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山地大体积风机混凝土基座施工裂缝控制研究

2023-06-07刘刚伟

中国新技术新产品 2023年5期
关键词:感器基座温差

刘刚伟

(中国安能集团第一工程局有限公司,广西 南宁 530028)

0 引言

风电工程适宜建设在地处西部多高山、多季风的广大地区。风电工程的施工难度并不大,其巨大的风机基础的施工及后期叶片吊装是全部工程的核心。风机基座作为最主要的受力构件,始终存在一定的安全隐患和质量问题[1]。如何在进行风机基座混凝土浇筑的过程中减少施工裂缝的问题,是施工技术中重点需要攻克的难题。该文将从风机基座混凝土施工裂缝的控制入手,制定有效的抗裂措施。

1 混凝土应力状态分析

为防止出现温度裂缝,在过去传统的大混凝土施工过程中,通常采用循环水管冷却措施,以此来减少内外温差,并将内外温差控制在25 ℃内,保证大体积混凝土不出现温度裂缝,提高施工质量[2]。对大型圆台式重力风机基础并没有进行通冷却水管的施工条件。当混凝土开始浇筑并且逐渐浇筑至所有圆台基础时,混凝土会不断发生放热反应,其放热会使结构内部持续释放拉应力,并最终使风电圆台基础的表面被拉裂。因此,对混凝土本身在连续浇筑的过程中的应力状态需要特别进行分析,才能真正解决山地大体积风机混凝土基座的稳定不开裂问题[3]。

2 温度收缩机制

2.1 温差分析

温差是引起应力变化的因素之一,而应力是导致混凝土开裂的原因。引起应力的因素包括水泥水化收缩、温度梯度效应以及内外约束等,该文在研究混凝土应力问题时,首先要考虑温差带来的变化,以图1 所示的混凝土模量时间曲线力学模型为准,进行混凝土的温度温差分析。

图1 混凝土力学模型曲线

通过有限元径向截面选取单元如图2 所示,得到温差变化如图3 所示。该曲线揭示了在4 种温度状态下的混凝土单元的温度变化情况,分别为T1 上表层混凝土温度;T3为混凝土基座上表层以下0.3m 范围的混凝土温度分布;T4为混凝土基座表层以下0.7 m~1 m 的混凝土单元平均温度分布;T5 为混凝土基座最底层温度分布。

图2 山地大体积风机混凝土基座1/4 有限元模型

图3的曲线分布结果显示:大体积混凝土基座的温差较大并且呈现一定规律,反复振荡。并且发现,随着风机基座混凝土的深度由表层向内部逐渐延伸,出现的温度偏差越大,而这种偏差主要是在大体积混凝土浇筑中,由于混凝土表层直接与大气接触,可以及时地进行放热,大气的温度瞬间能够平衡掉混凝土由于迅速硬化而释放的大量热源,从而不会出现开裂。

图4的温度变化曲线为现场实测基座混凝土浇筑后的混凝土温度变化曲线,选取从2022 年11—12 月初进行跟踪观测所得的结果。图中-1、-2、-3 三条曲线分别表示混凝土表层、中部以及垫层以上的位置。从实测数据曲线可知:在大体积风机基座浇筑的首仓料中,混凝土温度基本无显著变化,在表层、中部、垫层以上3 个部位温度趋势整体趋于一致;而从浇筑后的第三天开始,混凝土内部温度呈现迅速上升的趋势,并在5 d 内达到温度的峰值,3 个不同位置的温度均出现同样的特征。受不良导热性的影响,处于垫层以上部位的混凝土最先出现拐点,呈现缓慢向下降温的趋势。而处于中间的混凝土部位由于内部放热积蓄的温度应力无法及时得到释放,积压的温度最多,因此表现为其温度峰值最大并且在测试记录的后期降温过程也最缓慢。通过实际观测结果,与通过有限元力学模型仿真分析结果进行对比可以看出,整体结论较为一致。验证了大体积风机基座混凝土在浇筑以后出现的温差的确广泛存在并且其分布规律具有显著特征,需要做好中间层次的热量释放,温度峰值主要由该层次的热量释放所堆积,因此在施工过程中重点控制中间层次的温度裂缝。

图4 现场基座浇筑实测温度变化曲线

3 现场实例分析

3.1 工程实例

传统大体积温控措施主要包括混凝土搅拌温度控制、混凝土入模温度控制和混凝土内外温差控制等[4]。由于在山地地区,风力大,更容易造成混凝土结构内外温差急剧增大的情况,在这种工况下作业,特别是对大型风电机组安装来说,基座的牢固及其稳定性直接影响后期风力发电的叶片旋转的正常进行并且影响整个风电结构的使用寿命和维护成本。该文选取广西龙源陈平(75.55 MW)风电项目实际浇筑温控措施,来说明前述规律在实际情况中的应用,对实际基座裂缝控制的实际作用。

该风机基础采用机械开挖,钢筋混凝土浇筑,混凝土强度为C40,单个基座混凝土方量为725 m³,半径10.5 m,风机基础顶高4.7 m,施工现场须避免由于温度变化及大体积混凝土收缩造成的混凝土内部出现裂缝,影响风机基础的质量[5]。从混凝土的应力状态出发采取实际工况的浇筑温控措施,使整体内外温度基本一致,或最大限度地迅速耗散到大气空间。

3.2 监测控制分析

现场实际施工时应根据基座混凝土的情况布设温感器,实际布设图如图5 所示。由于基座半径较大,整体混凝土浇筑方量也相对较大,因此整体布设温感器26 个,布设位置及其编号如图5 所示。一共安装2 种温感器类型,一种测量温度变化、一种进行应变监测。通过2 种不同类型的温感器可以全面地对施工裂缝进行控制和数据监测,所设置的温感器可以准确读出不同部位温度数值;并随着现场实际浇筑情况的变化而随时显示不同的数据值。从基座混凝土首仓浇筑时间开始进行监控,仍然选取2022 年11 月—12 月初的浇筑时间进行跟踪记录。

图5 风机基座混凝土表层温感器布置及编号平面示意图

为了便于分析,考虑3 个方向的温控及裂缝控制数据采集,并拉出相应曲线。选取温感器编号1-8 所在区域、19-22 所在区域、15-18 所在区域进行图行曲线汇总,如图6 所示。

图6 温感器应变数据采集汇编曲线

从基座混凝土浇筑一个月的实际应变值情况分析,3个方向的应变值差异较大。1-8 所在区域的应变值相对最大,而15-18 区域、19-22 区域则相对较小;同时3 条方向的整体应变趋势基本一致。在监测开始的极短的时间范围内,混凝土应变值呈负数变化,在力学响应上表征为压应力,即发生紧致收缩变形;而在中后程开始向上反弹,主要表征为出现拉应力,混凝土结构开始出现裂缝,并逐渐发展。在监测的最后阶段达到平衡。其中,19-22 区域的分布波动值较小,在监测5 d 时间可以看出,整体应变值很小,基本没有变形。说明基座浇筑沿该条线上整体区域稳定并且不会出现裂缝等不良质量问题;与浇筑的15-18区域相比,容易产生裂缝,其应变值在5×10-5波动,该应变条件下,会出现少量极小的细裂纹,但是整体仍然不会有较大结构影响;在应变值最大的1-8 区域,是整个基座的薄弱环节,当上部塔筒及风机叶片安装就位后,对基座的偏心受压,产生的组合压弯变形会极大地影响基座稳定性并且通过拉应力不断传导,会导致表层混凝土的裂缝向深层发展,最终影响结构安全。根据监测结果显示,最大应变值达到15×10-5左右。该数值足以产生能够贯穿结构的危害性较大的裂缝。

3.3 裂缝控制措施

由图5、图6 可知,在基座的上下平分区域线条上最易出现应变值较大的混凝土,而在其余斜向方向整体均较小,不会构成安全隐患,稳定性在可控范围。对基座混凝土防裂应做好及时覆盖保温工作[6]。由于施工地点地处广西山地发育地区,风力较大,在浇筑混凝土尤其是大体积混凝土后非常容易受到风力影响,水分蒸发加速,从而导致混凝土失水干缩。因此,主要控制措施就是对上述分析的区域(1-8、15-18 区域)需要加大保水薄膜覆盖。

此外,混凝土配合比还需根据现场施工效果不断地进行调整[7]。混凝土的变形特性需要对其应力状态有较清晰认识,适当在配合比中增加混凝土抗拉应力增强的掺合料。在一定的时间范围内,混凝土整体的性能可以表现得更为优越。配合比具体数值需要根据实际现场施工、监测的应变以及温度变化情况来调整。反复高效地进行振捣能够减少85%以上的温度所引发的裂缝问题。

最后,通过适当分层浇筑,能够有效控制混凝土温度裂缝的产生。陈平风电项目在进行基座混凝土施工过程上对每个风机基座的几何尺寸、浇筑顺序、板块划分等方式上均进行过整理规划。通过这种方式可以直接减少由于浇筑放热而导致混凝土开裂的情况。

4 结论

作为大型风电结构的隐蔽工程,控制基座混凝土施工质量非常重要,要能够全面地进行混凝土的防裂施工,必须通过裂缝处理。通过该文的论述,得到如下3 个结论:1)首先,要对风电基座混凝土进行全面的参数分析以及有限元数值仿真分析。通过数值模拟的计算结果,对比有关曲线结果。混凝土基座施工是大体积浇筑施工。2)从温度控制、应力状态分析入手,对大体积风电基座混凝土施工可能存在的问题及原理进行研究,可知混凝土厚度的变化呈现不同的特征,在表层和较深层的混凝土材料中其出现的裂缝不同,施工中要注意搜集监测数据,并及时修正。3)对陈平风电的基座布设温感器进行温度与变形实时监测。通过应变来直观地反映大体积混凝土在浇筑后的变形情况;并制定有实际效果的裂缝控制措施。

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