海上风电场风机基础钢管桩中钢筋应力监测与分析

黄远远，彭 潜，姚顺雨

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

引言

随着风电机组大型化、产业链国产化，叠加产业成熟度和规模效应，我国海上风电有望在十四五期间迎来快速发展[1]。近年来，陆地经济可开发的风力资源越来越少，全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势[2]。所以对风电场建设阶段设置针对桩基础及上部结构的安全监测项目是极为必要的。安装钢筋计可监控混凝土或其它结构中的钢筋的应力，对结构中存在的潜在问题给予极早的预示。曹淑刚、孙小钎等[3]以某海上风电项目为例，对高桩承台基础内力进行了监测与分析。通过对风机桩基础分析，可以得出施工期及运行期风机基础的受力状态。廖骏等[4]和张开伟等[5]提出了将钢筋计增设连接杆与钢筋笼内主筋同轴焊接的布置方法。程文亮等[6]通过改良钢筋计的安装工艺，提高了目前常采用的振弦式钢筋计的成活率。谢龙等[7]介绍钻孔灌注桩钢筋计监测质量问题，并对问题原因进行分析，提出合理质量控制措施，在施工中取得良好成效。

综上，对海上风电场风机基础钢管桩中对钢筋计的讨论较鲜见，本文以东南沿海某海上风电场工程为例，根据现场实测可靠资料对该问题进行分析，为海上建筑物的安全评估、运维方案提供重要参考依据，兼顾验证设计、科研及指导施工。

1 嵌岩桩钢筋应力监测

本工程风机的基础桩形式选择嵌岩桩基础形式风机基础，采用高桩承台基础形式，高桩承台基础采用4根钢管桩作为桩基。拟对该项目二期的两台重点监测风机的嵌岩桩进行安全监测。主要监测的项目包括:嵌岩桩钢筋应力监测、倾斜振动监测及钢管桩腐蚀电位监测等，本文仅对监测风机的嵌岩桩钢筋应力的监测进行分析。用于嵌岩桩钢筋应力监测的钢筋应力计安装在填芯混凝土钢筋笼上，随钢筋笼一道放入嵌岩桩内。

1.1 监测仪器选型

根据《混凝土坝安全监测技术标准》，钢筋计在嵌入钢管桩前，需要进行检验测试，包括绝缘度、测量范围、静态特性等，以检测钢筋计在运输途中是否出现问题[4-5]。精度低于技术规范要求的材料试验机不能用来检验钢筋计，以免引起误导，甚至损伤钢筋计[6]。

根据钢筋计的静态特性，综合考虑其各项性能指标，由于振弦式钢筋计具有测量原理简单、使用方便、较高的稳定性与耐久性等工程使用性能，近年来，广泛应用于基础工程、桥梁工程、水利工程、地下结构工程等工程的混凝土构筑物的监测[7]。BGK-4910系列振弦式钢筋计具有耐用、可靠、易于安装和读数，并不受潮湿、电缆长度和接触电阻影响，已应用于多项工程中，具有长期稳定性，本工程选用BGK-4910系列振弦式钢筋计用于测量Y1、Y2风机嵌岩桩钢筋应力监测。施工中采用配套的读数仪进行人工观测，安装后接入自动化系统进行自动化监测。

1.2 钢筋计工作原理

当被测结构物内部的钢筋发生应力变化时，钢筋计将受到拉伸或压缩，钢套同步产生变形，变形使钢筋计感受拉伸或压缩的变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内钢筋所受的应力。同时可同步测量埋设点的温度值。

当外界温度恒定钢筋计仅受到轴向应力时，其应力与输出的频率模数具有如下线性关系：

式中：k为钢筋计的测量灵敏度，单位为MPa/F；ΔF为钢筋计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；F为钢筋计的实时测量值，单位为F；F0为钢筋计的基准值，单位为F。

埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内的钢筋计，受到的是应力和温度的双重作用，因此钢筋计一般计算公式为：

式中：σm为被测结构物钢筋所受的应力值，单位为MPa。b为钢筋计的温度修正系数，单位为MPa/℃；T为温度的实时测量值，单位为℃；T0为温度的基准值，单位为℃。

注：通常情况下，经试验测得其温度修正系数小于最小读数，由于温度对振弦传感器的影响很小，实际使用中可不予修正，一般计算时可用公式（1）。

1.3 钢筋应力监测的测点布置

Y1、Y2风机嵌岩桩钢筋应力监测，用于嵌岩桩钢筋应力监测的钢筋应力计安装在填芯混凝土钢筋笼上，随钢筋笼一同放入嵌岩桩内。每个承台有4根直径3.2m的直桩。

选择Y1的1号钢管桩（Y1-1）安装钢筋计，在-27.0m和-29.0m高程位置处埋设钢筋计进行应力监测，在-29.0m高程位置处布置4支钢筋计，编号分别为R-1、R-2、R-3、R-4，其中一对沿主潮流方向对称布置，一对垂直主潮流方向对称布置，在-27.0m高程位置沿主风向对称布置2支钢筋计，编号分别为R-5和R-6，如图1所示；Y2风机的3号钢管桩（Y2-3）安装钢筋计，具体设置在-32.7m和-34.7m高程埋设钢筋计，-34.7m高程位置布置4支，编号分别为R-1、R-2、R-3、R-4，一对沿主潮流方向对称布置，一对垂直主潮流方向对称布置；-32.7m位置沿主潮流方向对称布置2支，编号分别为R-5和R-6，如图2所示。每台风机布置6支钢筋计，共12支钢筋计。

图1 Y1-1#桩钢筋计位置

图2 Y2-3#桩钢筋计位置

1.4 嵌岩桩钢筋计安装

要获取可靠的监测成果，高质量的钢筋计是前提，正确安装、选取基准值是保证，钢筋应力计算成果的合理分析是关键。钢筋计及其检验、安装，在相关的国家、行业标准中都有较全面的规定[4-5]，按照规定，严格执行安装步骤。

Y1、Y2风机的嵌岩桩钢筋应力监测，选择在Y1-1#、Y2-3#嵌岩桩的相应位置共安装12支嵌岩桩钢筋计。嵌岩桩钢筋计采用振弦式传感器，安装在填芯混凝土钢筋笼上靠近桩内壁，随钢筋笼一道放入嵌岩桩内，安装步骤如下：

①根据设计图纸测量放样，定位测点位置；

②由测点分布及电缆集中位置，接长钢筋计电缆，并做好标记；

③钢筋计焊接在同一直径的受力钢筋并保持在同一轴线上；

④钢筋计焊接采用双面绑条焊，绑条长度≥10D，仪器温度不超过60℃；

⑤将仪器电缆沿钢筋笼主筋牵引至钢筋笼顶部合适位置，并注意保护电缆；

⑥仪器安装前后及混凝土浇筑前后，及时跟踪测试仪器并记录；

⑦风机安装后，电缆牵引至基础监测柜位置，最终接入相应采集模块中。

将组装好的钢筋计连同主筋一起穿入钢筋笼，为避免箍筋焊接烧伤钢筋计，对钢筋计采用湿布包裹，同时钢筋计与箍筋交接处采用钢丝绑扎。箍筋焊接时钢筋计采用湿布包裹。在吊装、下料和主筋张拉等各个环节，均要加强对信号线的保护。起吊钢筋笼时，通过增加起吊点，避免过大的挠度变形对钢筋计及信号线的破坏。5根芯线均需焊接，焊接时注意将各个芯线接头错开，保证各芯线长度一致，以保证电缆受拉时，各芯线能均匀受力。接线前芯线接头部位及电缆接头部位应套热缩管，接线完成后，用热风枪将热缩管热缩于接着部位，如图3所示。接线工作结束后，用读数仪进行计数测量检查，并使用万用表测量各芯线间的电阻情况，避免因焊接工作造成接头部位芯线短路、断路情况，保证被埋设的钢筋计是可以正常使用的。嵌岩桩钢筋计安装现场照片见图4。

图3 电缆线接线示意图

图4 嵌岩桩钢筋计现场安装

2 监测数据分析

2.1 施工期主要工况

Y1、Y2承台施工期主要工况及监测时间节点如下表1所示。

表1 风机承台主要施工工况

2.2 钢管桩监测资料分析

钢筋计安装好后、混凝土浇筑前的计数计算基准值（独立测读3次，合格后取平均值）。埋设初期人工进行观测，风机吊装完成通电后将接入自动采集模块中进行自动化观测，Y1、Y2嵌岩桩钢筋计，各测点基准值如表2所示。

表2 Y1嵌岩桩钢筋计测点基准值汇总

分析时段选取各测点基准日期到2019年5月，Y1-1#、Y2-3#嵌岩桩钢筋计测点过程线如图5—图16所示，其中正值表示钢筋受拉，负值表示钢筋受压。

图16 Y2-3#-R-6测值过程线

表3 Y2嵌岩桩钢筋计测点基准值汇总

图5 Y1-1#-R-1测值过程线

图6 Y1-1#-R-2测值过程线

图7 Y1-1#-R-3测值过程线

图8 Y1-1#-R-4测值过程线

图9 Y1-1#-R-5测值过程线

图10 Y1-1#-R-6测值过程线

图11 Y2-3#-R-1测值过程线

图12 Y2-3#-R-2测值过程线

图13 Y2-3#-R-3测值过程线

图14 Y2-3#-R-4测值过程线

图15 Y2-3#-R-5测值过程线

图5 —图16表明：

Y1-1#桩内、Y2-3#桩内12支竖向钢筋计存的存活率为100%。其中Y1-1#中钢筋计编号为R-1的钢筋计的压应力最大为58.8 MPa，R-2钢筋计的压应力最大为60.1 MPa，R-3钢筋计的压应力最大为51.7 MPa，R-4钢筋计的压应力最大为46.5MPa，R-5钢筋计的压应力最大为42.4 MPa，R-6钢筋计的压应力最大为51.0 MPa，6支钢筋计的稳定值基本在20—40 MPa之间；Y2-3#中6支钢筋计中，R-1钢筋计压应力最大，最大值为99.0 MPa，数值最终稳定在70M Pa左右，其余5支钢筋计，数值最终稳定为40—60 MPa之间。

Y2-3#桩内钢筋计R-1、R-3、R-4的测点初期测值变幅较大，主要是因为钢筋计焊接于钢筋笼主筋上产生的残余应力，以及钢筋计埋入混凝土桩后，其周边的湿度及温度也同时发生了变化，但变化范围在合理范围内，且后期均逐渐趋于稳定。

各钢筋计过程线无明显的向某一方向（受压或受拉）的趋势性变化，且无异常测值。初期应力变幅较大的原因主要是混凝土浇筑后内部温度较高（部分测点最高温度达到58℃），初期温度下降混凝土收缩，产生较大的温度应力。

3 结语

（1）钢筋计埋设后仪器通常无法接触，不具有维修性，需要加强仪器及信号线的保护，且安装前后需对仪器进行成活性检测，保证安装的设备能起到监测的作用。起吊钢筋笼时，增加起吊点，避免过大的挠度变形对钢筋计及信号线产生破坏。

（2）在钢筋计埋设后浇筑混凝土初期钢筋应力与温度表现一定相关性，温度越高，钢筋受压应力越大，之后下降趋于稳定，符合混凝土浇筑后水泥水化过程中产生的水化热由积聚到逐渐消散的一般规律。

（3）从近一年的监测资料可知，Y1、Y2嵌岩桩钢筋计未出现异常变形。为使钢筋计在监测项目中更好的发挥作用，根据现场监测经验提出以下建议，在台风等恶劣工况下，建议及时对监测成果进行分析，以评估台风等对风机的影响。风机基础安全监测系统，建议指派专人定期检查与维护，使仪器设备长期处于良好状态，确保系统能够安全、稳定、可靠运行。