某風(fēng)力發(fā)電塔預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)開裂原因調(diào)查

文|吉春明

風(fēng)力發(fā)電具有清潔無污染、單機(jī)容量大、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益良好的特點(diǎn)，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗弧楸ＷC風(fēng)電機(jī)組的正常安全運(yùn)行、抵御可能出現(xiàn)的各種極端工況，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)是一種相對較新的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式，從受力機(jī)理上避免了傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)因基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)混凝土之間剛度、強(qiáng)度突變以及鋼-混凝土之間變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)之間縫隙過大，混凝土受局部壓應(yīng)力過大引起的壓碎破壞等質(zhì)量問題。作為一種較新的基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)人員對預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的受力性能缺乏足夠的了解，一般僅在參考國外設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上稍作修改即投入使用。但是由于施工工藝、混凝土質(zhì)量以及環(huán)境荷載等因素的不同，直接參考國外預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)配筋的做法并不可行，以致在一些工程項(xiàng)目中出現(xiàn)了問題。本文以某風(fēng)電場為例，通過現(xiàn)場調(diào)研和檢測，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行配筋驗(yàn)算，分析基礎(chǔ)混凝土柱墩的開裂原因。

項(xiàng)目概述

某風(fēng)電場項(xiàng)目共安裝12臺單機(jī)容量2.5MW風(fēng)電機(jī)組和1臺2.0MW風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量32.0MW。該項(xiàng)目于2012年3月正式動(dòng)工，2013年8月首臺風(fēng)電機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，2014年12月最后一臺風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。塔筒與基礎(chǔ)連接形式均為預(yù)應(yīng)力錨栓。在2015年5月防臺風(fēng)巡查中，業(yè)主發(fā)現(xiàn)四臺2.5MW風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)柱墩表面出現(xiàn)較多肉眼可見裂縫。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式有板式擴(kuò)展基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩種，兩種類型基礎(chǔ)的柱墩表面均出現(xiàn)不同程度的裂縫。現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果如下：四臺基礎(chǔ)柱墩表面均出現(xiàn)了大量環(huán)向和徑向裂縫，如圖1（a）和圖1（b）所示。主風(fēng)向裂縫比較突出，環(huán)向裂縫比徑向裂縫更為突出，環(huán)向裂縫距柱墩外緣約1000mm；外圈環(huán)形裂縫有向柱墩外緣發(fā)展的趨勢，裂縫中留存較多雨水[圖1（c）]，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)灌漿層邊緣環(huán)向裂縫中的雨水受灌漿層往復(fù)作用而析出；塔筒內(nèi)部地面較潮濕[圖1（d）]，載荷分散板銹蝕較嚴(yán)重，但未見混凝土裂縫；挖出某機(jī)位基礎(chǔ)變階處回填土，在柱墩側(cè)壁和基礎(chǔ)變階處均未發(fā)現(xiàn)裂縫。

本文以板式擴(kuò)展基礎(chǔ)為例，分析基礎(chǔ)開裂的原因。板式擴(kuò)展基礎(chǔ)形狀和尺寸如圖2所示，其中基底半徑r1為11.5m，柱墩半徑r2為4.0m，上表面鋼筋斷點(diǎn)與基礎(chǔ)中心距離r3為3.0m，底板邊緣厚度h1為1.0 m，底板根部高度h2為2.0m，臺階至地面高度h3為0.6m，其中柱墩高出地面高度h4為0.3m，基礎(chǔ)埋深d為3.6m。

圖1 現(xiàn)場調(diào)研

開裂原因推測

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況以及對施工圖紙、過程文件、主機(jī)技術(shù)文件等資料的分析，得出基礎(chǔ)開裂的可能原因如下：

（1）從圖2可以看出，底板上表面配筋斷點(diǎn)位置值得商榷。基礎(chǔ)在上部風(fēng)電機(jī)組傳遞到柱墩的極限彎矩作用下，板式基礎(chǔ)會發(fā)生與地基脫開的現(xiàn)象。此時(shí)基礎(chǔ)在自重和土重作用下，底板上表面受拉。底板上部采取徑、環(huán)向配筋，其中徑向鋼筋雙層配置，分別為C25@1.5°（共160根）和C25@2.25°（共160根），其中僅C25@2.25°（共160根）中的C25@4.5°（共80根）鋼筋穿過錨栓進(jìn)行錨固，其余鋼筋進(jìn)入柱墩一段長度后截?cái)唷Ｔ谥枕敳浚瑑H按構(gòu)造配置徑、環(huán)向鋼筋，分別為C25@4.5°（共80根）和C20@150（共23圈）。底板按懸挑板設(shè)計(jì)，最危險(xiǎn)截面可能不是在1-1剖面處，而是在2-2剖面處。如果由于混凝土施工質(zhì)量原因，導(dǎo)致初始裂縫在鋼筋截?cái)嗵幮纬桑敲戳芽p有可能向上發(fā)展，并擴(kuò)展至柱墩表面。

（2）根據(jù)基礎(chǔ)施工圖紙要求，基礎(chǔ)混凝土應(yīng)摻入I級或II級粉煤灰，摻量不宜大于20%。粉煤灰摻入大體積混凝土可降低水化熱，但也可能增加后期收縮量，不排除混凝土收縮加劇裂縫開展的可能性。

（3）根據(jù)整機(jī)廠家要求，錨栓可采用扭矩法（2800N?m）或張拉法（500kN）緊固，據(jù)業(yè)主和安裝單位反映安裝時(shí)采取的是扭矩法。由于錨栓長度較大，扭矩法緊固錨栓具有精度差、防松性能差的缺點(diǎn)。從基礎(chǔ)運(yùn)行時(shí)灌漿層邊緣環(huán)向裂縫中的雨水受灌漿層往復(fù)作用析出的情況看，錨栓預(yù)緊力可能發(fā)生了一定松弛，從而造成應(yīng)力幅較大，塔筒載荷反復(fù)沖擊分散板下方混凝土，不排除由于錨栓預(yù)緊力松弛造成灌漿層下方混凝土開裂的可能性。

開裂原因驗(yàn)證

為深入調(diào)查裂縫的發(fā)展現(xiàn)狀，本文通過外觀檢測裂縫的分布、最大寬度，采用回彈法檢測基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度，采用超聲波法、鉆芯法檢測混凝土裂縫深度。

一、現(xiàn)場檢測

外觀檢測時(shí)查找表面損傷以及裂縫，對發(fā)現(xiàn)的損傷、裂縫，用記號筆在構(gòu)件表面標(biāo)記，用卷尺量取裂縫長度，用塞尺量取寬度。取芯前一天在裂縫中灌入紅墨水，直至紅墨水無法滲入，通過鉆芯取樣了解混凝土保護(hù)層真實(shí)厚度以及裂縫病害的發(fā)展情況。

（一）裂縫數(shù)量、寬度、深度統(tǒng)計(jì)

由于基礎(chǔ)頂面混凝土出現(xiàn)較多裂縫，部分裂縫寬度較大，故對開裂最嚴(yán)重的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場觀察和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的受力特征，選取寬度、長度比較突出的裂縫予以重點(diǎn)調(diào)查，所選裂縫見圖3，測量結(jié)果見表1。

從表1可以看出，基礎(chǔ)柱墩表面主風(fēng)向裂縫比較突出，環(huán)向裂縫較徑向裂縫嚴(yán)重，最為突出的兩條環(huán)形裂縫分別位于灌漿層邊緣、距柱墩外緣約1000mm處，最大裂縫寬度1.90mm，最大長度3.3m，最大裂縫寬度超出《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（FD003—2007）的要求。超聲波檢測結(jié)果與鉆芯取樣檢測結(jié)果差異較大，可能是由于受到混凝土保護(hù)層厚度過大、裂縫中雜質(zhì)較多以及鋼筋干擾等因素的影響。鉆孔2處裂縫深度已延伸至鋼筋下方，其原因可能是該截面基礎(chǔ)頂面徑向鋼筋截?cái)噙^早，導(dǎo)致該鋼筋的錨固拉力需要通過其上部混凝土傳遞，進(jìn)而使得混凝土受拉開裂；鉆孔3處芯樣靠近灌漿層一側(cè)較為破碎，裂縫路徑較為曲折，深度未超過鋼筋，說明此處裂縫的產(chǎn)生并不是由受力所致，而是在初始裂縫發(fā)生后在基礎(chǔ)環(huán)傳來的反復(fù)荷載作用下，混凝土不斷張開閉合，最后導(dǎo)致碾磨破碎。

圖2 板式擴(kuò)展基礎(chǔ)形狀和尺寸

表1 基礎(chǔ)混凝土頂面主要裂縫最大寬度和長度

（二）保護(hù)層厚度與裂縫

從表1可以看出，鉆孔處保護(hù)層厚度均遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)圖紙要求的50mm，基礎(chǔ)頂面混凝土保護(hù)層太厚，導(dǎo)致鋼筋對頂面混凝土約束減弱，混凝土受拉導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。混凝土保護(hù)層過厚，同時(shí)混凝土中摻入過量的粉煤灰導(dǎo)致收縮量增大也是引起混凝土受拉產(chǎn)生裂縫的原因。由于混凝土保護(hù)層過厚引起的基礎(chǔ)表面裂縫可以延伸至灌漿層下方。另外，混凝土保護(hù)層過厚相當(dāng)于減小了錨栓籠的錨固深度，導(dǎo)致單位長度混凝土應(yīng)力增加，當(dāng)超過混凝土抗拉應(yīng)力時(shí)裂縫就產(chǎn)生了。裂縫處的混凝土產(chǎn)生了應(yīng)力集中，裂縫在風(fēng)電機(jī)組往復(fù)荷載作用下將不斷擴(kuò)大、多方向延伸，現(xiàn)有裂縫的存在會引起鋼筋銹蝕，削弱截面。混凝土開裂后退出工作，鋼筋受拉并形成新的平衡，鋼筋將承受更大的往復(fù)疲勞荷載，可能導(dǎo)致疲勞破壞。

（三）混凝土強(qiáng)度回彈結(jié)果

通過對四臺風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土進(jìn)行回彈檢測，推定混凝土抗壓強(qiáng)度，為損傷評估提供依據(jù)。回彈測試點(diǎn)與基礎(chǔ)環(huán)水平度檢測點(diǎn)位置對應(yīng)，在基礎(chǔ)柱墩外側(cè)面設(shè)置測區(qū)，將圓周分為10等分，測區(qū)設(shè)置在等分點(diǎn)處，共布置10個(gè)測區(qū)。每一測區(qū)讀取16個(gè)回彈值，每一測點(diǎn)的回彈值讀數(shù)精確至0.1MPa。測點(diǎn)在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布，相鄰兩測點(diǎn)的凈距離不宜小于20mm；測點(diǎn)與外露鋼筋、預(yù)埋件的距離不小于30mm；測點(diǎn)不應(yīng)設(shè)在氣孔或外露石子上，同一測點(diǎn)應(yīng)只彈擊一次。回彈檢測結(jié)果匯總見表2，從表中可以看出，所選風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土回彈強(qiáng)度推定值均滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40的要求。

（四）塔架頻率

通過在塔頂安裝加速度傳感器，采集停機(jī)狀態(tài)下主軸方向和垂直主軸方向的塔頂振動(dòng)加速度。通過對測試數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，裂縫較嚴(yán)重的塔架振動(dòng)頻率與裂縫較少的塔架基本相同，實(shí)測頻率均為0.3418Hz。說明雖然個(gè)別裂縫深度已達(dá)鋼筋，但對塔架與基礎(chǔ)連接剛度無明顯影響，目前風(fēng)電機(jī)組仍處于安全狀態(tài)。

二、基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算

圖3 混凝土頂面主要裂縫分布及鉆孔位置圖

表2 基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度回彈匯總表

表3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

基礎(chǔ)混凝土為C40，彈性模量為32500MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為26.8MPa），抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為2.39MPa）；鋼筋為HRB400，彈性模量為206000MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa）。風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商提供的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)荷載標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示，根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（FD 003－2007），彎矩和水平力分項(xiàng)系數(shù)取1.5，豎向力分項(xiàng)系數(shù)取1.2。

（1）基底凈反力

混凝土體積為867.5m3，土體體積643.2m3，混凝土容重25kN/m3，回填土容重20kN/m3，則基礎(chǔ)自重以及土重標(biāo)準(zhǔn)值Gk為34551.5kN，基底彎矩設(shè)計(jì)值M為115252.5kN·m，基礎(chǔ)偏心距e為2.55，計(jì)算公式如下：

則e/r1＝0.222，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50135－2006附錄C可知，基礎(chǔ)尚未脫開，基礎(chǔ)懸挑中心處凈反力p1（用于基礎(chǔ)底部配筋計(jì)算）為70.55kPa，基礎(chǔ)自重壓力p2（用于基礎(chǔ)頂部配筋計(jì)算）為52.7kPa。

（2）1-1剖面驗(yàn)算

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50051—2013，底板下部半徑r2處單位弧長的徑向彎矩設(shè)計(jì)值根據(jù)式（2）計(jì)算為1721.3kNm。

按受力計(jì)算所需配筋為1658mm2，按最小配筋率計(jì)算所需配筋面積為4050mm2，實(shí)配鋼筋C25@1.5+C25@4.5°+C25@1.5°，面積為9350 mm2。由此可見，徑向鋼筋滿足要求。

底板下部單位寬度的環(huán)向彎矩設(shè)計(jì)值按式（3）計(jì)算為860.6kN·m。

按受力計(jì)算所需配筋為827mm2，按最小配筋率計(jì)算所需配筋面積為4050mm2，實(shí)配鋼筋為C16@150＋C16@150，面積為2680 mm2。由此可見，環(huán)向鋼筋滿足受力要求，但是不滿足最小配筋率要求。

（3）2-2剖面驗(yàn)算

攝影：鄔燦

底板上部徑向鋼筋部分截?cái)嗵帲摻钔蝗粶p少，此處彎矩?zé)o法連續(xù)傳遞，最可能產(chǎn)生裂縫，因此需要驗(yàn)算該處配筋是否滿足要求。此處截面高度應(yīng)取底部至受拉鋼筋處的高度，因此取該處截面高度為3.0m，距離基礎(chǔ)中心r3＝3m。圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算本質(zhì)上是圓形鋼筋混凝土板的內(nèi)力計(jì)算，可采用極限平衡法計(jì)算。

單位弧長的徑向彎矩設(shè)計(jì)值按式（2）計(jì)算為2275.8kN·m（r2換成r3）。按受力計(jì)算所需配筋為2196mm2，實(shí)配鋼筋C25@4.5°，面積為2083mm2，徑向鋼筋略少于計(jì)算要求。而實(shí)際施工時(shí)此處沒有配置環(huán)向受力鋼筋，環(huán)向受力不滿足要求。這和實(shí)際裂縫開裂的程度是一致的。

2-2剖面處伸入柱墩中的部分徑向受力鋼筋截?cái)啵瑪帱c(diǎn)位置值得商榷，可能導(dǎo)致以下兩種不利結(jié)果：鋼筋截?cái)嗪螅瑥澗夭荒芷椒€(wěn)有效傳遞，造成鋼筋截?cái)嗝婊炷晾瓚?yīng)力比較大，而柱墩上部僅配置構(gòu)造鋼筋，裂縫在柱墩表面發(fā)展；由于施工質(zhì)量等原因，如果在截?cái)嗝嬗谐跏剂芽p，彎矩只能靠鋼筋傳遞，可能出現(xiàn)鋼筋不足的情況。

結(jié)論

預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)是一種相對較新的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式，從受力機(jī)理上避免了傳統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)容易發(fā)生的質(zhì)量問題，但是實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)仍出現(xiàn)了一些問題。本文以某實(shí)際工程為例，通過調(diào)研和現(xiàn)場檢測的手段分析了預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)混凝土柱墩表面開裂的原因，并按現(xiàn)行規(guī)范算法驗(yàn)算了基礎(chǔ)中的配筋。分析結(jié)果表明，造成基礎(chǔ)混凝土柱墩開裂的原因可能跟柱墩表面混凝土保護(hù)層厚度太厚、混凝土中的粉煤灰摻量太多或底板上部鋼筋斷點(diǎn)位置有關(guān)。