装配式风电钢混塔筒中预应力系统的工艺要求★

边 杰 余 洁 陈 庆

(1.华电河南新能源发电有限公司，河南 郑州 450046；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045； 3.中国船舶重工集团海装风电股份有限公司，重庆 400045)

1 概述

随着风力发电技术的快速进步，单机容量的加大，叶片尺寸的增加，人们对塔架高度的要求也在增加。风机的平均高度从最初的15 m，发展到现在的70 m，80 m，甚至达到150 m[1]。若仍然采用纯钢结构塔筒，过高的塔筒高度会导致钢结构塔筒发生折断破坏，从而使混凝土塔筒的应用逐步得到推广。鉴于目前风电塔筒的施工环境较为恶劣，导致混凝土结构的施工质量无法得到保证。因此提出了体外预应力装配式钢混塔筒结构形式，有效保证混凝土塔筒施工质量的同时能够明显提高施工效率。体外预应力装配式钢混塔筒结构下部为混凝土塔筒，上部为钢塔筒。混凝土塔筒采用工厂分片预制的管片，运输到现场后进行拼装和接缝处灌浆。为了保证混凝土管片之间的整体工作性能以及混凝土的开裂、疲劳性能[2]，采用体外后张预应力工艺对混凝土塔筒进行整体张拉，使预制混凝土塔筒在风荷载以及地震荷载的耦合荷载作用下保持良好的工作性能。

混凝土塔筒可采用4片或8片的形式进行拼装，预制混凝土管片可在原工厂加工，也可在现场搭设临时工厂进行加工。预制混凝土管片之间可采用预埋钢构件进行连接，并在接缝位置灌注环氧树脂，提高接缝处的密封性。根据吊机的吊装能力、塔身门洞高度和已有模具系统等条件确定塔筒节段分段。预应力钢筋沿塔筒内壁直线布置，在开设了门洞的位置处，应将预应力钢筋布置于门洞两侧。在侧风向荷载作用下，塔筒将产生倾覆弯矩效应，从而在塔筒底部产生弯曲效应，塔筒底部的弯曲应力最大。若采用有粘结预应力筋将会产生较大的应力增量，采用体内无粘结预应力筋则会明显削弱混凝土预制管片截面且施工复杂，因此采用体外预应力筋能够有效提高施工效率，塔筒底部产生的应变增量可以在预应力钢筋的全长进行分布，有效降低应力变化幅度，提高预应力钢筋和锚具的耐疲劳性能，同时保证混凝土预制管片的施工质量。沿塔筒的高度均匀布置锚具以固定预应力钢筋，防止在风荷载作用下导致预应力钢筋发生振动导致预应力损失。混凝土塔筒安装完毕后，在其上部放置钢塔筒后进行预应力筋钢绞线的张拉工作。为保证夹片中心线与预应力钢筋平行，采用特质风电专用锚具。由于塔筒高度较高，且塔筒内部张拉空间有限，因此采用预应力钢筋底部张拉。塔筒底部采用空心基础便于预应力钢筋的锚固与张拉。每根钢绞线采用20%的张拉控制应力进行预紧后开始整体张拉。为了均匀施加预压应力，避免偏心引起的短暂拉应力效果，采用对称、循环的方式进行张拉。

基于《混凝土结构设计规范》[3]中关于预应力系统的相关规定，本文针对体外后张预应力装配式风电钢混塔筒的预应力系统，从选材、技术要求以及施工等方面进行了详细的介绍，为工程应用提供一定的参考价值。

2 钢绞线

非成品索内的钢束材料一般采用钢绞线束，其强度级别宜不低于1 860 MPa，并符合下列规定：

采用无粘结钢绞线，无粘结钢绞线中PE层厚度应不小于1.5 mm，防腐油脂重量应在15 g～30 g之间，其余要求应符合JG/T 161[4]的规定；无粘结钢绞线束中的钢绞线可采用光面钢绞线、热镀锌钢绞线、环氧涂覆钢绞线，热镀锌钢绞线应符合YB/T 152[5]的规定，环氧涂覆钢绞线应符合GB/T 25823[6]的规定。

非成品索外护套采用高密度聚乙烯(简称HDPE管)，外护套应具有足够的强度和韧性、在加工和安装过程中不被损坏，需灌注填充料的外护套应能承受不小于1 MPa的填充料灌注工作压力。同时外护套需具有防水性和化学稳定性，对钢束材料无不良影响。风电塔筒的作业环境较为恶劣，因此外护套还应具有耐腐蚀性，与防腐材料无不良反应。

对需灌注填充料的HDPE护套，其最小壁厚应不小于D/17(D为外护套直径)，而对于不灌注填充料的HDPE外护套，其最小壁厚应不小于D/32，且不小于4 mm，HDPE材料应符合CJ/T 29[7]的规定。成品索应由无粘结钢绞线束热挤HDPE护套组成。成品索的技术要求可参考GB/T 18365[8]的规定。

3 锚具

体外预应力锚具的性能应符合国家现行标准GB/T 14370预应力筋用锚具、夹具和连接器[9]、JGJ 85预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程[10]和JGJ 92无粘结预应力混凝土结构技术规程[11]的规定。

4 索体减振装置

索体的减振装置应由定位部件和隔振材料组成(见图1)。非成品索应在对应位置的钢束和外护套之间设置隔振材料。减振装置的设置不应对体外索造成不利影响。

减振装置应具有对周围环境(如温度等)相对不敏感的特性，定位部件应采用刚度较大的钢材等材料，隔振材料宜采用聚氯丁烯橡胶。除此之外还应有适当的防腐措施，应为便于维护的可重复拆装式，所有可换部件应装卸方便。

5 附件

体外索附件包括密封装置和接头。密封装置是保证锚固段密封性能的装置。接头是锚固段与外护套之间的连接装置，接头的连接方式宜采用焊接或套管连接，连接处的强度应不低于整根外护套的屈服强度。接头可采用HDPE管，材料应符合CJ/T 297[12]的规定。

6 技术要求

体外索组件应具备对体外索索力和防腐保护的可检测性和监控性。体外索组件的设计应符合索体整束或单根钢束可更换的规定。

在正常施工情况下，锚具应能在结构上准确定位、有效传递预加力和承受可能出现的作用；在正常使用和维护的情况下，锚具应能在设计使用年限内保持良好的性能，满足设计寿命和使用寿命均在20年以上(陆上机组20年以上)。

减振装置设计时应充分考虑可更换和可调节等要求，应有防止侧向与结构共振的措施。体外索组件应满足防腐保护性能、锚具锚固性能、锚下载荷传递性能、体外索组件疲劳性能、体外索可更换性以及锚固段的密封性。无粘结钢绞线与外护套之间的摩擦系数μ取0.08～0.1(或根据结构设计方要求进行摩擦系数试验确定)。

7 检验规则

体外索产品的检验分为型式检验、出厂检验及进场检验三类。出厂检验为生产单位在每批产品出厂前进行的厂内产品质量控制性检验。进场检验为体外索产品到工地后，由业主或监理等单位抽取一定数量的产品进行的质量检测性试验。对一些特殊工程，业主委派质量工程师驻厂监督产品的生产质量，则出厂检验报告可以代表进场检验。

8 质量检验

预应力钢绞线张拉锚固后，实际建立的预应力值与设计规定检验值的相对偏差不应超过±5%，张拉力、张拉顺序及张拉工艺应符合设计及施工方案的要求；采用应力控制方法张拉时，控制张拉力下预应力钢绞线伸长实测值与计算值的相对偏差不应超过6%。钢绞线出现断裂或滑脱的数量严禁超过同一截面钢绞线总根数的3%，且每根断裂的钢绞线断丝不应超过一丝。锚固阶段应检验张拉端预应力钢绞线的内缩量。张拉端预应力钢绞线的内缩量应符合设计要求，当设计无具体要求时，应符合表1的规定。锚具的封闭保护措施应符合设计要求，当设计无要求时，外露锚具和预应力钢绞线的混凝土保护层厚度不小于：一类环境时20 mm，二类、三类环境时50 mm。

表1 张拉端预应力钢绞线的内缩量限值

9 标志、包装、运输及存储

1)标志。产品应在显著位置标明产品型号和产品批号。

2)包装。锚具出厂时应采用木箱包装，并应符合JB/ T 5000.13[13]的有关规定。包装箱内应附有产品合格证、装箱单。产品合格证内容包括：规格型号、名称、出厂日期、质量合格签章、厂名、厂址。

无粘结预应力钢绞线应卷盘包装，卷盘内径不应小于800 mm，每盘无粘结预应力钢绞线应捆扎结实，捆扎不得少于6道(经协议，可加防潮纸或麻布等材料包装)；成品索应卷盘包装，卷盘内径一般不小于20倍拉索外径，且不小于1 600 mm，最大外形尺寸应满足相应的运输条件。

单根外护套用塑料薄膜缠绕保护，批量外护套用编织袋包装、非金属绳捆扎牢固，或用木架固定两头捆扎，或按供需双方商定要求进行，每包装单位中应有合格证。

3)运输与储存。在运输和装卸过程中，应小心操作，防止碰伤，不得受到划伤、抛甩、剧烈的撞击及油污和化学品等污染。产品宜贮存在库房中，露天贮存宜加遮盖，避免锈蚀、沾污、遭受机械损伤和散失。外护套的贮存应远离热源、温度不超过40 ℃，堆放场地应平整，水平整齐堆放，堆放高度不超过2 m。

10 下料及制作

体外索施工前，应根据工程结构设计要求、现场和环境条件进行施工流程设计，并由专业施工单位进场施工。施工前应检查原材料和施工设备的主要技术性能是否符合设计要求。

体外索下料前，应将钢绞线表面的油污、锈斑清除；钢束应采用切割机切断；采用无粘结预应力钢绞线时，应采取措施防止防腐油脂从端头溢出；下料制作过程中应避免护套的机械损伤；下料制作区和工地焊接操作区应与体外索组件存放区隔离。

11 安装与张拉

体外索安装前应检查索体的加工质量，确保满足设计要求；在穿索过程中应防止外护套受到机械损伤；索体安装时，应防止扭压、弯曲损坏且进行防腐保护构造；锚具组件、连管、导管及转向器的安装定位，与设计参照点空间三个坐标的误差均应小于10 mm，与设计参照点的角度误差应小于1°；成品索或无粘结钢绞线束两端的PE剥除长度应精确计算，并确保张拉后剥除PE段的钢束位于防腐设计要求的合理位置；需要多次张拉的钢束，应预留再次张拉的工作长度；外护套的连接宜采用焊接或管套连接方式，连接处的强度应不低于整根外护套的屈服强度。

钢束张拉前应对张拉设备进行标定；钢束的张拉控制应力不宜超过70%fptk(预应力筋抗拉强度标准值)，并应符合设计要求；钢束张拉过程中应尽量保证结构对称均匀受力；长度大于100 m的超长钢束应采取措施防止反复张拉导致夹片锚固效率降低或失效，确保工作锚在张拉完成后一次锚固；钢束张拉应实施双控(应力控制和伸长量控制)；钢束张拉过程应进行现场监测，钢束张拉力监测传感器的测量精度，应小于张拉控制力的2%。

12 施工验收

体外索组件施工验收应提交原材料质量合格证，产品出厂合格证，产品进场抽检试验报告，填充料检验报告，体外索组件安装质量验收资料；钢束张拉记录及质量验收报告；防腐工程检查验收记录。

施工验收时，尚应提供钢束拉力测点布置图；钢束拉力测量原始记录。

当提供的资料、报告和外观抽查结果均符合GB 50204[14]和本标准的要求时，即可进行验收。

13 检查与监测

应在设计阶段制定监测计划，由业主委托有资质的监测单位编制监测方案，并在施工阶段和结构运营期对体外索组件定期进行检查和监测。检查和监测一般在结构施工结束时进行初步检查；结构运营期一定时间间隔内进行常规检查、专项检查以及监测。

检查记录应包括检查日期、检查人员、检查和监测过程中收集的资料信息以及观察和图片文档等。结构竣工后，应严格按照设计条件和运行要求进行管理和维护，体外索锚具、防腐保护系统和监测系统应严加保护。并且应事先制定应急处理方案，根据监测结果及时采取修补或补张措施。

14 结语

装配式风电钢混塔筒采用体外后张预应力对预制混凝土管片进行张拉，有效提高了混凝土塔筒的整体工作性能以及风荷载作用下的疲劳性能，并防止风电塔筒底部受拉区的混凝土过早发生开裂破坏，保证混凝土塔筒的耐久性。本文针对体外后张预应力装配式风电钢混塔筒的预应力系统，从材料、装置、技术以及施工工艺等方面进行详细的介绍，为工程的实际施工提供一定的参考价值。