超高装配式混凝土塔筒预应力索张拉方法研究*

甘国荣 罗 韬 朱 元 李居泽

(1.广西科技师范学院,广西来宾 546199;2.柳州欧维姆机械股份有限公司,广西柳州 545005)

装配式混凝土塔筒中空基础是一种新型的陆上风电机组基础形式,使风塔具有快捷拼装和安全耐用的特点,以其良好的技术经济性,在高度达120 m及以上的塔筒建设中获得了工程应用[1]。由于高塔的发电效率更高,因此在塔筒节段拼装后需对整个筒体结构施加预应力来增强运行期间整体结构的稳定性和使用寿命。预应力混凝土塔筒可以克服传统钢塔受结构机械性能和运输条件限制的困难,与全高钢塔相比,具有更低的重心、更高的抗弯刚度和更低的成本[2]。通过对预应力和非预应力薄壁塔筒建立模型进行对比分析,预应力混凝土塔筒可获得更佳的截面承载力[3-4],高达140 m的预应力塔筒仍能保持良好的受力性能[5]。在外部荷载作用下,设置了预应力筋的混凝土塔筒的结构受力满足正常使用极限状态条件和大柔度条件的极限承载力要求[6-7],经疲劳损伤模型测算的预应力混凝土塔筒的疲劳寿命可达50 a,可充分满足风电运营期要求[8]。

预应力索作为预制装配式混凝土塔筒体系的关键组成部分,相关研究指出,塔筒拼接节点在预应力筋作用下的最大拉压应力均能满足混凝土强度设计要求[9],预应力索的布置形式和预应力的大小对基础的抗倾覆性能和受力特征有重要影响[10],通过对大容量机组复合筒型基础预应力混凝土过渡段受力性能的分析,表明预应力筋的合理布局和加载方式可让基础结构具有更好的传力性能[11-12]。

本文主要基于体外预应力索分析研究一种最优的塔底张拉方法,以较好地保证塔筒结构和中空混凝土基础的良好受力性能,通过数值模拟手段综合比较各种张拉方案的索力波动情况及结构响应,最终确定较优的施工方案以指导现场施工。

1 分析条件及模型建立

以印度班努尔风电项目3 MW机组中空混凝土基础及预制装配式混凝土塔筒为工程原型,应用数值分析软件ADINA参照实际工程参数建立有限元模型。

混凝土塔筒设计高度约为118.6 m,塔底最大直径为8.4 m,塔顶最大直径为3.5 m;塔筒壁厚为150 mm,分成6节段预制拼装。塔筒基础为中空混凝土基础,埋深约为3.5 m,中空混凝土基础内侧专门设置了锚固预应力索的混凝土锚墩,锚墩尺寸长×宽×高为620 mm×620 mm×1 250 mm。塔筒内设置的6束预应力索沿内腔均布,钢绞线规格为φ15.7×17,设计张拉力FASL为2 950 kN。塔筒中空基础构造和有限元模型如图1所示。

a—混凝土塔筒构造;b—有限元模型。1～6为预应力索。图1 风电混凝土塔筒中空基础 mFig.1 Hollow foundation of wind power concrete tower

预应力索采用后张法施加预应力,固定端锚头螺母固定于塔筒顶部环形钢制底座上,张拉端锚具组件安装在中空基础锚墩的钢垫板上。材料参数见表1所列。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

在ADINA中用ADINA-M建模,塔筒结构中预应力的传递是直接依靠预应力索张拉应变产生的预压作用,属于体外预应力施工工艺,因此索单元选取Truss单元,通过施加预应变使索单元获得预应力,塔筒混凝土选取Concrete模型。因本模拟计算重点是关注不同张拉阶段的索力变化及塔筒结构响应,为简化计算,对中空基础底部施加全约束。整个计算模型共包含16万多个节点,8.7万多个计算单元。

2 张拉方案的选取

竖向预应力索的张拉垂直高度达到120 m,因此选择合理的张拉方案对保证张拉效率和质量相当重要。由于中空基础的空间狭窄,不能一次性投入设备和人力对全部预应力索进行同步张拉,因此设计采用2台千斤顶分3组次序,每组2根索为1批的分阶段同步对称张拉方案,如图2所示。为确定各次序索力的相互影响及下一阶段的张拉力,分别按整体倒算法、整体顺序法和单根张拉法进行受力分析。

a—钢绞线拉索;b—塔筒锚墩张拉端布置(底部向上)。图2 塔筒预应力索分布Fig.2 Distribution of prestressed cable in concrete tower

2.1 方案1：整体倒算法

考虑依次张拉所带来的索力之间的相互影响,并确保全部预应力索张拉完毕后,每对索力均与设计值一致,运用程序倒算出每对索一次张拉到位时的张拉力值。

2.2 方案2：整体顺序法

按普通后张方法,每对索均按设计索力进行张拉,每根索的张拉力相同。全部预应力索张拉完毕后,只有最后张拉的一对索力是设计值。

2.3 方案3：单根张拉法

综合考虑每对索以及每根索的钢绞线依次张拉的相互影响,并确保全部预应力索钢绞线张拉完毕后每对索力均与设计值一致,运用程序倒算出每对索每根钢绞线一次张拉到位时的张拉力值。

3 有限元分析对比

由塔筒结构尺寸参数建模分析塔筒张拉过程的受力状态和预应力索的拉力变化情况,预应力索的张拉分为3阶段进行,如表2所示。

表2 预应力索张拉分阶段情况Table 2 Tensioning steps of strand cable in detail

3.1 整体倒算法计算

考虑到三对预应力索依次张拉,受预应力索张拉前后的张拉回缩、塔筒压缩变形等因素影响,其最终索力呈降低趋势。为保证每对索最终达到一致的目标设计索力(2 950 kN),每对预应力索均需进行一定量的超张拉。由ADINA软件模拟倒推可得,1、4号预应力索的初张拉力为3 072.19 kN,2、5号预应力索的初张拉力为3 031.44 kN,3、6号预应力索的初张拉力为2 982.32 kN。

1、4号预应力索的各阶段张拉力损失值依次为41.78,50.66,32.94 kN,总损失值为125.38 kN,损失率为-4.08%;2、5号预应力索的各阶段张拉力损失值依次为50.65,32.95 kN,总损失值为83.6 kN,损失率为-2.76%;3、6号预应力索的张拉力损失值为32.94 kN,损失率为-1.1%。计算与目标设计索力(2 950 kN)的张拉情况为：1、4号预应力索的最终拉力值为2 946.81 kN,最终误差为-0.11%;2、5号预应力索的最终拉力值为2 947.84 kN,最终误差为-0.07%;3、6号预应力索的最终拉力值为2 949.38 kN,最终误差为-0.02%。

3.2 整体顺序法计算

对全部预应力索统一按目标设计索力2 950 kN为初始张拉值进行计算,结果如表4所示。

表4 整体顺序法下各阶段预应力索的张拉力Table 4 Tension force of cables in steps by order kN

1、4号预应力索的各阶段张拉力损失值依次为40.74,49.13,32.32 kN,总损失值为122.19 kN,损失率为-4.1%;2、5号预应力索的各阶段张拉力损失值依次为49.12,32.32 kN,总损失值为81.44 kN,损失率为-2.8%;3、6号预应力索的张拉力损失值为32.32 kN,损失率为-1.1%。从计算结果来看,各阶段预应力系统张拉损失率均小于-5%,故将预应力索设计索力作为初始张拉值是可以接受的。

3.3 单根张拉法计算

结合整体倒算法计算结果,再倒算出每对预应力索的每根钢绞线的初始张拉力值,其结果如表5所示。

表5 1～6号预应力索17根钢绞线的张拉力值Table 5 17 strand tension force of cable 1-6 kN

根据上述计算,各预应力索的最终张拉力值与与目标设计索力2 950 kN的张拉情况为：1、4号预应力索的最终拉力值为2 950.12 kN,最终误差为+0.04‰;2、5号预应力索的最终拉力值为2 950.29 kN,最终误差为+0.1‰;3、6号预应力索的最终拉力值为2 950.14 kN,最终误差为+0.05‰。按每根预应力索设计力为2 950 kN计算每根钢绞线的平均拉力为：2 950/17=173.53 kN。从表5可以看出,每根钢绞线的最终拉力值都在173.52～173.55 kN之间,钢绞线间的理论拉力误差小于±0.1%,各钢绞线受力均匀。

4 结果分析

研究主要关注张拉过程中塔筒结构的最大应力响应及塔底结构的应力分布2个方面。由于筒型中空基础对薄锚墩结构的锚下抗裂性能有要求,合理的预应力张拉方案应能较好地控制张拉过程中结构的应力水平,保证在每个张拉荷载步中结构应力分布均匀。因此,对于不同张拉荷载步中结构出现最大应力响应取结构中最不利截面(塔顶和塔底锚墩结构)作整体比较分析。

4.1 结构最小主应力

根据张拉方案设计,采用3个阶段的张拉荷载步,各荷载步结束时结构中产生的最小主应力如图3所示。

图3 结构最小主应力-张拉阶段曲线Fig.3 The minimum principal stress in different tensioning step

在加载过程中,由于每个阶段荷载步中同时张拉互相对称的 2根预应力索,所施加的预应力荷载作用于塔顶环形钢底座上,可近似等效为均布荷载。由于塔筒采用圆锥形,塔体横截面直径沿高度方向逐渐变小,其中以塔顶面过渡段横截面积最小,此处结构在张拉过程中压应力最大。

已知预应力索张拉控制力为Ft=2 950 kN,过渡段顶面截面积为Ad=1.716 m2,则阶段1时两根预应力索同时张拉时,过渡段产生的正压应力为：σs1=2Ft/Ad=3.438 MPa。

3对预应力索张拉完成后,过渡段产生的正压应力为：σs3=3σs1=10.315 MPa。

对比模拟计算结果为10.04 MPa,两者相差2.7%,可知模拟计算结果与理论计算结果吻合。各方案中最大压应力曲线基本重合,各阶段荷载步中压应力呈线性增长关系,压应力最大处均为过渡段顶面,结构中最大压应力的变化趋势基本保持一致,方案1～3之间无明显差异。

4.2 结构最大主应力

随着3对预应力索张拉的依次完成,结构主拉应力分布发生区域性变化。对于不同张拉方案,结构最大拉应力出现的荷载步为阶段3,最大拉应力区域主要分布在中空基础与锚墩的连接处,如表6所示。方案3产生的最大拉应力最大,为2.47 MPa,小于C50 混凝土标准抗拉强度2.64 MPa;方案2产生的最大拉应力最小,为2.39 MPa;方案1产生的最大拉应力与方案3相近。基于上述分析,基础段宜采取措施保证混凝土浇筑质量或提高强度等级。

表6 中空基础的最大主应力变化Table 6 Changes of maximum principal stress in hollow foundation

上述分析结果表明,对称同步张拉1对预应力索的张拉方法可保证混凝土结构拉压应力始终小于材料强度,在预应力索张拉时采用方案2的整体顺序法可相对降低结构中产生的拉应力,与方案3相比降幅为3.2%;而方案3与方案1的最大主应力相近,两者则应从施工便利性等其他方面进一步比选。根据最大主应力越小,方案越优的原则,故方案2的整体顺序法应优先考虑。

4.3 现场张拉

综上分析并结合现场条件(图4),现场张拉采用了方案2的整体顺序法进行施工。施工采用悬浮张拉法按1～3阶段顺序对每对索进行对称连续张拉。首先,在锚头上安装YDCL400Q张拉千斤顶,利用千斤顶自带的工具锚具装置夹持钢绞线来进行临时定位。每对锚索张拉按(0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)FASL的顺序分5级进行对称同步张拉,千斤顶转换行程时,其自带的2套工具锚具装置交替工作,避免了锚头工作夹片多次夹持钢绞线的现象,直至张拉到设计张拉力FASL=2 950 kN。测量钢绞线张拉伸长值并校核无误后,用千斤顶自带的顶压装置压紧锚头工作夹片,千斤顶缓慢卸载至预应力索锚固。

a—施工现场;b—预应力索张拉施工。图4 预应力索现场施工Fig.4 Prestressed cable tensioning on site

根据张拉实测数据,按张拉伸长值校核1～6号索的张拉损失值分别为-1.0%、-2.2%、-3.2%、-2.1%、+0.6%和-4.1%,满足±5%的误差要求,与预应力索模拟分析结果吻合。

5 结束语

1)针对风电混凝土塔筒的结构特点和安装施工要求,对预应力索的安装和张拉方法进行了摸拟分析,从中得出各对预应力索按不同的超张拉值张拉后,不同荷载步的预应力损失分别为-4.0%、-2.8%、-1.3%,预应力索力与设计张拉力基本一致。对各对预应力索按设计张拉力同步张拉后,分析得出各对索预应力损失分别为-4.1%、-2.8%和-1.2%,各方案索力损失均小于相关规范要求的-5.0%。

2)各张拉方案中结构主压应力变化趋势接近,而主拉应力的分布区域相近,峰值变化有差异,利用主拉应力峰值可筛选出较优方案。另外,应对预应力混凝土结构在张拉全过程以及最不利工况中的应力状态进行比较分析,以保障中空基础段结构的承载力。

3)采用悬浮张拉法、同步对称张拉等施工方法保障了混凝土结构应力分布的均匀性和受力稳定性,实测张拉结果与摸拟分析结果吻合,张拉力损失不大于-4.1%,有效地保证了施工进度规划和施工质量。