趙紹諺，朱 菡，楊中桂，丁永春

(1.中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450015; 2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，我國風能儲量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大，近年來風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快[1]。隨著我國能源結(jié)構(gòu)及供給側(cè)改革進程加快，傳統(tǒng)風資源優(yōu)勢區(qū)域遇到電力消納能力不足等問題，低風速區(qū)域風電開發(fā)已成為解決風電發(fā)展的必由之路。我國中東部和南方地區(qū)屬于典型的低風速地區(qū)，年平均風速小于6 m/s，年滿發(fā)電小時數(shù)小于2000 h，占全國風能資源區(qū)的68%，低風速資源接近電網(wǎng)負荷中心，不存在限電棄風影響。業(yè)內(nèi)具有共識的解決低風速區(qū)域風資源開發(fā)，提高發(fā)電效率的辦法是大風機、長葉片、高塔筒[2]。大風機、長葉片必須匹配更高、承載力更好的風機塔筒。

混凝土塔筒在國外許多公司已經(jīng)建成投產(chǎn)，目前應用數(shù)量已經(jīng)超過1.5萬臺，如圖1所示。國內(nèi)在風機100 m以上高塔筒的研究和應用方面相對滯后，近兩年開始出現(xiàn)100 m以上全鋼柔性塔及砼鋼混合塔筒的應用，而混凝土高塔筒方面基本尚屬空白。

混凝土塔筒采用分段圓環(huán)錐式塔筒，體內(nèi)采用后張預應力系統(tǒng)[3]。如圖2所示，混凝土塔筒預制構(gòu)件的連接件包括：鋼筋螺紋套筒、預埋吊釘?shù)阮A埋件。對于混凝土塔筒預制構(gòu)件豎縫拼接，采用預埋螺紋套筒連接，對預埋件受力性能和疲勞性能要求較高。由于混凝土塔筒在運行過程中承受頻繁的振動載荷和疲勞載荷，對連接件的力學和疲勞性能要求較高，除了基本的力學性能之外，其疲勞應力幅為150～300 MPa，疲勞壽命為200萬次[4]，遠高于國內(nèi)連接件的要求。國內(nèi)廠商曾選用GB/T 1499.2規(guī)定的《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》中規(guī)定的HRB500鋼筋進行替代，經(jīng)疲勞試驗，其疲勞壽命僅為100萬次，為設計壽命的50%，存在較大安全隱患，不能直接應用。

圖1 預制混凝土塔筒分段拼接

圖2 混凝土塔筒連接件連接示意圖

1 產(chǎn)品研發(fā)過程

1.1 鋼筋螺紋套筒

螺紋鋼筋套筒套件一般由直端鋼筋、L型鋼筋和螺紋套筒組成，見圖3。鋼筋采用均為帶肋鋼筋，符合GB/T 1499.2的要求。套筒與直段鋼筋采用螺紋連接，L型鋼筋和套筒按照JG/T 163中規(guī)定了鋼筋機械連接用套筒形式采用擠壓套筒。

1.2 鋼筋螺紋套筒設計及性能分析

預制混凝土塔筒鋼筋螺紋套筒設計及性能分析，主要包括鋼筋螺紋套筒傳導模型和承載特性分析、系列化結(jié)構(gòu)設計和性能實驗分析。以典型條件下外界載荷環(huán)境為出發(fā)點，確立科學合理的鋼筋螺紋套筒的力學傳導模型，分析其工作機理及其承載特性，并通過對測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析梳理影響鋼筋螺紋套筒性能的主要因素及其作用規(guī)律，最終確定系列化產(chǎn)品型譜。

圖3 L型鋼筋和直端鋼筋尺寸示意圖

1.3 鋼筋螺紋套筒加工工藝分析

通過工藝試驗和理論或仿真分析相互結(jié)合的方法，深入探討熱處理和加工制造過程中產(chǎn)品微觀結(jié)果和宏觀性能的變化規(guī)律，尋求綜合性能最優(yōu)化的工藝平衡點，優(yōu)化確定適應批生產(chǎn)的熱處理、加工制造工藝路徑和具體工藝參數(shù)。并通過開展并落實自動化生產(chǎn)線輔助工具工裝設計制造、過程檢驗與計量儀器設備及控制措施、過程及產(chǎn)品驗收抽樣規(guī)則制定等工作，形成高效穩(wěn)定的批生產(chǎn)基礎條件和覆蓋全工序全過程的質(zhì)量檢測策略，為進一步改進規(guī)模化生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性提供有力保障。

工藝方案：1)用熱軋原材料直接下料制作成L型鋼筋和直端鋼筋→調(diào)質(zhì)處理至要求性能→按要求加工套筒尺寸和螺紋→用鋼筋冷擠壓鉗將套筒擠至L段鋼筋；2)加工直端鋼筋螺紋。

1.4 鋼筋螺紋套筒受力分析

根據(jù)預制混凝土塔筒連接件的實際受力特點，從經(jīng)典理論出發(fā)建立相應仿真分析模型，結(jié)合相應的試驗測試，分析判斷預制混凝土塔筒連接件的失效機理和失效行為特征。配合不同失效模式間的關聯(lián)特性研究，確定合理可行的可靠性穩(wěn)健設計方法和失效防護措施。

2 鋼筋螺紋套筒拉力載荷下承載特性計算

2.1 鋼筋螺紋套筒有限元分析

通過選用不同的材料制作鋼筋螺紋套筒進行有限元分析[5]，采用三維軟件對預應力風機基礎結(jié)構(gòu)進行建模模擬。

計算工況1：合金鋼帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強度785 MPa，抗拉強度904 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強度345 MPa，抗拉強度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

計算工況2：HRB500帶肋鋼筋最大直徑20 mm，屈服強度540 MPa，抗拉強度690 MPa，彈性模量206000 MPa，泊松比0.3，最小計算截面314 mm2。Q345鋼螺紋套筒最大直徑35 mm，屈服強度345 MPa，抗拉強度600 MPa，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

2.2 邊界條件劃分

預制混凝土塔筒連接件仿真加載邊界條件如圖4所示，固定L型帶肋鋼筋的一端，在直端帶肋鋼筋的一端加載一個水平拉伸載荷。

圖4 預制混凝土塔筒連接件加載邊界條件

2.3 計算工況1

預制混凝土塔筒連接件計算工況1的應力云圖如圖5所示。由應力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應力值在600～675 MPa之間，沒有達到材料屈服應力，因而屬于彈性變形。L型鋼筋在套筒內(nèi)的一段的應力值較大，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，且應力集中區(qū)域明顯大于直端鋼筋在套筒內(nèi)的一段。套筒上的應力值要小于帶肋鋼筋的應力值。圖6是螺紋套筒的應力云圖，在螺紋套筒中間出現(xiàn)明顯的應力集中區(qū)域，應力值為550～600 MPa，該區(qū)域經(jīng)發(fā)生屈服，并且應力值逼近抗拉強度，因而螺紋套筒的強度制約著連接件組件的承載特性。

2.4 計算工況2

預制混凝土塔筒連接件組件計算工況2的應力云圖如圖7所示。由應力云圖可以看出，L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應力值在583.3～641.7 MPa之間，已經(jīng)超過了HRB500材料的屈服應力，產(chǎn)生了屈服，發(fā)生了塑性變形，且應力值接近于抗拉強度。

圖5 計算工況1連接件組件應力云圖

圖6 計算工況1螺紋套筒應力云圖

與計算工況1相同，在L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋的端部產(chǎn)生了明顯的應力集中現(xiàn)象。圖8為計算工況2螺紋套筒的應力云圖，在螺紋套筒中間出現(xiàn)明顯的應力集中區(qū)域，且應力值為551.2～600 MPa，該區(qū)域經(jīng)發(fā)生屈服，并且應力值逼近抗拉強度。由此可以看出，當拉伸載荷為230 kN時，帶肋鋼筋和螺紋套筒都已經(jīng)接近承載極限。

圖7 計算工況2連接件組件的應力云圖

圖8 計算工況2螺紋套筒的應力云圖

2.5 結(jié)果分析

計算工況1中合金鋼帶肋鋼筋的承載特性要明顯好于螺紋套筒，螺紋套筒的材料制約著連接件組件的承載特性。

計算工況2中HRB500帶肋鋼筋和螺紋套筒在拉伸過程中，幾乎同時達到抗拉極限，且拉伸載荷在230 kN已經(jīng)逼近連接件組件的最大拉伸載荷。

3 研究結(jié)果與分析

根據(jù)前期理論仿真分析計算結(jié)果和連接件設計需求，對合金鋼帶肋鋼筋進行調(diào)質(zhì)處理， 選擇HRB500帶肋鋼筋，對兩種原材料進行力學性能分析，其力學性能檢測結(jié)果如表1所示。

表1 原材料力學性能檢測結(jié)果

合金鋼帶肋鋼筋進行調(diào)質(zhì)處理后，對顯微組織進行檢測。按GB/T 13298—2015、GB/T 13299—1991，使用3%硝酸酒精溶液進行腐蝕，經(jīng)鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕后置于顯微鏡下觀察，顯微組織如圖9所示，為回火索氏體加少量鐵素體，回火索氏體含量較高表明其具有較高的韌性和強度。

圖9 合金鋼帶肋鋼筋熱處理后顯微組織

根據(jù)原材料性能檢測結(jié)果，依據(jù)加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由合金鋼帶肋鋼筋和45#鋼螺紋套筒制作的連接件，對其進行拉力載荷試驗，試驗結(jié)果曲線圖如圖10所示。

從拉力載荷曲線和試驗結(jié)束后連接件狀態(tài)分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗臺上，兩個試驗樣件均在200 kN出現(xiàn)塑性變形，隨著拉力的繼續(xù)增大，由于帶肋鋼筋的強度遠高于螺紋套筒的強度，從試驗結(jié)束后連接件的狀態(tài)看出螺紋套筒的螺紋的損壞程度比較大。驗證了有限元分析結(jié)果。

根據(jù)原材料性能檢測結(jié)果，依據(jù)加工工藝制作鋼筋螺紋套筒，由HRB500帶肋鋼筋和Q345鋼螺紋套筒制作的連接件，對其進行拉力載荷試驗，試驗結(jié)果曲線圖如圖11所示。

圖10 合金鋼鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

圖11 HRB500鋼筋螺紋套筒拉力載荷曲線

從拉力載荷曲線和試驗結(jié)束后連接件狀態(tài)分析，由鋼筋和套筒組成的連接副在拉伸試驗臺上，兩個試驗樣件均在170 kN出現(xiàn)塑性變形，隨著拉力的繼續(xù)增大，達到HRB500帶肋鋼筋的屈服點。驗證了有限元分析結(jié)果。

4 結(jié)論

采用合金鋼帶肋鋼筋和Q345鋼，優(yōu)化熱處理工藝和加工工藝，制作鋼筋螺紋套筒，經(jīng)各項性能測試，達到預制混凝土用鋼筋螺紋套筒的開發(fā)設計需求。預制混凝土用鋼筋螺紋套筒的成功開發(fā)，填補了國內(nèi)空白，改變了此種產(chǎn)品完全依賴進口的局面。