孫立春 張傳宗 王斌

(1.鄭州市建筑設計院 450052; 2.河南省建筑科學研究院有限公司 鄭州450053)

引言

近年來, 我國風電建設逐漸向平原低風速地區(qū)發(fā)展, 風機輪轂中心線高度不斷增加。隨著混凝土分片預制和現(xiàn)場灌漿技術的成熟, 在新一輪風機發(fā)展中, 裝配式混凝土風電塔因剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢, 逐漸成為120m 以上風機的首選。

風電安裝普遍工期較緊, 為滿足工期要求,需要冬季施工, 然而混凝土灌漿保溫養(yǎng)護一直是制約冬季施工最主要的因素, 連接部位是否養(yǎng)護到位將影響塔筒的強度、耐久性和可靠性。本文針對裝配式混凝土風電塔構造特點及灌漿保溫技術要求, 對比分析多種養(yǎng)護方式, 最終確定了電伴熱養(yǎng)護方案; 通過在工程中的實際應用, 證明該養(yǎng)護技術可有效控制保溫區(qū)溫度, 保證養(yǎng)護質量, 可為同類工程提供參考和借鑒。

1 裝配式混凝土風電塔冬季施工保溫養(yǎng)護

裝配式混凝土風電塔冬季灌漿施工的技術要求為: 當環(huán)境溫度或與灌漿料相接觸的構筑物溫度低于3℃, 或是在灌漿料施工完成后48h 內環(huán)境溫度或灌漿料相接觸構筑物溫度低于3℃都歸屬于低溫施工范疇, 如果必須進行灌漿施工, 需在施工及完成后48h 內保持灌漿料溫度和灌漿相接觸構筑物溫度高于4℃; 在保溫養(yǎng)護期間, 灌漿區(qū)的內部和表層溫差宜在20℃以內[1]。

風電混凝土基礎環(huán)向縫冬季灌漿保溫養(yǎng)護一般采用電熱毯加保溫覆蓋的方式(圖1), 但裝配式混凝土風電塔的環(huán)向縫處于高空位置, 電熱毯固定及拆除困難, 而縱向縫高聳狹長, 分布于體積龐大的塔筒上, 電熱毯根本無法布置, 針對這些實際問題, 經(jīng)過分析比較, 將電伴熱引入裝配式混凝土風電塔的灌漿保溫養(yǎng)護中。

圖1 風機基礎灌漿保溫養(yǎng)護Fig.1 Heat preservation of the wind generator base grouting

電伴熱養(yǎng)護技術是利用電熱補償原理, 在灌漿區(qū)預埋電伴熱線路, 灌漿后電伴熱帶持續(xù)供熱, 以達到保溫養(yǎng)護效果。電伴熱帶呈扁平狀,布置簡單, 發(fā)熱均勻, 可控性較好; 能量傳輸無泄漏, 環(huán)保效果和安全防護較好; 熱效率高, 節(jié)約能源; 自限式電伴熱帶可自動調節(jié)功率輸出,使灌漿區(qū)養(yǎng)護溫度始終保持在一定范圍內, 且可由智能溫控器定點控制, 以保證養(yǎng)護溫度穩(wěn)定[2]。

2 電伴熱在裝配式風電工程中的應用

2.1 工程概況

以河南某風電工程的裝配式混凝土塔為例,風電塔筒下部5 段為分片式混凝土結構,上部2 段為鋼制結構, 安裝后高度120m(圖2)。

圖2 裝配式風電混凝土塔安裝Fig.2 The installation of prefabricated concrete tower

下部5 段裝配式混凝土塔, 每段高度15m, 拼裝后最大截面尺寸為7.5m ×7.5m,分成8 片在工廠內預制, 運輸?shù)焦さ睾筮M行組對、灌漿, 因此每段塔筒均有8 條縱向灌漿縫(圖3), 灌漿縫高聳狹長, 截面尺寸為110m×220mm(圖4)。

圖3 裝配式混凝土塔縱向灌漿縫Fig.3 The longitudinal grouting seam of prefabricated concrete tower

圖4 混凝土塔縱縫截面Fig.4 The section of longitudinal grouting seam

該工程施工地點位于河南省北部, 施工期在最寒冷的1月, 當?shù)貧鉁?6℃～2℃。在混凝土灌漿施工中, 環(huán)境溫度對灌漿養(yǎng)護質量影響很大, 當溫度降到0℃以下時, 灌漿料中的液相水變?yōu)楣虘B(tài), 水泥的水化作用趨于停止, 且水結為冰后體積膨脹, 導致灌漿料內部結構出現(xiàn)破壞,影響灌漿強度。灌漿料中含水量較大, 灌漿施工如在冬季寒冷環(huán)境下進行很容易出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象,導致灌漿縫出現(xiàn)凍裂等情況, 因此該項目必須按照灌漿施工的技術要求進行保溫養(yǎng)護。保溫養(yǎng)護需要控制養(yǎng)護溫度和灌漿區(qū)溫差, 適宜的溫度可保證水化作用正常進行, 而加熱溫度過高不僅浪費能源, 且容易造成內外溫差加大, 形成裂縫,產(chǎn)生質量、安全等一系列問題[3]。

為保證裝配式混凝土風電塔冬季施工的順利進行, 采用低溫型自限溫電伴熱方式保溫養(yǎng)護,通過有限元瞬態(tài)溫度場分析, 選取電伴熱規(guī)格和功率, 制定保溫養(yǎng)護方案, 同時設計了灌漿區(qū)溫度自動控制系統(tǒng), 通過遠程溫控平臺在手機端隨時監(jiān)控灌漿區(qū)溫度, 做到灌漿溫度的精準控制,確保施工質量。

2.2 灌漿區(qū)瞬態(tài)溫度場分析

早期灌漿料內部加熱保溫的溫度場分布隨齡期的變化情況屬于瞬態(tài)溫度場, 因此通過有限元瞬態(tài)溫度場來設計灌漿區(qū)伴熱帶的功率、數(shù)量與布置。該項目中縱向灌漿縫高聳狹長, 保溫養(yǎng)護難度最大, 本文將以縱向縫的保溫養(yǎng)護為例進行說明。首先建立縱向縫灌漿區(qū)的有限元模型, 對各構件賦屬性, 然后設置邊界條件, 縱向縫灌漿區(qū)截面如圖5 所示。

圖5 縱向縫灌漿區(qū)測溫點Fig.5 The measuring points in longitudinal grouting seam region

經(jīng)過計算調整, 該項目條件下采用2 條25W/m 自限熱伴熱帶對角布置(圖5)能夠滿足養(yǎng)護要求; 通過灌漿區(qū)連接強度計算, 伴熱帶截面尺寸對縱向灌漿縫結構強度影響可以忽略不計。灌漿后48h, 電伴熱保溫的灌漿區(qū)瞬態(tài)溫度場如圖6 所示, 兩個紅色圓點是伴熱帶位置, 溫度場由伴熱帶位置向周圍擴散。由圖6 可知, 對角布置的伴熱帶溫度場能夠覆蓋整個灌漿區(qū)域, 拾取灌漿邊緣區(qū)域各點溫度, 最低溫度為5.8687℃,即整個灌漿區(qū)的溫度均能保持在5℃以上。

圖6 灌漿區(qū)邊緣溫度(單位:℃)Fig.6 The temperature of grouting edge (unit: ℃)

為直觀展示灌漿區(qū)關鍵點在灌漿后48h 的溫度變化情況, 計算中提取了A、B、C、D 點(圖5 所示)的溫度數(shù)據(jù), A、B 兩點距離伴熱帶距離最遠, 代表灌漿區(qū)的邊緣溫度; C、D 為伴熱帶位置, 代表伴熱帶的溫度。

通過有限元瞬態(tài)溫度場計算可得圖7, 該圖為灌漿區(qū)中A、B、C、D 四點在灌漿后48h 的溫度變化曲線, 從圖中可以看出, 伴熱帶C、D 點溫度在15℃～17℃范圍內波動, 最終穩(wěn)定在15℃左右; 灌漿區(qū)邊緣的A、B 點溫度在4.8℃～7.5℃之間波動, 可見整個灌漿區(qū)溫度在48h內能夠達到4.8℃以上, 內外溫差在10℃左右,滿足冬季灌漿保溫條件, 即該方案有限元計算能夠滿足設計要求。

圖7 A、B、C、D 四點48h 溫度曲線Fig.7 The 48 hours temperature curve of A, B, C, D point

2.3 電伴熱保溫技術方案實施

依據(jù)有限元瞬態(tài)溫度場計算結果制定現(xiàn)場灌漿實施方案, 在塔筒組對之前, 將2 條15m 伴熱帶綁扎在灌漿區(qū)的鋼筋上(圖8), 并參考文獻[4]的做法, 在灌漿區(qū)的四個關鍵位置(圖5 中A、B、C、D 四點位置)設置4 組溫度傳感器,在塔筒外部設置一組環(huán)境溫度傳感器, 所有傳感器監(jiān)測的溫度信號先傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控器, 然后通過溫控平臺上傳至云服務器, 技術人員可以通過手機端24h 在線遠程調取溫度數(shù)據(jù), 確保保溫養(yǎng)護效果的精準控制。風電安裝施工為野外作業(yè),無可用外接電源接入, 配備了柴油發(fā)電機作為施工電源, 并設置了相應的漏電保護裝置, 保證用電安全。

圖8 電伴熱帶安裝Fig.8 The installation of electric tracing

2.4 灌漿保溫實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2#塔筒灌漿后48h 的環(huán)境條件與有限元溫度場計算的預設環(huán)境條件吻合度較高, 因此將該塔筒灌漿的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析對象。從遠程溫控系統(tǒng)中提取2#塔筒某條灌漿縫A、B、C、D 測溫點灌漿后48h 的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線(圖9), 最下方黃色曲線為環(huán)境溫度, 曲線A、B 為灌漿區(qū)邊緣位置的實測溫度變化, 曲線C、D 為電伴熱帶位置實測溫度。由圖9 可知, 環(huán)境溫度在-2℃～5℃之間波動, 伴熱帶位置溫度在8℃～18℃之間波動, 灌漿區(qū)邊緣位置溫度在5℃～8℃間變化, 最終穩(wěn)定在8℃左右, 灌漿區(qū)內外溫差在10℃左右。

圖9 各點傳感器實測溫度Fig.9 The actual temperature from sensors

通過有限元溫度場計算和溫度傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可知, 監(jiān)測點A、B、C、D 各點的溫度曲線在起始階段由于電伴熱帶的溫度場尚未充分建立, 造成有限元計算和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)差別較大, 進入穩(wěn)定狀態(tài)后, 各點曲線基本吻合, 充分驗證了有限元溫度場對灌漿區(qū)進行保溫場仿真的有效性, 為灌漿保溫的有限元溫度場方案設計積累了經(jīng)驗。

3 結語

針對裝配式大體積混凝土構件在狹長高聳空間內冬季灌漿保溫養(yǎng)護難題, 采用有限元瞬態(tài)溫度場分析法制定了自限溫電伴熱方案, 并通過在灌漿區(qū)關鍵點預埋溫度傳感器, 實時精準監(jiān)控保溫數(shù)據(jù), 有效保證了灌漿區(qū)的強度發(fā)展, 確保了施工質量。該方案在河南某風電安裝工程上進行了成功應用, 通過溫度傳感器的實測數(shù)據(jù)可知, 灌漿區(qū)的養(yǎng)護溫度始終處于預定范圍, 充分證明了電伴熱方案的可行性和有限元計算的可靠性。該方案的成功實施, 可為類似裝配式大體積混凝土構件的冬季灌漿施工提供參考和借鑒。