發(fā)布日期：2020-03-26
來源：綠建之家為避免風電機組耦合振動，同時兼顧材料成本，超高風電塔架一般采用鋼-混組合形式。風電塔架一般地處偏僻，為適應批量化、短周期的施工需求，混凝土部分通常采用裝配式工藝。
本文以某鋼-混組合風電塔架為例，對塔架混凝土部分預制構(gòu)件從拆分方案到深化設(shè)計中孔道、鋼筋及預埋件等布置要點進行總結(jié)，提出利用BIM三維建模出圖解決碰撞問題，借助參數(shù)的驅(qū)動方式快速布置鋼筋，采用極坐標方式進行定位等措施。
本文以江蘇省某鋼-混凝土組合風電塔架項目為例進行講解，該項目中風電塔架均為2.0MW電勵磁風電機組，輪轂高140m，由下部高55.6m的混凝土塔筒和上部高84.4m的鋼塔筒組合而成。為使混凝土塔筒在正常使用階段不出現(xiàn)拉應力，采用40束無粘結(jié)預應力鋼絞線進行張拉錨固，上端錨固在鋼法蘭上，下端錨固在基礎(chǔ)中。上部鋼塔筒部分通過法蘭盤實現(xiàn)與混凝土塔筒的連接。為便于施工，下部的混凝土塔筒采用裝配式結(jié)構(gòu)，上部鋼塔筒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)形式相同。本文僅研究下部混凝土塔筒設(shè)計。該項目所在地抗震設(shè)防烈度為7度，混凝土塔筒抗震等級為二級。
塔架拆分設(shè)計
通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，混凝土塔筒部分確定為中空圓臺柱，其幾何信息如表1所示。
由于該項目地處偏僻，為保證構(gòu)件生產(chǎn)、運輸及吊裝方便，綜合考慮洞門高度、構(gòu)件吊重和鋼模板尺寸模數(shù)等限制條件，將混凝土塔筒部分拆分成4.4m+3.35m+3.55m×13+1.4m = 55.3m 組合的16個節(jié)段( 見圖1) 。為減少現(xiàn)場濕作業(yè)，單節(jié)段構(gòu)件不再沿環(huán)向進行拆分。按照上述拆分原則，最大構(gòu)件重約100t，位于基礎(chǔ)頂面第1塊，其余構(gòu)件吊重均不超過90t，滿足預制構(gòu)件吊重限值。
圖1 混凝土塔筒拆分
為使各節(jié)段混凝土塔筒間傳力合理、施工方便，本項目進行如下節(jié)點設(shè)計。對鋼-混過渡部分，混凝土塔筒通過上部錨固的鋼墊板與鋼法蘭接觸，借助預應力預壓作用實現(xiàn)連接，如圖2所示。
圖2 鋼法蘭與混凝土構(gòu)件連接節(jié)點
混凝土塔筒段間的接縫，借鑒裝配式剪力墻水平縫連接方法，通過接縫注漿的方式實現(xiàn)連接，如圖3所示。
圖3 混凝土塔筒水平縫節(jié)點
本項目混凝土塔筒為三維薄壁曲面構(gòu)件，預制構(gòu)件深化設(shè)計重點主要體現(xiàn)為坐標系確定、孔道定位、鋼筋和預埋件的布置等方面。由于本項目構(gòu)件形式較復雜，因此采用BIM 技術(shù)對構(gòu)件進行深化設(shè)計。
構(gòu)件坐標系確定由于裝配式施工工藝是將整個混凝土結(jié)構(gòu)拆分為多個獨立構(gòu)件進行設(shè)計、生產(chǎn)和安裝，為保證后期生產(chǎn)與安裝定位準確，必須在設(shè)計階段對構(gòu)件在整體結(jié)構(gòu)中的定位關(guān)系予以統(tǒng)一和明確。為此，預制構(gòu)件坐標系按如下原則確定:
1.構(gòu)件下底面圓環(huán)中心作為坐標系原點;
2.構(gòu)件由上到下水平投影按照極坐標系的方式定位;
3.從坐標原點出發(fā)沿洞門中心線方向為0°方向，并按照順時針方向為正向;
4.坐標原點朝向構(gòu)件上方作為坐標系z 軸。構(gòu)件坐標系如圖4所示。
圖4 構(gòu)件坐標系
預應力孔道定位
該項目中混凝土塔筒構(gòu)件每個截面均有40個預應力孔道，根據(jù)與門洞的位置關(guān)系可分為標準孔道和非標準孔道，如圖5所示。
圖5 預應力孔道
1.標準孔道分布于距洞門較遠的區(qū)域，孔道中心線在水平面投影沿圓弧方向等角度均勻布置，孔道軸線投影交匯于圓心，即坐標系原點。
圖6 構(gòu)件節(jié)段間孔道偏差
2.非標準孔道靠近洞門，屬于三維孔道，存在2 個維度的傾角，孔道軸線投影不通過圓心。塔筒吊裝完成后，預應力鋼束均需從每個孔道自上而下依次穿過。由于孔道數(shù)量較多，容易出現(xiàn)構(gòu)件節(jié)段間孔道偏差，如圖6所示，孔道凈空間被削弱，穿束失敗風險增加; 此外非標準孔道由于三維斜率原因，問題將更為突出。為解決上述問題，
首先在確定孔道內(nèi)徑時考慮生產(chǎn)誤差，預留足夠空間，因此本項目孔道截面與鋼束截面面積比為3;
其次在繪制構(gòu)件三維模型時，采用底圖方式對孔道進行定位和繪制，坐標精度為0.1mm。
鋼筋布置
混凝土部分塔筒為薄壁圓環(huán)形構(gòu)件，且半徑隨高度線性變化，使環(huán)向鋼筋布置的基準不斷變化，導致鋼筋布置及定位十分繁瑣。為此，綜合考慮構(gòu)件特征，對鋼筋布置方式進行優(yōu)化。
圖7 鋼筋參數(shù)化設(shè)計
1.針對構(gòu)件內(nèi)外側(cè)豎向鋼筋采用環(huán)向陣列的布置方式，考慮到構(gòu)件高度不同，將陣列后的鋼筋族設(shè)計為參數(shù)化驅(qū)動的鋼筋組，通過載入方式實現(xiàn)鋼筋快速布置( 見圖7a) ，與常規(guī)Ｒevit單一放置鋼筋方式相比效率提升約80%。
2.對構(gòu)件環(huán)向鋼筋采用報告參數(shù)的方式解決布置問題。有門洞口避讓的環(huán)向鋼筋，增加開口寬度參數(shù)，實現(xiàn)多參數(shù)驅(qū)動，如圖7b所示，相比常規(guī)Ｒevit 鋼筋放置方式效率提升約60%。
預埋件布置
由于塔筒節(jié)段為三維曲面構(gòu)件，給預埋件的定位與布置造成了極大困難。不僅需要考慮定位方式及精度問題，還要考慮基準面為曲面給埋件設(shè)計帶來的困難。
脫模及吊裝埋件與支撐調(diào)標高用埋件一般設(shè)置在構(gòu)件橫截面上，放置方式無特殊要求。注/出漿孔道、防雷埋件及設(shè)備連接用牛腿埋件一般設(shè)置在塔筒內(nèi)側(cè)壁上，由于內(nèi)側(cè)壁為三維曲面，采用直角坐標系定位不易表達，且精度不易控制，最終采用極坐標方式進行定位。同時由于曲面傾角存在，為保證埋件外露面處于水平和豎直狀態(tài)，在埋件設(shè)計過程中要考慮埋件傾角問題。
由于單個構(gòu)件中預埋件數(shù)量較多，埋件間、埋件與鋼筋間交叉情況較為頻繁，因此需要在設(shè)計過程中重點關(guān)注，借助Ｒevit 軟件的三維顯示功能進行核查和調(diào)整，取得了良好的效果。
1.對風電塔架及類似結(jié)構(gòu)三維曲面構(gòu)件深化設(shè)計，利用BIM三維建模出圖可有效解決碰撞問題，同時借助參數(shù)化驅(qū)動方式可對鋼筋進行快速布置。
2.由于風電塔架外形如圓環(huán)構(gòu)件，考慮到幾何外形設(shè)計和埋件定位問題，采用極坐標較直角坐標系簡便且易于表達。
3.在塔筒構(gòu)件深化設(shè)計階段，應綜合考慮生產(chǎn)、運輸與吊裝環(huán)節(jié)問題，保證設(shè)計方案對后續(xù)環(huán)節(jié)具有實際指導意義。深化設(shè)計階段重點關(guān)注問題為孔道精確布置、埋件準確定位及與鋼筋間碰撞檢查等。
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