关研究表明[5-6]，锚杆应力松弛现象主要是材料内部的变形由弹性向蠕变变形转变引起的，由于总变形恒定，蠕变变形为不可恢复的塑性变形，在塑性变形增加的同时，将引起弹性变形等量减少，使预应力下降，即产生应力随时间下降的应力松弛现象。通过试样最终蠕变伸长率结合锚杆基本拉伸力学性能计算可得试样预拉力损失值，如表2所示。

表2 锚杆试样不同荷载作用下预应力损失情况表

分析上表可知，按照试样蠕变伸长率计算的预拉力保留值与应力松弛试验末期试样端部预拉力监测值基本一致。

利用数值分析软件对试验数据拟合，得到不同加载条件下试验锚杆预应力衰减方程：

f(t)=0.0003938e-0.06105t+93.68e-1.975×10-5t,

σ0=0.8σs

(1)

f(t)=3.2×10-6e-2.023×10-4t+97.81e-1.022×10-6t,

σ0=0.4σs

(2)

方程对试验数据均具有较好拟合性，拟合误差在1%以内，一定程度上能够反映锚杆预应力长期损失规律。通过式(2)计算可得，σ0=0.4σs加载条件下，经过730 d作用，试样预拉力保留百分比约为96.94%。

2 基础锚杆预拉力监测数据分析

2.1 监测方案

为揭示基础锚杆在风机运行过程中的应力衰减情况，为后续分析评价提供数据支撑，选取江苏某潮间带风电场28#风机基础4根锚杆(共布置4支传感器)进行应力监测。根据风机基础设计资料，风机采用低桩高台柱圆形承台混凝土基础，混凝土强度等级为C40，基础总厚度为8.1 m，圆形承台外径5.8 m。风机塔筒与基础之间的连接采用预应力锚杆组件结构，锚杆组件包含上锚板、下锚板及锚杆。锚杆分两圈沿锚板圆周均匀布置，每圈布置80根，共160根。锚板直径4.18 m，预应力锚杆单根长度7.62 m，采用8.8级M42高强锚杆。

监测锚杆间隔90°(间隔19根锚杆)，均布分布于基础范围内，可以反映各方向荷载变化对于锚杆预应力的影响，以适应风机受 360°方向重复荷载和大偏心受拉荷载的特点。1#监测锚栓位于塔筒门的正下方，对应方位为东南向，2#、3#、4#对应的方位为西南、西北及东北向。监测仪器布置如图3所示。

图3 传感器安装位置图( 表示安装传感器位置)

采用美国FUTEK公司生产的中空型应变式压力传感器LTH350进行监测，该仪器特别适用于各种复杂工况下高精度连续监测领域，可保证监测数据的连续性和可靠性。传感器主要性能指标参数如表3所示。

表3 传感器主要性能指标参数

2.2 预拉力监测数据分析

在锚杆初次加压前完成传感器安装，锚杆加压后即开始监测，整个监测过程从2015年12月15日10∶00开始，至2017年11月20日10∶00结束。监测期内4支传感器监测数据序列均无缺失，无明显异常情况，数据完整性良好。监测周期内各锚杆1 h平均预应力值及预拉力损失值随时间的变化过程曲线如图4、图5所示。

图4 各监测锚杆1 h平均预拉力变化过程曲线

图5 各监测锚杆预拉力损失值变化过程曲线

分析图4、图5可知：

(1) 3#监测锚杆初始预应力监测值最大，其值为380.5 kN，4#监测锚杆初始预应力监测值最小，为370.8 kN。已知锚栓预拉力控制值为400 kN，锚栓直径4 cm，则换算为初始预应力σ0≈0.4σs=336 MPa。

(2) 监测期末，3#锚栓预拉力损失值最大，为32.4 kN，换算为预应力损失值为25.8 MPa，约占初始预应力的8.53%；4#锚栓预拉力损失值最小，为31.2 kN，换算为预应力损失值为24.8 MPa，约占初始预应力的8.40%。4根锚栓预拉力损失平均值为31.8 kN，预应力损失平均值为25.3 MPa，约占初始预应力的8.48%。预拉力松弛速率平均值为0.044 kN/d，换算为预应力松弛速率为0.035 MPa/d。

(3) 监测期内，锚杆预应力监测值都在小范围内波动，基本都呈缓慢下降趋势，监测结果与锚杆试样后期松弛规律比较一致，但与σ0=0.4σs加载条件下试验结果相比，现场监测值并未表现出明显的两阶段应力松弛特征；经过730 d作用，现场锚栓预拉力保留百分比平均为91.52%，而室内衰减函数计算值为96.94%，两者应力松弛量之比约为3∶1，即监测锚杆预应力松弛速率比室内试验结果明显偏大。

3 锚杆预拉力损失影响因素分析

现场监测及室内试验结果差别较大，表明锚杆应力松弛不仅受初始加载大小和作用时间即锚杆自身性能的影响，还受到其它因素的作用，且影响程度超过锚杆自身性能。对比分析现场及室内试验条件的差别，结合相应研究成果[8-11]，锚杆应力松弛还可能受到风荷载作用、基础混凝土徐变收缩效应及外部环境变化等因素的影响。

3.1 风速、风向对锚杆预应力损失的影响

选取具有代表性的全年(2016.05—2017.04)风荷载监测数据及相应锚杆预拉力监测数据进行分析。通过对全年风荷载监测数据分析可知，现场风荷载具有随季节变化性大、随时间变化非线性强等特点，其中10月份风速较大且变化较为剧烈。全年及10月份对应的风向玫瑰图如图6、图7所示。

图6 全年风向玫瑰图

监测期内，4根锚杆预拉力损失值分别为：15.8 kN(1#)、16.8 kN(2#)、16.4 kN(3#)、15.5 kN(4#)，预拉力损失基本一致；10月份4根锚杆预拉力损失值分别为1.4 kN(1#)，1.5 kN(2#)，1.4 kN(3#)，1.6 kN(4#)，当月预拉力损失也基本一致；由图6、图7可知，主风向为东南及西北向，10月当月主风向为西北向，对应3#监测锚杆，相应预应力损失值与其余方位监测锚杆损失值基本相同。

图7 10月风向玫瑰图

各监测锚杆预拉力损失值基本维持在稳定水平，均未随风速、风向变化出现较大波动，风速、风向对于设计采用的长锚杆基础型式的锚杆预应力损失影响较小。

3.2 基础混凝土徐变收缩效应的影响

预应力锚杆基础由锚杆组件和大体积混凝土组成，当锚杆受拉力作用时，上下锚板间混凝土均匀受力，整根锚杆是一个弹性体，无弹性和刚性部分分界，避免了应力集中，从而使得锚杆基础表现出良好的承载性能。而在长期荷载作用下，大体积混凝土固有的徐变收缩性质，会对锚杆变形产生一定影响，从而影响锚杆预应力。相应研究表明[8-10]，混凝土收缩徐变和预应力筋应力松弛引起的预应力损失在总损失中占到30%以上，是混凝土结构长期预应力损失的主要影响因素，对其长期使用性能影响巨大。

国内外学者提出了多种徐变和收缩的计算方法[10-12]，各有不同优缺点，但至今尚未形成普遍公认的研究方法，且由于现场条件限制，未能对28#风机基础混凝土及高强灌浆料荷载作用下徐变及收缩效应进行监测，缺少必要的评价参数，定量地研究混凝土徐变收缩对于基础锚杆预应力的影响存在较大困难。

工程前期为研究该风电场广泛使用的高强灌浆料应力应变性能，对高强灌浆料自身收缩特性进行了室内试验，同时对相应风机导管架处高强灌浆料应力应变进行了长期监测，利用相应试验及监测结果可表明混凝土收缩对预应力损失的影响。室内试验过程持续1年，自重应力条件下高强灌浆料结石体横向平均应变(εh)和纵向平均应变(εz)随时间发展过程曲线如图8所示。相应时间节点现场高强灌浆料应变监测结果如图9所示。

图8 室内自重条件下高强灌浆料结石体εh及εz发展过程曲线

图9 现场高强灌浆料结石体εh及εz发展过程曲线

根据360 d现场作用下高强灌浆料结石体应变监测数据，横向平均应变为εh= -8.4×10-4，纵向平均应变为εz= -1.08×10-3，高强灌浆料结石体自身体积横向、纵向应变约占结石体总应变的18.1%、15.0%。高强灌浆料结石体力学性能及变形性能指标均优于锚杆基础采用的C40混凝土，则混凝土自身收缩和压力作用下的徐变产生的体积应变占总应变的比例会更大，会对锚栓预应力损失产生较大影响。

3.3 外部环境因素的影响

相应研究成果表明，外部温度变化不仅会对预应力锚杆自身应力松弛性能产生一定的影响，且温度变化会加快大体积混凝土碳化过程，导致相应预应力作用下混凝土结构徐变和收缩会进一步增大[9-11]，进而使基础锚栓的预应力损失值增加。故锚杆应力松弛试验规定了相应的温度(26℃)，现场使用的锚杆给出了适宜的温度范围。

潮间带风机除受到风荷载外，还会受到波、浪荷载、涨落潮等频繁变化荷载的作用，荷载的不确定性对于混凝土徐变过程也有较大影响[11]，进而影响到锚栓长期运行特性。

对于潮间带风机基础而言，受涨落潮影响，基础处于干、湿交替的环境中，氧气、二氧化碳供应充足，环境湿度大，氯离子浓度高，对混凝土和钢筋的腐蚀作用明显增强，影响混凝土结构的耐久性，且在预应力作用下，钢筋混凝土结构中极易产生细微的裂缝，并随时间延长及腐蚀程度的加深，裂缝有逐渐增大的趋势[12-14]。混凝土结构内部裂缝的存在对于锚杆预应力的损失也会产生较大影响。

外部环境因素对于锚杆自身的预应力松弛性能及混凝土结构的徐变和收缩特性均产生较大影响[15]，进而增大一定时间段内基础锚杆的预应力损失，影响锚杆长期运行特性。

综上所述，风速、风向对设计采用的长锚杆基础长期运行特性影响较小，混凝土徐变收缩以及外部环境因素对长锚杆长期运行特性影响较大。

4 锚杆预拉力损失规律研究

4.1 锚杆预拉力衰减函数及其代表性

现场监测锚杆预应力损失受多种因素影响，导致相应条件下预应力松弛性能与试验条件下差异较大，而现阶段定量研究每种因素影响的大小，还存在诸多理论和实际困难。为真实反映锚杆在复杂因素综合影响下的预应力长期损失规律，根据处理试验数据经验，利用相应数值统计分析软件对各锚栓预应力实测数据进行拟合，得到反映预拉力与时间关系的衰减函数方程，据此分析锚杆预拉力损失规律。根据相应研究成果，结合相应锚杆监测数据进行拟合，得到的监测锚杆预拉力衰减函数方程见表4。

表4 锚杆预拉力衰减函数方程及拟合误差

分析表4可知，各方程确定系数R2均大于0.999，拟合误差均小于1.8%，衰减方程对锚杆监测数据具有较好的代表性，能够反应锚栓预应力损失规律。对表4中各衰减方程求导，则可得各锚杆应力松弛率表达式。将特征时间节点代入预拉力衰减函数及应力松弛速率函数进行计算，可得各锚杆预拉力松弛情况及应力松弛率σt，相应计算结果如表5所示。

表5 特征时间节点监测锚杆预拉力及应力松弛率

从整体上看，监测锚杆预拉力随时间逐渐衰减，各杆预拉力曲线基本呈直线下降，预应力松弛率较小，平均值约为0.179%，应力松弛率(σt)随时间增加均有所增大，并且随着时间的延长，各锚杆应力松弛率趋于稳定。

4.2 锚杆预拉力损失百分比函数

通过上文分析可知，监测锚杆预拉力具有相同衰减规律，由于各锚杆初始监测值略有差别，导致同一时刻锚杆监测值不同。为得到反应同一加载条件具有代表性的预拉力衰减规律，使其对每根锚杆均适用，研究了锚杆预拉力保留百分比(保留预拉力与初始加载的比值)与加载作用时间关系。各锚杆预拉力保留百分比与加载时间的函数关系如式(3)所示。

f(t)=-15.85e7.903×10-6t+115.7e-2.97×10-6t

(3)

式(3)对于各锚杆监测数据的平均确定系数R2为0.997 8，最大拟合误差为1.388%；经16 000 h(667 d)荷载作用，预拉力保留百分比约为92.3%，与四根锚杆监测预拉力保留百分比平均值91.9%基本一致，表明函数方程具有良好的代表性，能够综合反应锚杆预应力长期损失规律。该方程可以近似表示该风电场锚杆长期运行特性，为锚杆长期预应力损失评估、维护策略制定及基础承载性能安全评估等方面提供数据基础，也可为类似工程锚杆预拉力选定提供一定的参考。

5 结 论

(1) 室内锚杆试样150 h应力松弛试验表明，锚杆试样应力松弛可以分为两个阶段：第一阶段预应力衰减相对较快，持续时间较短，约10 h；第二阶段衰减速度较慢，时间持续较长，至试验结束约140 h。当施加预应力小于锚栓材料屈服强度40%时，预应力锚杆抗松弛性能较好。

(2) 现场锚杆预应力监测数据表明，监测期末，3#锚栓预应力损失值最大，为25.8 MPa，约占初始预应力的8.53%；4#锚栓预应力损失值最小，为24.8 MPa，约占初始预应力的8.40%。4根锚栓预应力损失平均值为25.3 MPa，约占初始预应力的8.48%，预应力松弛速率平均值为0.035 MPa/d。

(3) 风速、风向对设计采用的长锚杆基础锚杆长期运行特性的影响较小，混凝土徐变收缩以及外部环境因素对锚杆长期运行性能影响较大。

(4) 对现场锚栓监测数据进行拟合获得的预应力衰减方程及预应力保留百分比方程均具有较好代表性，拟合误差均在1.8%以内，能够综合反应相应荷载条件下锚杆长期运行性特性，可为锚杆长期预应力损失评估、维护策略制定、基础承载性能评价及类似工程锚杆预拉力选择提供一定的数据基础和参考。