分段直塔筒体外预应力混凝土风机塔架结构动力特性研究

张明熠 曹雨奇 黄张裕 张东灿 张冬

(1.江苏金海新能源科技有限公司 盐城224400；2.同济大学土木工程学院 上海200092；3.江苏金海风电塔筒科技有限公司 盐城224400)

引言

由于配套消纳输电线路相对滞后于风场开发，导致高风速地区风电场“弃风限电”情况严重，低风速地区以良好的并网消纳和政府扶持条件以及充足的可开发量成为了近年来风电行业发展的焦点。为适应更大单机容量和叶轮直径以及更高轮毂高度的发展要求，高塔结构成为了低风速风电市场中受关注度较高的一种可选技术路线。

1 风电行业高塔架结构种类

风电行业普遍认为风力发电机组轮毂中心高度在120m及以上的塔架是“高塔架”，其结构型式可分为:柔性钢塔、混凝土塔、分片钢塔及桁架塔4种主要类型，如图1所示。

图1 风电高塔架主要类型Fig.1 Major types of high-rise wind towers

受制于国内公路运输体系对塔筒直径大型化的限制，面对高塔架带来底部弯矩的增大影响，钢塔仅能通过增加壁厚来提高塔架的抗弯承载能力，结构材料利用效率降低的同时结构刚度并未显著提升。塔架自振频率接近于风机运行期间的一些常见风速区间的激振频率，主机通过主动控制跳过这些风速区间以避免共振，这种通过牺牲发电量来满足设备功能的柔性钢塔技术路线引发了行业对刚性高塔架种类的尝试。

分片钢塔和桁架塔均通过提高塔架构件装配化程度来解决运输的限制，整体用钢量较柔性钢塔更为节省。但在构件加工和安装的精度方面，这两类塔架较柔性钢塔提出了超出现有产业链能力的更高要求，让相关制造、运输、安装环节的实际发生成本较理论推算更高，需要经历批量发展的阶段以降低综合造价。此外，连接节点数量较柔性钢塔增加也对后期运行维护的工作提出了更高的要求。

混凝土塔采用就近取材就近预制的方式来解决运输限制，自重大稳定性好，阻尼比高于钢结构塔，结构安装和运行过程振动远小于钢筒，不会频繁通过主机振动控制策略损失发电量。当轮毂高度超过110m时混凝土塔造价低于钢筒塔[1]，有学者对钢塔、钢混凝土混合塔及混凝土塔方案在80m轮毂高度2MW风机塔架、100m轮毂高度3.6MW风机塔架、150m轮毂高度5MW风机塔架3种情况下进行了对比，研究表明超过100m的塔架采用混凝土塔方案更有效[2，3]。

如图2所示，将目前4种主要类型高塔架进行特点比较，可以看出，混凝土塔在原材料成本、动态性能、阻尼性能、保养耐久性和维护成本上均具有绝对优势，但在安装时间、连接细节、拆卸和运输等方面未能达到较好的市场竞争力。

图2 各类型塔架特点比较Fig.2 Schematic of comparison of different types of wind tower supporting structures

本文介绍的分段直塔筒体外预应力混凝土塔，由顶部的钢塔段和底部的混凝土塔段主体组成。可以对传统混凝土塔的劣势进行一定程度的弥补，以提升该类塔架的综合市场竞争力。

2 分段直塔筒体外预应力混凝土塔特征

2.1 外型与预应力体系

塔架主体由3种混凝土直筒节和3种混凝土过渡筒节通过排列组合叠加及钢塔筒组成，其中过渡筒节布置于钢塔筒与3种直筒节之间。混凝土塔段通高采用体外预应力钢绞线体系对筒节施加竖向预应力，钢绞线顶、底两端采用牛腿预留孔道形式实现固定，钢绞线在中部过渡筒节内侧凸起环梁处紧贴实现1°左右的倾斜角度以实现体外预应力尽量贴近筒壁内侧，钢绞线在底部过渡筒节与内侧筒壁无接触，如图3所示。

分段直塔筒的外形特征较渐变外形相比，降低了模具种类和成本，实现了模具和筒节的互换性并提高了模具的周转效率。体外预应力较体内预应力节约了现场安装时间，同时也节约了筒节预应力孔道精度保持所增加的预制成本。

图3 分段直塔筒节及体外预应力钢绞线体系Fig.3 Segmental Precast element and External Prestressed system

2.2 整环就近预制策略

为解决大直径筒节长距离运输限制问题，采用整环就近预制策略，相比分片预制技术路线具有以下优势:1)在人口密集的低风速地区减少机位点临时征用土地面积和占用时间，降低可能发生的民事纠纷补偿及对后续作业面影响的成本；2)实现属地化产业落地，在企业纳税和解决就业岗位方面与政府协调工作上形成互惠共赢合作模式；3)减少纵向分片连接和横、纵分片拼接精度带来的高强浆料成本和拼接时间成本。

2.3 垂直短线法

混凝土塔筒节预制过程中存在以下方面的因素影响最终成品精度:基座支撑标高误差与沉降；模具加工精度误差；运输安装过程对模具的变形影响；钢筋笼就位和混凝土倾倒、振捣过程对模具位置影响。这些因素偏差积累到一定程度如不加以识别和调整，难以保障成品筒节安装精度。

采用垂直向的短线法，新浇筑筒节模板在垂直高度坐落在已成型筒节上部，通过对已成型筒节的若干关键点进行测量和计算，指导新浇筒节的模具相关关键点进行针对性的调整，从而达到降低预制过程中上述因素对成品筒节精度的叠加影响，同时筒节水平对接缝可以实现初始的特征匹配，实现了后续安装精度和效率的有效提升。

和传统混凝土单节现浇工艺方法相比，垂直短线法降低了模具精度要求，这意味着进一步降低了模具的加工成本，从塔筒的预制阶段开始对塔筒的施工误差进行识别与调整，直至塔筒段的拼装完成，实现了风电混凝土塔筒全过程施工控制，如图4所示。

图4 短线匹配法筒节安装示意Fig.4 Schematic of the installation of match-cast segments

2.4 高效辅助安装配套

为了提高塔架成型效率，在混凝土筒节预制、周转及拼装过程中使用了一系列辅助设备。

如图5所示，研发了一种三向伸缩吊梁。该吊梁通过在筒节内侧预设吊梁提升槽可以实现筒节低强度转运，提高了生产台座的周转效率。同时端部实现电动收缩，相比螺杆吊点方式可节约筒节周转、拼装多次倒运准备时间，提高施工效率。

图5 三向伸缩吊梁Fig.5 Three-way lifting beam

如图6所示，研发了一种与分直段塔筒形状匹配的自动升降施工平台。各拼装单元可实现部件通用性，在吊装过程中随着筒节的吊装和内部空间的变化逐节往上爬升。相比于非自动升降施工平台，既提高人员在平台上施工效率，又方便后期的电缆敷设与接地排查工作开展。

图6 自动升降式施工平台Fig.6 Self-lifting construction platform

3 混凝土塔运行阶段结构动力特性实测

3.1 基本参数与测点布置

某运行混凝土塔配风电机组额定功率为3MW，塔架高度为117.83m，其中底部104.66m为混凝土塔筒，上部13.17m为钢塔筒。混凝土塔预制筒节高3.08m。直筒节外径和截面壁厚分别为φ8000×350mm、φ6600×350mm及φ4500×400mm，过渡筒节段高度为6.16m。测试塔剖面如图7所示。混凝土筒内部环向均匀布置16股钢绞线，钢绞线在从下往上第二个过渡段位置有1.2°转折。每股钢绞线施加预紧力3200kN，确保混凝土筒段在正常运行工况下全截面受压。

加速度实测采用Lance LC0132T高灵敏度压电式加速度传感器，灵敏度为50V/g。在混凝土塔筒顶部和钢塔筒顶部2个高度位置每高度设置2个加速度传感器，加速度传感器水平放置吸附于筒壁上。加速度传感器布置如图7所示，其中X向为风机轴线的水平指向，Y向与X向垂直。

3.2 塔架自振频率

4m/s风速下对运行的测试塔进行停机操作，对该过程中各测点的加速度进行采集，通过频谱分析(Welch算法)得到各测点的自功率谱曲线，如图8所示，测试塔X向和Y向自振频率相近，前2阶自振频率分别为0.432Hz和1.681Hz；测点1x和测点1y的第二个峰值不明显，说明混凝土塔筒顶部位置接近第二阶振型的零点。

图7 加速度传感器布置Fig.7 Plan of accelerometers

图8 停机工况各测点的自功率谱Fig.8 Power spectrum at different locations

3.3 塔架阻尼比

确定阻尼比时采用随机减量法处理停机时各测点加速度时程，得到各测点的自由衰减响应，如图9所示。通过对比自由衰减相应于对数衰减曲线(图中红色虚线)可见结构的阻尼比约为4.0%，介于钢结构和混凝土结构之间，且更接近混凝土结构。同时如图10所示，采用运行转停机的数据对阻尼比结果进行验证，也显示了约为4.0%的阻尼比。

图9 根据随机减量法得到的自由衰减响应Fig.9 Free-responses at different locations

图10 运行转停机过程各测点加速度时程Fig.10 Time-history at different locations

4 结语

分段直塔筒体外预应力塔架是采用分段直塔筒外形、体外预应力体系、整圆就近预制策略、垂直短线法生产工艺及配套的伸缩吊梁和自动升降平台装备建造的风力发电机组高塔架支承结构，可以有效弥补传统混凝土风电塔在安装时间、连接细节、拆卸和运输等方面的短板。结合在运行测试塔的实测数据，其具有的一阶自振频率为0.432Hz、阻尼比为4%。相比柔性钢塔整体刚度大、阻尼系数高，可通过自身结构特征保证机组在安装以及全寿命运行周期更小的振动和更稳定的发电量。