摘要：近年來，國家大力發(fā)展風力發(fā)電工程，超高型塔筒能充分利用風能資源，提升整機發(fā)電量，因此成為主要的風力發(fā)電建造形式。豎向預應力系統(tǒng)作為加強塔筒結(jié)構(gòu)整體剛度、穩(wěn)定性、耐疲勞性的重要構(gòu)件，其構(gòu)造形式和施工方法近年來不斷地得到改進和完善。文章以數(shù)個風電塔筒豎向體外預應力系統(tǒng)安裝工程實踐為例，針對施工中遇到的制索、吊裝、扭轉(zhuǎn)、張拉、折角、換索等技術(shù)難題，介紹其應用工況，分析難題的成因，并且提出了針對性的解決方案。該研究對同類工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：超高風電塔筒；豎向體外預應力；施工難題；解決方案

中圖分類號：TM6"""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）01-0102-04

【作者簡介】韋潔，男，陜西蒲城人，工程師，研究方向：預應力技術(shù)的研發(fā)及施工；彭莎，女，湖南婁底人，助理工程師，研究方向：預應力技術(shù)開發(fā)及技術(shù)管理；韋妮采，女，廣西柳州人，工程師，研究方向：工程造價及管理。

【引用本文】韋潔，彭莎，韋妮采.超高風電塔筒豎向體外預應力施工難題及解決方案研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（1）：102-105.

0 引言

風力發(fā)電是一種利用風能轉(zhuǎn)化為電能的可再生能源技術(shù)，我國的風能資源豐富且相對集中，因此大力發(fā)展風力發(fā)電符合國家《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》的總體路線。隨著風電塔筒建造技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，超高型塔筒能充分利用風能資源、提升整機發(fā)電量、降低建設(shè)維護成本，因此成為主要的風力發(fā)電建造形式。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)塔筒具有穩(wěn)定性高、耐久性強、經(jīng)濟性能好等諸多優(yōu)點，成為目前超高風電塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向。行業(yè)內(nèi)最新設(shè)計的風電鋼混塔筒的總體高度已達到180 m，其中預應力混凝土基礎(chǔ)段的高度可達到140 m。結(jié)構(gòu)體系的升級離不開施工技術(shù)的支持，在針對超高型塔筒的研究中，黃漢斌等［1］以新疆哈密某風電場項目120 m高的混凝土塔筒為研究對象，對塔筒體內(nèi)預應力施工安裝及監(jiān)測技術(shù)進行專項設(shè)計，為類似工程提供了可借鑒的施工經(jīng)驗；許千壽［2］結(jié)合深能高郵東部風電場項目140 m鋼-混凝土混合風力發(fā)電塔筒的預應力混凝土的結(jié)構(gòu)特點，分析預制混凝土塔筒拼裝方法與其預應力工程施工過程中的關(guān)鍵點和難點，總結(jié)保持塔筒預應力效應的工藝措施；邊杰等［3］基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，介紹裝配式風電鋼混塔筒中預應力系統(tǒng)的工藝要求，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上提出體外預應力系統(tǒng)應用于鋼混塔筒結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性，認為采用體外預應力筋能提高施工效率，降低應力變化幅度，提高預應力筋和錨具的耐疲勞性能，同時能保證混凝土預制管片的施工質(zhì)量；李海民［4］以江蘇揚州寶應柳堡鎮(zhèn)的風電場項目為例，介紹目前風電塔體外索預應力的常規(guī)施工技術(shù)。本文結(jié)合前人的研究，從工程實踐出發(fā)，針對基礎(chǔ)段塔筒的體外預應力系統(tǒng)安裝施工中的技術(shù)難題進行分析，提出一些新的解決方案，并指出風電塔筒預應力技術(shù)未來的發(fā)展方向，可為后續(xù)同類型工程的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計及施工提供參考。

1 超高風電塔筒豎向體外預應力的特點

1.1 體外預應力系統(tǒng)構(gòu)造

風電塔筒體外預應力系統(tǒng)主要由無黏結(jié)護套鋼絞線、群錨錨具和保護罩等附屬構(gòu)件組成，其安裝的主要施工工序為“制索—吊裝—張拉—防護”?？紤]到施工的便利性，通常將塔筒上端設(shè)計為固定端，錨固于鋼混轉(zhuǎn)接段內(nèi)腔，塔筒上端錨固構(gòu)造圖如圖1所示；下端為張拉端，錨固于基礎(chǔ)承臺內(nèi)腔，塔筒下端錨固構(gòu)造圖如圖2所示。

1.2 構(gòu)造特點

塔筒超高的結(jié)構(gòu)特點決定了其豎向體外預應力系統(tǒng)具有超長和有限空間的特點，超長造成吊裝噸位大、路徑長的施工難點，而有限空間導致了施工設(shè)備布置與安裝困難、人員操作困難。此外，預應力束由單根護套鋼絞線編束制作而成，在制作、轉(zhuǎn)運、吊裝過程中易損傷鋼絞線的護套，從而影響預應力束的耐久性，尤其是風電塔筒在運營過程中一直處于振動狀態(tài)，會加速預應力束的損壞。因此，如何保證預應力束的安裝質(zhì)量是施工人員需要解決的關(guān)鍵問題。

2 施工難題及解決方案

2.1 制索難題

2.1.1 難點分析

鋼絞線原材料出廠時均按照規(guī)范要求的尺寸和重量整盤發(fā)出，到達現(xiàn)場后需要施工單位進行“斷料—編束—再成盤”的制索過程。因為施工現(xiàn)場條件有限，所以在制索過程中無黏結(jié)鋼絞線的護套容易被污染或損傷，而且制作好的預應力束再成盤需要人工操作并動用卷盤機、汽車吊等大型機具，施工和人力成本較高。

2.1.2 解決方案

盡量采取“材料+施工”的系統(tǒng)性承包服務模式，保證主材的質(zhì)量；推廣采用工廠化制索方式，即在工廠內(nèi)建立標準化的下料制索生產(chǎn)線，根據(jù)具體的項目要求，在工廠內(nèi)完成無黏結(jié)鋼絞線的下料、制索、成盤后，再發(fā)往施工現(xiàn)場，從而保證主材質(zhì)量，并且可以實現(xiàn)統(tǒng)籌選料，達到減少尾料、節(jié)省材料費的目的。

2.2 吊裝難題

2.2.1 難點分析

體外預應力束的長度可達到150 m，需要豎直起吊，起吊路徑長、噸位大。目前，行業(yè)內(nèi)多采用懸臂吊機置于塔頂?shù)姆绞竭M行預應力束吊裝作業(yè)，但懸臂吊機自重較大，上、下塔頂均需要依賴大型履帶吊車，而履帶吊車完成一個塔筒壁的吊裝后，需要轉(zhuǎn)移到下一個塔筒位置進行吊裝作業(yè)，無法等待預應力施工。因此，預應力吊裝設(shè)備無法下塔，需要準備多套設(shè)備周轉(zhuǎn)，施工成本較高且不利于控制工期。

2.2.2 解決方案

方案一：布設(shè)卷揚機于地面作為起吊動力，卷揚機鋼絲繩通過導向到達塔頂預應力孔道口上方，然后在塔頂設(shè)置吊裝支架，提供吊點。吊裝支架設(shè)計成拼裝式，以減小結(jié)構(gòu)單元的重量，便于人工裝、拆支架；可利用地面卷揚機逐個下放支架單元，擺脫對大型履帶吊車的依賴，有利于縮短整個風電場項目的建造周期，節(jié)約建設(shè)成本。

方案二：采用單根吊裝方法，即布置提升機于塔頂，逐根起吊鋼絞線完成整束鋼絞線的架設(shè)。此方法起吊重量小，不需要編束成盤，可以實現(xiàn)吊裝設(shè)備的小型化。但是，此方法施工效率低于整束吊裝，需要開發(fā)系統(tǒng)性且高效的施工裝備和方法。

2.3 扭轉(zhuǎn)難題

2.3.1 難點分析

體外預應力束由多根鋼絞線編束組成，預應力束制作好后，需要卷盤用于轉(zhuǎn)運。預應力束在起吊放索過程中需要釋放卷盤時積累的扭轉(zhuǎn)力，因此呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)上升的狀態(tài)，導致上、下端錨固時，各個錨孔不在一條直線上，并且無法判斷預應力束從上端錨固位置至下端錨固位置的扭轉(zhuǎn)角度。預應力束存在的扭轉(zhuǎn)角，會導致各根鋼絞線的應力狀態(tài)不均勻，進而影響整束預應力束的使用壽命。

2.3.2 解決方案

在鋼絞線下料編束時，可將預應力束中的一根鋼絞線的護套設(shè)置為不同的顏色，以此根鋼絞線作為標記線，預應力束起吊完成后根據(jù)標記線的位置判定預應力束的扭轉(zhuǎn)情況，進而從上至下地扭動調(diào)整預應力束，使各根鋼絞線平行順直。預應力束扭轉(zhuǎn)調(diào)整原理圖如圖3所示。

2.4 張拉難題

2.4.1 難點分析

目前，常用的張拉方式有整束張拉和單根張拉2種，整束張拉方式可應用于各種結(jié)構(gòu)的塔筒，而單根張拉方式僅適用于預應力束與塔壁無接觸、無折角的塔筒，原因是先張拉的鋼絞線在接觸偏折位置時，會擠壓其余的鋼絞線，導致后面張拉的鋼絞線在擠壓位置的應力無法傳遞。

整束張拉方式的難點是需要大噸位穿心千斤頂，設(shè)備自重大，進出塔洞倒運困難，而且千斤頂安裝方向為由下至上，張拉回程過程中需要不斷向上頂推千斤頂，使其貼緊下端的錨固面，操作困難，費時費力。單根張拉方式因其設(shè)備輕巧而成為一個優(yōu)選方案，然而在逐根張拉鋼絞線的過程中，由于主體結(jié)構(gòu)的壓縮形變會造成應力損失，因此解決其適用條件的限制和保證各根鋼絞線應力的均勻性成為解決問題的關(guān)鍵。

2.4.2 解決方案

為解決整束張拉方式的難點，可采用專用液壓頂升車和定位千斤頂。專用液壓頂升車需要根據(jù)塔筒基礎(chǔ)內(nèi)腔的空間尺寸和千斤頂?shù)男吞柍叽邕M行針對性的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，并且需具備攜帶千斤頂進行三維運動的功能。

對于單根張拉方式的適用性問題，可以通過在預應力束與塔壁接觸位置設(shè)置蜂窩式分絲管，使鋼絞線束分別穿過各個獨立的管道，張拉時就不會相互擠壓。對于應力均勻性的問題，張拉時可以在首根鋼絞線上安裝壓力傳感器，用以顯示逐根張拉鋼絞線過程中應力的損失量，從而指導后續(xù)每根鋼絞線的張拉控制施工。對于首根鋼絞線張拉控制力的大小，可根據(jù)整束目標索力的平均值加上結(jié)構(gòu)變形的損失量計算得到。

2.5 折角難題

2.5.1 難點分析

混凝土塔筒從下至上大體上呈現(xiàn)分段梯形的構(gòu)造，有些塔筒在變徑轉(zhuǎn)向位置，其內(nèi)壁會干涉預應力束的路徑，使預應力束與塔筒內(nèi)壁接觸形成折角。為了避免接觸位置出現(xiàn)摩擦損傷，目前采用的解決措施為在接觸位置的索體上安裝鋼質(zhì)抱箍隔離預應力束和塔壁。此方法存在的問題是抱箍只能在張拉之前安裝，張拉時鋼絞線、抱箍、塔壁之間會產(chǎn)生相對滑移，可能會損傷鋼絞線的護套。為了節(jié)約建造成本，很多項目塔筒的中間段并未設(shè)置作業(yè)平臺，因此無法采用安裝抱箍的方式施工。

2.5.2 解決方案

混凝土塔壁預制時可在變徑轉(zhuǎn)向位置預埋固定塑料板或橡膠板等柔性板材，其硬度低于鋼絞線護套的硬度，如此在接觸位置的預應力束與柔性板材即使相互摩擦也不會造成護套損傷。此方案不用安裝抱箍構(gòu)件，并且在變徑轉(zhuǎn)向位置也不使用作業(yè)平臺，可降低施工成本，提高施工效率。塔壁轉(zhuǎn)向處處置方案如圖4所示。

2.6 換索難題

2.6.1 難點分析

塔筒預應力束長度較長且設(shè)計的張拉控制力可達到0.7倍的破斷力，導致預應力束的張拉伸長量很大，即張拉完成后，錨具后方還有很長一段鋼絞線外露，因此需要配套很長的保護罩保護外露段。然而，塔筒基礎(chǔ)內(nèi)空間有限，保護罩太長會導致安裝困難，而且保護罩內(nèi)部需要灌注防腐材料，會增加材料成本。若是切短外露鋼絞線，則會導致工作長度不足以釋放鋼絞線內(nèi)的應力，無法實現(xiàn)后期換索的功能。

2.6.2 解決方案

為了降低材料成本，需要開發(fā)創(chuàng)新性的換索技術(shù)，以減少鋼絞線的外露長度。目前，工程上已有一些在索體自由段切割換索的技術(shù)，然而其安全性和施工效率還需要檢驗和完善，工程技術(shù)人員可參考此方法展開進一步的研究。

3 結(jié)語

風力發(fā)電作為近幾年以及未來較長一段時間內(nèi)重點發(fā)展的工程類型，為了縮短建設(shè)周期、降低建造成本，其結(jié)構(gòu)體系和施工技術(shù)均在不斷地創(chuàng)新和完善中。結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新離不開施工技術(shù)的支持和工程實踐的檢驗，需要廣大工程技術(shù)人員持續(xù)研究，解決工程難題，創(chuàng)新施工方法。目前，風電塔筒豎向體外預應力系統(tǒng)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為“制索—吊裝—張拉”。對于制索環(huán)節(jié)，為了保證鋼絞線下料的精度和質(zhì)量，應盡力推進工廠化下料，未來可以嘗試將擠壓成品拉索應用于風電塔筒預應力領(lǐng)域，擠壓成品拉索的防腐性能更優(yōu)，使用壽命更久。對于吊裝環(huán)節(jié)，應大力開發(fā)系統(tǒng)性的施工機械，實現(xiàn)自主動作和自動化控制，以提高施工效率。對于張拉環(huán)節(jié)，需要大力發(fā)展智能化程度更高的張拉技術(shù)，實現(xiàn)索力的精準控制。此外，風電塔筒預應力換索技術(shù)和預應力系統(tǒng)的健康監(jiān)測技術(shù)也應成為該類工程未來重點關(guān)注的一個關(guān)鍵課題，例如對磁通量傳感器測力系統(tǒng)、可視化監(jiān)控系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)等高新技術(shù)手段的深入研究和推廣應用，有利于風電塔筒運營期的維護和使用壽命的提高。

4 參考文獻

［1］黃漢斌，簡鈴方，王波，等.風電超高混凝土塔筒體內(nèi)預應力施工及監(jiān)測技術(shù)研究［J］.科技創(chuàng)新導報，2021（17）：4-6.

［2］許千壽.140m鋼-混凝土混合風力發(fā)電機塔筒預應力技術(shù)研究［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2019，46（22）：96-98.

［3］邊杰，余潔，陳慶.裝配式風電鋼混塔筒中預應力系統(tǒng)的工藝要求［J］.山西建筑，2021，47（9）：91-93.

［4］李海民.風電塔體外索預應力施工技術(shù)［J］.中國高新科技，2021（14）：61-62.