装配式混塔体外预应力系统施工研究——以免灌浆干式连接分片预制装配式混塔为例

李向姚，王文玉

（1：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2：中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007）

1 概述

1.1 混塔（混合塔架）概述

混塔（混合塔架）下部采用分片预制装配式混凝土塔筒，上部采用常规钢制塔筒，两者之间通过钢-混过渡段衔接，整体施加预应力系统以提高塔架抗弯能力，以此形成整体支撑体系。混塔（混合塔架）承受风力发电机组设备自重及风机运行过程中所受到的各类动、静荷载，是风力发电机组安全运行的关键受力构筑物结构[1]。

结合装配式建筑理念，将混凝土塔筒分割成（1/4 片）管片，采用高精度模具，集约工厂化预制生产，解决了大件运输难题和减少了施工现场环保、水保影响。预制管片（1/4 片）采用常规运输车辆运抵施工现场后，通过弯螺栓连接，接缝采用高强环氧密封胶填充形成环形筒体，然后将环形筒体垂直叠加达到所需高度的混凝土塔筒，再施加整体预应力系统，使混凝土塔筒的抗弯性能满足风电机组的运行荷载要求。

1.2 预应力系统概述

预应力系统采用16 束纵向预应力索（分离式钢绞线），上部与钢混过渡段自平衡反向连接（法兰连接），下端与中空齿轮基础连接，形成整体预应力体系。纵向预应力索与塔筒内壁平行，16 束对称均匀布置，每束由15 根Φ15.24 mm 钢绞线组成，每束预应力为2 540 kN。

2 施工准备

2.1 工器具准备（单座塔）

钢绞线放线专用工装：自主设计、制作专用工装 4 套。

钢绞线穿索专用工装：自主设计、制作专用工装1 套，可同时提升2 根～4 根钢绞线。

张拉设备：千斤顶4 套。

其它：500 t 吊车、220 v/380 v 电源、自行设计制作钢绞线夹头4 个、记录表、柔性护材料若干、对讲机 1 套、定滑轮 4 组、5 t 手拉葫芦 2 套、手持切割机1 套等。

2.2 材料准备（单座塔）

钢绞线：若干，23 000 m/座；

夹片：若干，500 套/座；

锚板：若干，32 片/座；

钢绞线上、下保护罩：若干，32 个/座；

保护油脂：防护油若干。

3 总体施工方案

钢-混过渡段安装完成后施工预应力系统，利用吊装混凝土塔筒主吊撤离之前将提升钢绞线的专用装置（已申请专利并受理）吊装安装至钢-混过渡段顶面；将钢绞线吊放至放线索盘上，布置至塔筒门正前方附近，钢绞线穿过塔筒门洞，从塔筒内部提升穿索。上端利用夹片、锚具固定在钢-混过渡段锚固法兰盘上，下端穿过中空齿轮基础空腔内预留孔道，利用夹片、锚具固定在基础内锚板上。穿索完成后，利用4 台张拉设备在下端基础空腔内同时对称一次张拉，张拉至设计值的70%，张拉完成后吊装整机，再进行二次张拉，张拉顺序同一次张拉，张拉至设计值的103%。最后在上、下两端锚头外安装防护罩加以保护。

3.1 索盘布置

结合现场情况自行加工钢绞线放线索盘。钢绞线出厂包装呈环型卷绕，根据单盘钢绞线尺寸设计索盘，使放索时整盘钢绞线呈水平转动，避免钢绞线扭转。每个工作面布置4 套索盘，配合2 处提升装置连续作业，索盘布置在塔筒门正前方并平行摆放，确保钢绞线穿索时牵引滑动顺畅。

3.2 提升装置布置

针对混凝土塔筒段高度90 m 及以上，受大型吊车作业参数限制，预应索无法直接吊装安装，且塔筒内部空间受限（塔筒内部布置有操作平台、升降机等其它设施）的特点，结合现场环境条件，充分利用常规的机具，自行设计加工专用提升装置。在混凝土塔顶部钢-混过渡段安装其专用提升装置，提升装置具备水平旋转功能，2 台提升卷扬机对称布置，同步提升钢绞线，作业时根据需要旋转角度，使提升挂点处于钢绞线安装目标位置正上方即可作业。

3.3 穿索

钢绞线由塔筒底部门洞进入塔筒内，通过定位滑轮变向使其垂直状态提升。送料由钢绞线提升卷扬机提供的牵引车带动索盘自行转动，人工辅助，每次保持2 个吊点同步作业。通过自行设计加工的夹具，将钢绞线垂直牵引至上锚固端，下部根据所需长度下料，可有效减少提前下料占用大量场地的弊端。

每完成1 根钢绞线穿索后采用手拉葫芦预紧，使其保持每束预应力索的钢绞线聚中、整齐，避免因钢绞线在塔筒内紧凑的空间散开，从而与提升装置下放吊具的钢丝绳缠绕。穿索时上、下端按既定的孔位编号依次对应入孔，同时保持整座塔筒内穿索总体呈对称作业，减少塔筒不均匀受压的情况。

3.4 张拉

混凝土塔筒及钢混过渡段吊装完成后，进行预应力系统第1 次张拉，张拉力为设计最终力值的75%；整机吊装完成后进行第2 次张拉，张拉力为设计最终力值的103%。在预应力下端张拉，呈正交施工，四点同步单根张拉作业，确保混凝土塔筒对称受压，保证结构的安全与稳定。

3.5 防护

钢绞线张拉完成后，对锚头、夹具、钢绞线端头等位置涂抹专用防腐油脂或其他可清洗的防腐蚀材料，并加装防护罩，防护罩与下锚板通过螺丝连接。通过防护可提高预应力系统的使用寿命和安全性能。

4 工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工准备→钢绞线穿索→钢绞线预紧→钢绞线张拉→锚固端防护。

4.2 操作要点

1）施工准备

钢绞线索盘并排布置，位于塔筒门正前方约8 m～10 m，整盘钢绞线摆放到索盘固定位置；钢混过渡段顶部钢绞线提升装置安装到位，接通电源并调试；塔筒底部钢绞线牵引变向动滑轮固定到位。钢绞线牵引过程中，在塔筒门洞等摩擦力较大的位置，应施加防护措施避免剐蹭钢绞线，损坏外保护层。

2）钢绞线穿索

①钢绞线提升装置的卷扬机从塔筒内将吊具下放至塔筒基底部，钢绞线穿过塔筒门进入塔筒内，利用夹具将钢绞线与吊具固定连接，通过卷扬机牵引钢绞线索盘转动，钢绞线提升就位。提升装置的2 台卷扬机需对称同步作业；

②钢绞线上端穿索固定，顶端达到预定位置后，利用锚具和夹片将顶端固定在过渡段锚固内法兰上，夹片安装到位后脱开吊具；

③钢绞线下端穿索，上端固定完成后测量所需钢绞线的弯度，采用手持切割机下料，钢绞线端头打磨光滑并将端头的弯曲部分顺直。将钢绞线下部穿过基础预埋孔道，固定在内部基础锚垫板上。需注意每根钢绞线要与位于上端和下端的锚板孔位对应，不允许交叉或错孔；

④塔筒呈圆台型，钢绞线与塔筒管壁平行，安装后呈斜拉状态，外加钢绞线有一定刚度，穿索后呈自然散落状态，为了避免已安装的钢绞线与吊绳发生缠绕，每穿索1 根就需采用手拉葫芦将钢绞线进行预紧固定，手拉葫芦可固定在基础预埋管或其它合适位置；

⑤为了掌握钢绞线应力情况，在钢绞线锚固端安装应力传感器，选择正交的4 束为监测对象，再选定束中最后张拉的1 根钢绞线为监测索（本文对具体监测方案不作分析）[2]；

⑥钢绞线顶端顶压。钢绞线穿索完成后，为确保钢绞线夹片的夹持性能，非张拉端夹片张拉前先进行顶压，通常垂直预应力系统采用下端张拉，故对上端夹片进行顶压。顶压力控制在（150±5）kN，顶压过程应缓慢进行并观察夹片顶压时的状态，若发现夹片跟进异常或有开裂情况应立即停止，查明原因后更换夹片再重新操作。顶压加压过程时间应≥30 s。

3）钢绞线张拉

①张拉前准备。为求塔筒受力均衡、张拉终值准确，分二级（阶段）张拉。第一阶段为混凝土塔筒和钢混过渡段吊装完成后，张拉至设计值70%，第二级（阶段） 为整机吊装完成后张拉至设计值103%。

张拉前检定张拉机具，根据标定方程和设计要求，结合规范及钢绞线材质性能作出分级张拉力，进行油压力换算得出对应的油压表读数值，并将其粘贴在显眼位置，以方便操作和查验[3]。配置4 台张拉设备和对应的操作人员，张拉端位于基础内部受限空间内，应保持内部空气清新、流通；

②张拉顺序。预应力钢绞线张拉应严格按照分序进行，正交4 束同步，每束单根张拉。张拉前对各束、各根分别进行编号，如图1～图2 所示，对预应力系统各束、各根编号。

4 台设备同时对称张拉，分为4 组。第1 组为：1#，5#，9#，13#；第 2 组为：2#，6#，10#，14#；第 3 组为：3#，7#，11#，15#；第 4 组为：4#，8#，12#，16#；每组分3 批次张拉完成，每批次张拉5 根钢绞线，共计张拉12 批次。

第1 批次张拉第1 组前5 根钢绞线，第2 批次张拉第3 组前5 根钢绞线，第3 批次张拉第2 组前5 根钢绞线，第4 批次张拉第4 组前5 根钢绞线，第5 批次张拉第4 组中5 根钢绞线，第6 批次张拉第2 组中5 根钢绞线，第7 批次张拉第3 组中5 根钢绞线，第8 批次张拉第1 组中5 根钢绞线，第9 批次张拉第1 组后5 根钢绞线，第10 批次张拉第3组后5 根钢绞线，第11 批次张拉第2 组后5 根钢绞线，第12 批次张拉第4 组后5 根钢绞线。

张拉完成后，为减缓钢绞线持续震动和产生疲劳等问题，在每束钢绞线中部安装2 个减震装置。

4）钢绞线两端防护

张拉完成经验收合格后，应将上、下端锚具外露的预应力筋部分预留并切除多余量，清理干净，涂抹专用防腐油脂或其他可清洗的防腐蚀材料，封堵密实后加装防护罩。

5 质量控制重点

1）钢绞线及夹具等附件运输到场后进行外观质量复核，要求钢绞线、锚具、夹具和连接器表面无污物、锈蚀、机械损伤和裂纹。

2）钢绞线穿索过程中采取防护措施，避免穿索过程中钢绞线与其它硬物剐蹭，损伤钢绞线外保护层；如出现局部严重剐伤，应采用高粘度液态环氧树脂材料进行修补，严禁钢丝裸露。

3）钢绞线张拉过程中应严格控制张拉力值，每束张拉力允许误差为0%～+1%。

4）严格控制张拉顺序，各台张拉千斤顶同步作业，严禁出现同时张拉非同一个编号的钢绞线。

6 结语

本文介绍的体外预应力可在混塔段安装完成后统一安装钢绞线，可集中资源在短时间内完成穿索、张拉工作，实现资源的最优化利用。采用上部提升装置与底部放线工装联动运行，实现下料、穿索一体化，可以有效减少人工等资源浪费。对超高级混塔的发展起到积极推动作用，也可为今后类似工程的施工提供经验借鉴和技术支撑，社会效益显著。

采用本方法大大提高了预应力施工效率，可有效节约工期，同时对比体内预应力系统，有效降低了混塔塔筒壁厚，节约工程投资，且方便后期检修更换，具有良好的经济效益。