孫立春 張傳宗 王斌

(1.鄭州市建筑設(shè)計(jì)院 450052; 2.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司 鄭州450053)

引言

近年來, 我國(guó)風(fēng)電建設(shè)逐漸向平原低風(fēng)速地區(qū)發(fā)展, 風(fēng)機(jī)輪轂中心線高度不斷增加。隨著混凝土分片預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)灌漿技術(shù)的成熟, 在新一輪風(fēng)機(jī)發(fā)展中, 裝配式混凝土風(fēng)電塔因剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì), 逐漸成為120m 以上風(fēng)機(jī)的首選。

風(fēng)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(hù)一直是制約冬季施工最主要的因素, 連接部位是否養(yǎng)護(hù)到位將影響塔筒的強(qiáng)度、耐久性和可靠性。本文針對(duì)裝配式混凝土風(fēng)電塔構(gòu)造特點(diǎn)及灌漿保溫技術(shù)要求, 對(duì)比分析多種養(yǎng)護(hù)方式, 最終確定了電伴熱養(yǎng)護(hù)方案; 通過在工程中的實(shí)際應(yīng)用, 證明該養(yǎng)護(hù)技術(shù)可有效控制保溫區(qū)溫度, 保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量, 可為同類工程提供參考和借鑒。

1 裝配式混凝土風(fēng)電塔冬季施工保溫養(yǎng)護(hù)

裝配式混凝土風(fēng)電塔冬季灌漿施工的技術(shù)要求為: 當(dāng)環(huán)境溫度或與灌漿料相接觸的構(gòu)筑物溫度低于3℃, 或是在灌漿料施工完成后48h 內(nèi)環(huán)境溫度或灌漿料相接觸構(gòu)筑物溫度低于3℃都?xì)w屬于低溫施工范疇, 如果必須進(jìn)行灌漿施工, 需在施工及完成后48h 內(nèi)保持灌漿料溫度和灌漿相接觸構(gòu)筑物溫度高于4℃; 在保溫養(yǎng)護(hù)期間, 灌漿區(qū)的內(nèi)部和表層溫差宜在20℃以內(nèi)[1]。

風(fēng)電混凝土基礎(chǔ)環(huán)向縫冬季灌漿保溫養(yǎng)護(hù)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(fēng)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(zhǎng), 分布于體積龐大的塔筒上, 電熱毯根本無法布置, 針對(duì)這些實(shí)際問題, 經(jīng)過分析比較, 將電伴熱引入裝配式混凝土風(fēng)電塔的灌漿保溫養(yǎng)護(hù)中。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)灌漿保溫養(yǎng)護(hù)Fig.1 Heat preservation of the wind generator base grouting

電伴熱養(yǎng)護(hù)技術(shù)是利用電熱補(bǔ)償原理, 在灌漿區(qū)預(yù)埋電伴熱線路, 灌漿后電伴熱帶持續(xù)供熱, 以達(dá)到保溫養(yǎng)護(hù)效果。電伴熱帶呈扁平狀,布置簡(jiǎn)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(hù)較好; 熱效率高, 節(jié)約能源; 自限式電伴熱帶可自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出,使灌漿區(qū)養(yǎng)護(hù)溫度始終保持在一定范圍內(nèi), 且可由智能溫控器定點(diǎn)控制, 以保證養(yǎng)護(hù)溫度穩(wěn)定[2]。

2 電伴熱在裝配式風(fēng)電工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

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

圖2 裝配式風(fēng)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(nèi)預(yù)制, 運(yùn)輸?shù)焦さ睾筮M(jìn)行組對(duì)、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(zhǎng), 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(diǎn)位于河南省北部, 施工期在最寒冷的1月, 當(dāng)?shù)貧鉁?6℃～2℃。在混凝土灌漿施工中, 環(huán)境溫度對(duì)灌漿養(yǎng)護(hù)質(zhì)量影響很大, 當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí), 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(jié)為冰后體積膨脹, 導(dǎo)致灌漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞,影響灌漿強(qiáng)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(jìn)行很容易出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象,導(dǎo)致灌漿縫出現(xiàn)凍裂等情況, 因此該項(xiàng)目必須按照灌漿施工的技術(shù)要求進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。保溫養(yǎng)護(hù)需要控制養(yǎng)護(hù)溫度和灌漿區(qū)溫差, 適宜的溫度可保證水化作用正常進(jìn)行, 而加熱溫度過高不僅浪費(fèi)能源, 且容易造成內(nèi)外溫差加大, 形成裂縫,產(chǎn)生質(zhì)量、安全等一系列問題[3]。

為保證裝配式混凝土風(fēng)電塔冬季施工的順利進(jìn)行, 采用低溫型自限溫電伴熱方式保溫養(yǎng)護(hù),通過有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析, 選取電伴熱規(guī)格和功率, 制定保溫養(yǎng)護(hù)方案, 同時(shí)設(shè)計(jì)了灌漿區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng), 通過遠(yuǎn)程溫控平臺(tái)在手機(jī)端隨時(shí)監(jiān)控灌漿區(qū)溫度, 做到灌漿溫度的精準(zhǔn)控制,確保施工質(zhì)量。

2.2 灌漿區(qū)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

早期灌漿料內(nèi)部加熱保溫的溫度場(chǎng)分布隨齡期的變化情況屬于瞬態(tài)溫度場(chǎng), 因此通過有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)來設(shè)計(jì)灌漿區(qū)伴熱帶的功率、數(shù)量與布置。該項(xiàng)目中縱向灌漿縫高聳狹長(zhǎng), 保溫養(yǎng)護(hù)難度最大, 本文將以縱向縫的保溫養(yǎng)護(hù)為例進(jìn)行說明。首先建立縱向縫灌漿區(qū)的有限元模型, 對(duì)各構(gòu)件賦屬性, 然后設(shè)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(cè)溫點(diǎn)Fig.5 The measuring points in longitudinal grouting seam region

經(jīng)過計(jì)算調(diào)整, 該項(xiàng)目條件下采用2 條25W/m 自限熱伴熱帶對(duì)角布置(圖5)能夠滿足養(yǎng)護(hù)要求; 通過灌漿區(qū)連接強(qiáng)度計(jì)算, 伴熱帶截面尺寸對(duì)縱向灌漿縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)。灌漿后48h, 電伴熱保溫的灌漿區(qū)瞬態(tài)溫度場(chǎng)如圖6 所示, 兩個(gè)紅色圓點(diǎn)是伴熱帶位置, 溫度場(chǎng)由伴熱帶位置向周圍擴(kuò)散。由圖6 可知, 對(duì)角布置的伴熱帶溫度場(chǎng)能夠覆蓋整個(gè)灌漿區(qū)域, 拾取灌漿邊緣區(qū)域各點(diǎn)溫度, 最低溫度為5.8687℃,即整個(gè)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(guān)鍵點(diǎn)在灌漿后48h 的溫度變化情況, 計(jì)算中提取了A、B、C、D 點(diǎn)(圖5 所示)的溫度數(shù)據(jù), A、B 兩點(diǎn)距離伴熱帶距離最遠(yuǎn), 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(chǎng)計(jì)算可得圖7, 該圖為灌漿區(qū)中A、B、C、D 四點(diǎn)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(diǎn)溫度在15℃～17℃范圍內(nèi)波動(dòng), 最終穩(wěn)定在15℃左右; 灌漿區(qū)邊緣的A、B 點(diǎn)溫度在4.8℃～7.5℃之間波動(dòng), 可見整個(gè)灌漿區(qū)溫度在48h內(nèi)能夠達(dá)到4.8℃以上, 內(nèi)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(jì)算能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 A、B、C、D 四點(diǎn)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(shù)方案實(shí)施

依據(jù)有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果制定現(xiàn)場(chǎng)灌漿實(shí)施方案, 在塔筒組對(duì)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(xiàn)[4]的做法, 在灌漿區(qū)的四個(gè)關(guān)鍵位置(圖5 中A、B、C、D 四點(diǎn)位置)設(shè)置4 組溫度傳感器,在塔筒外部設(shè)置一組環(huán)境溫度傳感器, 所有傳感器監(jiān)測(cè)的溫度信號(hào)先傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控器, 然后通過溫控平臺(tái)上傳至云服務(wù)器, 技術(shù)人員可以通過手機(jī)端24h 在線遠(yuǎn)程調(diào)取溫度數(shù)據(jù), 確保保溫養(yǎng)護(hù)效果的精準(zhǔn)控制。風(fēng)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(jī)作為施工電源, 并設(shè)置了相應(yīng)的漏電保護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)計(jì)算的預(yù)設(shè)環(huán)境條件吻合度較高, 因此將該塔筒灌漿的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。從遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)中提取2#塔筒某條灌漿縫A、B、C、D 測(cè)溫點(diǎn)灌漿后48h 的傳感器監(jiān)測(cè)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(shí)測(cè)溫度變化, 曲線C、D 為電伴熱帶位置實(shí)測(cè)溫度。由圖9 可知, 環(huán)境溫度在-2℃～5℃之間波動(dòng), 伴熱帶位置溫度在8℃～18℃之間波動(dòng), 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(nèi)外溫差在10℃左右。

圖9 各點(diǎn)傳感器實(shí)測(cè)溫度Fig.9 The actual temperature from sensors

通過有限元溫度場(chǎng)計(jì)算和溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D 各點(diǎn)的溫度曲線在起始階段由于電伴熱帶的溫度場(chǎng)尚未充分建立, 造成有限元計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差別較大, 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后, 各點(diǎn)曲線基本吻合, 充分驗(yàn)證了有限元溫度場(chǎng)對(duì)灌漿區(qū)進(jìn)行保溫場(chǎng)仿真的有效性, 為灌漿保溫的有限元溫度場(chǎng)方案設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)裝配式大體積混凝土構(gòu)件在狹長(zhǎng)高聳空間內(nèi)冬季灌漿保溫養(yǎng)護(hù)難題, 采用有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析法制定了自限溫電伴熱方案, 并通過在灌漿區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)埋溫度傳感器, 實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控保溫?cái)?shù)據(jù), 有效保證了灌漿區(qū)的強(qiáng)度發(fā)展, 確保了施工質(zhì)量。該方案在河南某風(fēng)電安裝工程上進(jìn)行了成功應(yīng)用, 通過溫度傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知, 灌漿區(qū)的養(yǎng)護(hù)溫度始終處于預(yù)定范圍, 充分證明了電伴熱方案的可行性和有限元計(jì)算的可靠性。該方案的成功實(shí)施, 可為類似裝配式大體積混凝土構(gòu)件的冬季灌漿施工提供參考和借鑒。