装配式混凝土风电塔灌浆保温养护技术应用分析

孙立春 张传宗 王斌

(1.郑州市建筑设计院 450052; 2.河南省建筑科学研究院有限公司 郑州450053)

引言

近年来, 我国风电建设逐渐向平原低风速地区发展, 风机轮毂中心线高度不断增加。随着混凝土分片预制和现场灌浆技术的成熟, 在新一轮风机发展中, 装配式混凝土风电塔因刚度大、稳定性好等优势, 逐渐成为120m 以上风机的首选。

风电安装普遍工期较紧, 为满足工期要求,需要冬季施工, 然而混凝土灌浆保温养护一直是制约冬季施工最主要的因素, 连接部位是否养护到位将影响塔筒的强度、耐久性和可靠性。本文针对装配式混凝土风电塔构造特点及灌浆保温技术要求, 对比分析多种养护方式, 最终确定了电伴热养护方案; 通过在工程中的实际应用, 证明该养护技术可有效控制保温区温度, 保证养护质量, 可为同类工程提供参考和借鉴。

1 装配式混凝土风电塔冬季施工保温养护

装配式混凝土风电塔冬季灌浆施工的技术要求为: 当环境温度或与灌浆料相接触的构筑物温度低于3℃, 或是在灌浆料施工完成后48h 内环境温度或灌浆料相接触构筑物温度低于3℃都归属于低温施工范畴, 如果必须进行灌浆施工, 需在施工及完成后48h 内保持灌浆料温度和灌浆相接触构筑物温度高于4℃; 在保温养护期间, 灌浆区的内部和表层温差宜在20℃以内[1]。

风电混凝土基础环向缝冬季灌浆保温养护一般采用电热毯加保温覆盖的方式(图1), 但装配式混凝土风电塔的环向缝处于高空位置, 电热毯固定及拆除困难, 而纵向缝高耸狭长, 分布于体积庞大的塔筒上, 电热毯根本无法布置, 针对这些实际问题, 经过分析比较, 将电伴热引入装配式混凝土风电塔的灌浆保温养护中。

图1 风机基础灌浆保温养护Fig.1 Heat preservation of the wind generator base grouting

电伴热养护技术是利用电热补偿原理, 在灌浆区预埋电伴热线路, 灌浆后电伴热带持续供热, 以达到保温养护效果。电伴热带呈扁平状,布置简单, 发热均匀, 可控性较好; 能量传输无泄漏, 环保效果和安全防护较好; 热效率高, 节约能源; 自限式电伴热带可自动调节功率输出,使灌浆区养护温度始终保持在一定范围内, 且可由智能温控器定点控制, 以保证养护温度稳定[2]。

2 电伴热在装配式风电工程中的应用

2.1 工程概况

以河南某风电工程的装配式混凝土塔为例,风电塔筒下部5 段为分片式混凝土结构,上部2 段为钢制结构, 安装后高度120m(图2)。

图2 装配式风电混凝土塔安装Fig.2 The installation of prefabricated concrete tower

下部5 段装配式混凝土塔, 每段高度15m, 拼装后最大截面尺寸为7.5m ×7.5m,分成8 片在工厂内预制, 运输到工地后进行组对、灌浆, 因此每段塔筒均有8 条纵向灌浆缝(图3), 灌浆缝高耸狭长, 截面尺寸为110m×220mm(图4)。

图3 装配式混凝土塔纵向灌浆缝Fig.3 The longitudinal grouting seam of prefabricated concrete tower

图4 混凝土塔纵缝截面Fig.4 The section of longitudinal grouting seam

该工程施工地点位于河南省北部, 施工期在最寒冷的1月, 当地气温-6℃～2℃。在混凝土灌浆施工中, 环境温度对灌浆养护质量影响很大, 当温度降到0℃以下时, 灌浆料中的液相水变为固态, 水泥的水化作用趋于停止, 且水结为冰后体积膨胀, 导致灌浆料内部结构出现破坏,影响灌浆强度。灌浆料中含水量较大, 灌浆施工如在冬季寒冷环境下进行很容易出现冰冻现象,导致灌浆缝出现冻裂等情况, 因此该项目必须按照灌浆施工的技术要求进行保温养护。保温养护需要控制养护温度和灌浆区温差, 适宜的温度可保证水化作用正常进行, 而加热温度过高不仅浪费能源, 且容易造成内外温差加大, 形成裂缝,产生质量、安全等一系列问题[3]。

为保证装配式混凝土风电塔冬季施工的顺利进行, 采用低温型自限温电伴热方式保温养护,通过有限元瞬态温度场分析, 选取电伴热规格和功率, 制定保温养护方案, 同时设计了灌浆区温度自动控制系统, 通过远程温控平台在手机端随时监控灌浆区温度, 做到灌浆温度的精准控制,确保施工质量。

2.2 灌浆区瞬态温度场分析

早期灌浆料内部加热保温的温度场分布随龄期的变化情况属于瞬态温度场, 因此通过有限元瞬态温度场来设计灌浆区伴热带的功率、数量与布置。该项目中纵向灌浆缝高耸狭长, 保温养护难度最大, 本文将以纵向缝的保温养护为例进行说明。首先建立纵向缝灌浆区的有限元模型, 对各构件赋属性, 然后设置边界条件, 纵向缝灌浆区截面如图5 所示。

图5 纵向缝灌浆区测温点Fig.5 The measuring points in longitudinal grouting seam region

经过计算调整, 该项目条件下采用2 条25W/m 自限热伴热带对角布置(图5)能够满足养护要求; 通过灌浆区连接强度计算, 伴热带截面尺寸对纵向灌浆缝结构强度影响可以忽略不计。灌浆后48h, 电伴热保温的灌浆区瞬态温度场如图6 所示, 两个红色圆点是伴热带位置, 温度场由伴热带位置向周围扩散。由图6 可知, 对角布置的伴热带温度场能够覆盖整个灌浆区域, 拾取灌浆边缘区域各点温度, 最低温度为5.8687℃,即整个灌浆区的温度均能保持在5℃以上。

图6 灌浆区边缘温度(单位:℃)Fig.6 The temperature of grouting edge (unit: ℃)

为直观展示灌浆区关键点在灌浆后48h 的温度变化情况, 计算中提取了A、B、C、D 点(图5 所示)的温度数据, A、B 两点距离伴热带距离最远, 代表灌浆区的边缘温度; C、D 为伴热带位置, 代表伴热带的温度。

通过有限元瞬态温度场计算可得图7, 该图为灌浆区中A、B、C、D 四点在灌浆后48h 的温度变化曲线, 从图中可以看出, 伴热带C、D 点温度在15℃～17℃范围内波动, 最终稳定在15℃左右; 灌浆区边缘的A、B 点温度在4.8℃～7.5℃之间波动, 可见整个灌浆区温度在48h内能够达到4.8℃以上, 内外温差在10℃左右,满足冬季灌浆保温条件, 即该方案有限元计算能够满足设计要求。

图7 A、B、C、D 四点48h 温度曲线Fig.7 The 48 hours temperature curve of A, B, C, D point

2.3 电伴热保温技术方案实施

依据有限元瞬态温度场计算结果制定现场灌浆实施方案, 在塔筒组对之前, 将2 条15m 伴热带绑扎在灌浆区的钢筋上(图8), 并参考文献[4]的做法, 在灌浆区的四个关键位置(图5 中A、B、C、D 四点位置)设置4 组温度传感器,在塔筒外部设置一组环境温度传感器, 所有传感器监测的温度信号先传输到本地监控器, 然后通过温控平台上传至云服务器, 技术人员可以通过手机端24h 在线远程调取温度数据, 确保保温养护效果的精准控制。风电安装施工为野外作业,无可用外接电源接入, 配备了柴油发电机作为施工电源, 并设置了相应的漏电保护装置, 保证用电安全。

图8 电伴热带安装Fig.8 The installation of electric tracing

2.4 灌浆保温实时监测数据分析

2#塔筒灌浆后48h 的环境条件与有限元温度场计算的预设环境条件吻合度较高, 因此将该塔筒灌浆的监测数据作为分析对象。从远程温控系统中提取2#塔筒某条灌浆缝A、B、C、D 测温点灌浆后48h 的传感器监测数据曲线(图9), 最下方黄色曲线为环境温度, 曲线A、B 为灌浆区边缘位置的实测温度变化, 曲线C、D 为电伴热带位置实测温度。由图9 可知, 环境温度在-2℃～5℃之间波动, 伴热带位置温度在8℃～18℃之间波动, 灌浆区边缘位置温度在5℃～8℃间变化, 最终稳定在8℃左右, 灌浆区内外温差在10℃左右。

图9 各点传感器实测温度Fig.9 The actual temperature from sensors

通过有限元温度场计算和温度传感器实时监测数据对比可知, 监测点A、B、C、D 各点的温度曲线在起始阶段由于电伴热带的温度场尚未充分建立, 造成有限元计算和实际监测数据差别较大, 进入稳定状态后, 各点曲线基本吻合, 充分验证了有限元温度场对灌浆区进行保温场仿真的有效性, 为灌浆保温的有限元温度场方案设计积累了经验。

3 结语

针对装配式大体积混凝土构件在狭长高耸空间内冬季灌浆保温养护难题, 采用有限元瞬态温度场分析法制定了自限温电伴热方案, 并通过在灌浆区关键点预埋温度传感器, 实时精准监控保温数据, 有效保证了灌浆区的强度发展, 确保了施工质量。该方案在河南某风电安装工程上进行了成功应用, 通过温度传感器的实测数据可知, 灌浆区的养护温度始终处于预定范围, 充分证明了电伴热方案的可行性和有限元计算的可靠性。该方案的成功实施, 可为类似装配式大体积混凝土构件的冬季灌浆施工提供参考和借鉴。