范军
中核坤华能源发展有限公司工程建设中心 浙江·杭州 311100
提要：随着风力发电数十年突飞猛进地发展，风电技术不断快速地更新迭代，风机制造不断革命，技术持续创新发展，大直径的锚栓笼锚板一般分成两半圆环或者三等分圆环运输，现场再拼接、组装成正圆环锚板，现场拼接安装后上表面平整度往往超过了±1mm的精度要求。基于此种情况，部分风机制造厂家陆续提出新的解决方案，取消上锚板，我今天谈论的主题即大直径风机基础锚栓笼取消上锚板施工技术，以及取消上锚板的预应力锚栓笼安装施工技术、控制要点。其设计、优化、施工的理论探索和实践创新为今后同类工程提供有益的借鉴。
关键词：风机基础锚栓笼 取消上锚板 施工技术
1.序言：
容量越来越大的风力发电机组，目前已达到单机容量4.XMW，转轮直径已达170m，与之抗倾覆、适应配套的风机塔架除了高度、塔身壁厚增加外，直径也已增大到5m以上，因此连接风机基础混凝土与塔架的柔性连接方式的预应力锚栓笼也随之增大直径、单根锚栓直径也在增加、锚栓长度也在增加，锚栓笼直径增加，加工制造、运输、安装、拼接等施工精度问题随之相伴而至，如何解决这一问题就已成为大直径风机基础锚栓安装施工的难题。
在内蒙古某风电场通过优化设计，取消了大直径风机基础预应力锚栓笼上锚板的施工工艺，用加厚、加宽风机底段塔架底端T型法兰的方式，成功解决了大直径锚栓笼上锚板上表面平整度不达标的问题。实践证明，本次优化涉及大直径风机塔架是未来的发展趋势，面广、难度大，既有理论讨论又具有实践创新，经济效益显著、技术创新。其分析优化设计方案，为今后类似工程施工提供了极其有益的借鉴和实践经验。
2.预应力锚栓式风机基础的运用
2.1基础环式风机基础的缺点
前些年风力发电机组基础多采用基础环连接混凝土基础与风机塔架，运行几年后，风机基础环与混凝土基础接缝处出现泛浆现象，现场勘察、分析，认定为基础环与混凝土接缝已经形成，推论基础环与混凝土基础间已产生破碎带，基础环下法兰可能形成空腔，存在严重的安全隐患。通俗地讲，就好比吸管插在冰冻豆腐上，随着风机运行，风向改变，塔架360°一周范围内都可能承受荷载有倾覆趋势，为抵抗倾覆，塔架势必与风机基础混凝土结合处有交变荷载，久而久之，吸管与冰冻豆腐之间的间隙越来越大，由于类似吸管的塔架是金属材料，刚度和塑性变形相对大于混凝土，且钢筋混凝土相对塔架为脆性结构，基础环与基础混凝土连接部位存在刚度突变，在长期的交变荷载作用下，致使混凝土基础与塔架连接部分混凝土存在疲劳强度破坏的风险，因此此处混凝土常常破碎、碎裂。
对于采用基础环连接方式的风机基础，基础环实质是一个厚壁钢管筒，可以视作一个刚体，其弹性模量与混凝土差别非常大。基础环埋入混凝土中的部分是一个刚性结构，而露出部分以及整个塔筒又是一个柔性体，在基础环和混凝土基础最上面的交线，就形成了一个应力集中部位，如果基础环在这个部位材料有缺陷或承受的应力过大，就很容易在这个部位造成疲劳破坏。基础环连接主要通过混凝土基础中预埋钢筒，钢筒上部带有上法兰，通过高强度螺栓与塔筒进行连接，下部带有下法兰。钢筒作用与混凝基础混凝土的压力主要靠下法兰传递；上拔力则通过下法兰传递给上方的混凝土并传递给周边的钢筋。节点的强度取决于钢筒埋深、混凝土强度、钢筒周边配筋形式及长度等因素。
对此种现象的原因分析认为，基础法兰环与底端基础承台是一个钢筋混凝土整体组合结构，受工程结构特点，在基础大体积混凝土浇筑过程中受应力、混凝土自收缩、法兰环与混凝土不同材料的温缩差、环形结构等各种因素组合无法避免的使法兰环与基础大体积混凝土间产生间隙。风机基础环（法兰筒），由于风机运行时间隙会增加，雨水（有明水时）灌入基础环与基础混凝土间隙内，导致基础环内、外出现泛浆现象。泛浆物呈灰状液体，不凝结，该泛浆现象随着时间推移将进一步加剧基础环受力结构恶化，随着泛浆量加大，钢结构基础环与混凝土基础结构间隙将不断扩大，势必对风机基础及风机安全运行造成严重影响，甚至可能造成风机倾倒的安全生产事故。鉴于此，此类基础环式风机基础形式缺点较明显，解决这些问题需要改进工艺或新的解决方案替代，于是预应力锚栓便应运而生。
2.2预应力锚栓笼式风机基础的运用
预应力锚栓基础形式并不是将锚栓和混凝土浇筑在一起，它是由上锚板、下锚板、锚栓、PVC护管等组成，在上锚板和下锚板之间用PVC护管将锚栓与混凝土隔离（即无粘结后张拉预应力），而且要密封，浇筑过程中水不能进入到护管内，以免对锚栓造成腐蚀。当锚栓受到拉力时，锚栓的下锚板以上部分会均匀受力，整个锚栓是一个弹性体，没有弹性部分和刚性部分的界面，从而避免了应力集中。由于对锚栓施加预应力，混凝土基础始终处于受压状态，因此采用预应力锚栓的风机基础就不会出现基础环两侧混凝土出现应力集中而产生破坏的情况。
预应力锚栓风机基础的优点明显，锚栓贯穿风机基础整个高度并通过下锚板将锚栓锚固在基础底板，结构连续、无刚度和强度突变；基础混凝土长期处于受压状态，混凝土不产生裂缝，其耐久性得到大大提高；基础柱墩中竖向钢筋几乎不受力，仅需按构造配置预应力钢筋混凝土中的非预应力钢筋，基础更为经济；基础内部配筋灵活，不受阻隔，节省钢筋用量；施工方便，工艺简单，缩短工程建设周期。因此，预应力锚栓笼基础目前使用较为普遍，替代了基础环式风机基础，且能满足风力发电机组长期安全运行的需求，在行业内大力推广并采用，且获得良好的实践经验。
3.取消上锚板的预应力锚栓笼式风机基础的由来
3.1普通预应力锚栓笼风机基础与取消上锚板锚栓笼风机基础优缺点
普通预应力锚栓笼有施工操作简单、施工速度快等特点，适合塔架直径不大（一般不大于5m）的风机基础，由于目前我国道路运输货物限制高度为4.5m（极限高度5m），限制宽度4.5m（极限宽度5m），故直径5m以下的锚栓笼上下锚板可在生产厂家内制造加工成正圆环运输至施工现场，加工精度（平整度）可以得到有效保证，施工现场安装精度（±1mm）也因此能得到保证。
但是，随着风机革命不断深入，技术不断创新，陆上风机单机容量不断刷新上限，以至于到目前已有5.XMW机型诞生，主流机型已更新迭代至3.XMW、4.XMW机型，容量的不断突破、刷新，塔架也随之越来越高，直径也越来大，因此锚栓笼也越来越大，锚栓直径也越来越大，长度越来越长。以至于锚栓笼上下锚板直径已达到5.5m，厚度达到120mm，甚至达到150mm，由于其受力结构要求，锚板一般采用碾压件（碾环成型），这样一来运输的问题出现了，必须分段后运输，然后现场拼接、安装，以至于在加工拆分、运输、装卸、倒运、拼接、安装等过程中不可避免的变形便产生了，现场无法回避的事实即拼接完成后平整度超标，暂时没有更好的办法处理平整度超标问题，只能在二次灌浆完成后将超高部分用砂轮机打磨清除，使平整度达标。然后再进行塔架吊装、风机吊装等工序施工，以确保风机运行安全。
上述施工方法非常麻烦，且工期无法保证，因此就提出取消上锚板的施工工艺，经反复论证、计算其荷载，通过加厚、加宽风机底段塔架底端T型法兰的方式，从而替代了上锚板的功能，成功解决了大直径锚栓笼上锚板上表面平整度不达标的问题。
3.2预应力锚栓笼风机基础施工工艺
施工准备→预埋件预留→下锚板的安装及水平控制→定位锚栓与上锚板调整→上下锚板对正组装→锚栓组合件的调整及工艺验收→钢筋施工→模板施工→混凝土施工→二次灌浆。
3.3取消上锚板的预应力锚栓笼风机基础施工工艺
施工准备→预埋件预留→下锚板的安装及水平控制→定位锚栓与浇筑法兰调整→浇筑法兰及下锚板对正组装→锚栓组合件的调整及工艺验收→钢筋施工→模板施工→混凝土施工→拆除浇筑法兰→底段塔架安装→二次灌浆。
从以上施工工艺对比可以看出，普通锚栓笼基础和取消上锚板的锚栓笼基础的工艺区别在于一个有上锚板，一个无上锚板，没有上锚板的锚栓笼在施工时锚栓的定位（水平位置）靠浇筑法兰确定，其实浇筑法兰和有上锚板的锚栓笼的上锚板水平方向作用一样，但浇筑法兰较薄，甚至可以使高强塑料材料，也可以是很多片拼接成型，因为它只起确定锚栓水平相对位置以及塔架底法兰（T型法兰）位置（锚栓孔距）一致的作用，浇筑完成需要拆除，故属于反复使用的工具，鉴于此浇筑法兰在同一个项目只需配置少量重复使用即可，材料也因此不必使用钢材，只要能确定锚栓相对位置准确即可，成本大大降低，且能保证后期风机安全运行，所以得到推广和实践，在内蒙古某风电场实践经验证明，使用效果非常理想，风机运行一年来安全可靠。
4.预应力锚栓笼式取消上锚板风机基础施工技术
4.1预埋件留置
根据现场实际情况与预应力锚栓施工图要求，在风机基础垫层混凝土浇筑时指定位置布设数量（一般为8～12组）适宜、尺寸（一般300mm*300mm，厚15mm）合格的钢板预埋件，为预应力锚栓笼安装施工提供基础支撑。
4.2施工准备工作
4.2.1锚栓笼的组装准备
对预应力锚栓施工中所需的锚栓组合件数量、锚栓螺纹外观等进行检查，不符合施工标准的物件禁止进入施工现场。锚栓组件到场以后，需要在建设单位、施工单位、监理单位、锚栓厂家等单位的共同见证下，按照锚栓组件图纸和采购规范的要求，进行入场检查，检查内容可参照下表执行。锚栓组件在现场储存期间，指定场地进行装卸时应采用软木支垫保护，防止发生变形、锈蚀等损坏。
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4.2.2组装工具
组装工具必须是性能可靠的，且应在施工开始之前备齐，以便组装过程中使用。
（1）操作工具：力矩扳手（与锚栓规格配套）、M30开孔扳手、M16开孔扳手等。
（2）检测工具：经纬仪、水准仪、水平尺、钢卷尺(5m以上)。
（3）辅助工具：5m以上登高操作平台1个，10t小型千斤顶5只，10m尼龙缆风绳4根，10m长10t吊带4根，25t以上汽车吊1台。
4.3下锚板安装及水平控制
用吊车吊起下锚板，缓慢移动到基础预埋件上方约400mm处悬停；先将垫片和下螺母旋入支撑螺柱，拧至设计高度；然后将支撑螺柱自下而上穿入下锚板对应的螺栓孔内，在支撑螺柱上端拧入上螺母；支撑螺柱对准基础预埋件后，用吊车将下锚板放置在基础预埋件上。
安装支撑螺柱，使用千斤顶调节下锚板达到图纸设计标高，用水平仪测量下锚板水平度控制在≤3mm，满足要求后支撑螺柱都应着地（支撑螺柱与预埋件钢板接触）。
下锚板与基础的同心度调节，在0°和180°、90°和270°位置的两组锚栓孔间拉线，用钢卷尺测量两道拉线交点和基础中心点的水平距离s1；调整下锚板的平面位置，使下锚板与基础的同心度满足s1≤5mm；同心度满足要求后，将下锚板支撑螺柱与对应的基础预埋件焊接牢固，焊脚高度≥6mm；在焊接完成后，对下锚板的纵向、横向水平度再次进行校核、调整，要求下锚板的水平度≤3mm。
调整水平后拧紧支撑螺杆螺母，此时方可移走千斤顶；在下锚板上取四个对角位置螺栓孔（与浇筑法兰起吊位置对应），作好标记；组装完毕后要测量下锚板螺栓孔分度圆尺寸（锚板圆度），圆度测量方法为至少取下锚板上相对螺栓孔（两孔连线过圆心）12组（内外均布各12组），测量两孔距离，公差要求为±1mm。
4.4浇筑法兰的组装
由于运输宽度（≤5m）受限，浇筑法兰是多片拼装而成，需要按照浇筑法兰装配图纸进行浇筑法兰的组装。浇筑法兰为成套加工部件，各套模板部件不一定通用，为保证安装后法兰螺栓孔圆度，必须成套组装，应注意各套模板组件中的钢印标记，配套组装。
单片法兰重量大于1t，需用吊车起吊，组装时需垫方木支撑，避免下落时对法兰造成损伤，将连接法兰的垫板用螺栓拧紧，保证两片法兰处于同一平面，如下图所示。
在组装完毕后要测量其圆度，圆度测量方法为至少取两片法兰上相对螺栓孔12组（内外均布各12组），测量两孔距离，公差要求为±1mm，圆度测量符合要求后紧固安装盘上的所有紧固螺栓，并在指定孔位安装吊耳，拼装后，浇筑法兰平面度需要控制在2mm以内。
4.5定位锚栓与浇筑法兰的调整
在下锚板标记的位置安装4组锚栓，每组4根，用于浇筑法兰的垂直方向定位；定位锚栓的六角螺母暂不按装配图纸所示定位，应尽量向锚栓端部布置，螺母离锚栓端部距离保持一致，下锚板与浇筑法兰之间的距离应确保足够插入其余锚栓；把定位锚栓穿入对应的下锚板螺栓孔内，在下锚板下方加上垫片后上紧六角螺母；安装浇筑法兰时，确保4组锚栓分别分布在四个吊点附近，起吊之前需做好螺栓孔的标记。
起吊浇筑法兰，将吊带或者钢索系扣在四个吊耳上，保证四根吊索长度一致，绑好导向绳后起吊；将浇筑法兰吊至定位锚栓上方，通过导向绳将带标记的螺栓孔对准定位锚栓，然后落下法兰使锚栓穿过螺孔，并在法兰上方安装锥形导向螺母，但不需要完全紧固，只需保证螺母完全旋入。注意，该过程中汽车吊不允许松开，直至所有锚栓均已安装完成才可慢慢松开。
4.6浇筑法兰、下锚板对正组装、锚栓安装
使用吊车，将浇筑法兰稍许提起，保证浇筑法兰的重力完全由吊钩承受，但浇筑法兰不应触碰上方未完全旋紧的锥形导向螺母，其间可用导向绳进行牵引固定；将其余普通锚栓上端全部插入浇筑法兰，浇筑法兰上端的锥形导向螺母旋入即可，不需完全旋紧，安装其余普通锚栓时，应在一字或十字对角位置同时进行，防止倾覆，在螺母与下锚板上表面之间不要放置垫圈；在螺母与下锚板下表面之间放置垫圈（锚栓组装阶段每根锚栓只放置一块垫圈，另一块于锚栓紧固塔筒底部T型法兰上表面时使用）。
锚栓布置完成后，调节四组定位锚栓的下端螺母与其他螺母一致，将浇筑法兰缓缓放下直至完全贴合到下部锥形导向螺母，旋紧上部锥形导向螺母，锚栓上端露出下端锥形导向螺母的长度如下图所示，误差不应超过±1mm，垫板位置处锥形导向螺母的组装如下图所示。
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在组装完成后在基坑外缘每隔90°位置定一锚点，然后用装有花篮螺栓（正反丝双向调节螺栓）的拖拉绳将浇筑法兰与锚点连接；以浇筑法兰、下锚板螺栓孔的中心线作为基准，使用经纬仪测量垂直度，每隔90°取一组测量点，共测4组；调节四个方向的花篮螺栓，使浇筑法兰与下锚板同心度偏差不得超过3mm；调节完毕后，将拖拉绳维持在拉直状态以保证锚栓笼的整体稳定性，待基础浇筑完成时（或临近完成时）再拆除；再次测量下锚板和浇筑法兰的水平度和圆度，浇筑法兰上表面水平度要求2mm，其它水平度要求3mm，圆度公差要求为±1mm；最后紧固下锚板下端螺母，紧固力矩标准值为300N·m，并做好紧固标记；锚栓组件组装过程中，严禁脚手架或者其它任何工具斜靠在锚栓笼上，防止锚栓笼发生整体倾斜。
4.7锚栓组合件的调整及工艺验收
预应力锚栓组合件工艺验收的标准可参考下表：
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利用经纬仪对锚栓的垂直度进行检测，重点检测浇筑法兰、下锚板的中心是否处在同一铅锤线上，若不符合施工要求，可以预埋件为中心的2～3m范围内，每90°设置一根锚桩，并用装有花篮螺栓（正反丝双向调节螺栓）的拖拉绳将浇筑法兰与锚桩之间连接，同时对各个方向的花篮螺栓进行调节，以对浇筑法兰、下模板的螺孔的中心进行控制，要求误差≤3mm。
4.8钢筋、模板以及混凝土施工
在对预应力锚栓组合件安装工艺进行验收后，在锚栓笼内部空腔处，可用4根钢筋（两个方向、每个方向为十字形）加固锚栓笼，钢筋上端与浇筑法兰下表面焊接，下端与基础预埋件焊接，并在4根钢筋的交汇点焊接牢固，以起到稳固锚栓组合件的作用。在钢筋绑扎和模板支设施工完成后，即可开始混凝土浇筑作业。
在混凝土浇筑过程中需要注意以下几点事项：
（1）在混凝土浇筑过程中应注意保护锚栓组件，用塑料布或雨布把锚栓上部全部包裹好，以免其在浇筑混凝土时受到污染或损坏。
（2）混凝土必须连续浇筑，并采用插入式振捣器振捣，排出空气，确保混凝土振捣密实，严禁振捣棒直接触碰模板、钢筋及锚栓笼组件。混凝土浇筑厚度以及时间间隔必须严格执行设计图纸、现行技术规范的要求，应特别注意下锚板上方混凝土的浇筑质量。浇筑混凝土时应防止模板发生位移或倾斜，避免出现跑浆。
（3）混凝土浇筑完成后施工方应按照基础设计方的要求进行养护；混凝土基础浇筑过程中的相关检查内容，以及验收标准按照施工规范操作。
4.9浇筑法兰拆除、底段塔架吊装
基础混凝土至少养护24h 以后才可拆除浇筑法兰，拆除浇筑法兰时要缓慢平稳向上移出，以免磕碰到锚栓。
调平垫片安装前对锚栓进行检查，复核锚栓高出基础高度是否符合图纸要求，清理锚栓上的铁锈及混凝土残留，并用高压水枪冲洗干净（此工序为在基础验收合格的基础上复核、清理，如发现基础锚栓伸出高度不齐、外露长度不足、垂直度偏差较大、螺纹段损伤等情况必需处理）；在锚栓笼周向间隔处布置垫板，垫板设置顺序为先铺设适量的灌浆材料对混凝土基础进行找平（此灌浆料必须符合相关要求，铺设灌浆料前混凝土基础必须保持湿润，灌浆料厚度约10mm左右），然后放置底层金属板并调平压实再放置纤维板，最后纤维板上布置调平垫板。
调平垫片整周布置到位后利用水平尺初步调整相邻垫片平齐，利用激光水准仪校正、调整整周垫片水平度≤1mm，注意垫片调平过程中需控制垫片整体高度A，保证后续安装后螺纹露出长度C 满足拉伸器需求，螺纹露出长度可参考基础设计方施工图纸。
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调平垫板下部灌浆料强度达到30MPa以上，才可进行底段塔架的吊装；底段塔架底部T型法兰套穿过基础锚栓至调平垫片上；法兰穿过基础锚栓时必须注意吊装平稳，可四周布置人力辅助就位，并保证法兰孔与锚栓同轴度合格，避免法兰磕碰锚栓造成锚栓损伤。吊机提升力保持5t左右，安装预先放置好的锚栓垫片和螺母，注意垫片内孔倒角必须朝向螺母，接着用快速电动扳手按对称顺序内外圈同时预紧基础锚栓整周完成，预紧力矩400N·m；电动扳手内外圈全部按400N·m力矩预拧紧完成后，拆去主吊具。
4.10底段塔架下二次灌注灌浆料
底段塔架安装到位后按要求进行基础二次灌浆，选择或指定用来填充塔架底部法兰与基础混凝土间缝隙的超高强度水泥基灌浆材料；水泥基灌浆材料接触的混凝土表面应充分凿毛，灌浆前应将灌浆材料接触的模板和混凝土基础表面清理干净，不得有松动的碎石、浮浆、油污、灰尘等；灌浆前24h基础混凝土表面应充分湿润，灌浆前1h清除积水；二次灌浆时，应从一侧进行灌浆，直到从另一侧溢出为止，不得从两侧同时进行灌浆；灌浆必须连续进行，并尽可能缩短灌浆时间，保证二次灌浆混凝土质量，以及与风机基础混凝土牢固结合为一体且密实。
二次灌浆完成等待龄期完成后，即可锚栓预应力张拉，并在底段塔架上用紧固大螺母封锚、戴防护帽，至此即可以吊装剩余塔架、风机、及叶轮。
5.采用取消上锚板的预应力锚栓笼基础的经济效益
采用取消上锚板的预应力锚栓笼基础除可以解决上述技术问题以外，还有较为可观的经济效益。以50MW风电场为例，若采用单机容量为3.0MW风机，需安装17台风机，如果取消上锚板，较普通锚栓笼组合件则可节省17片上锚板，每片上锚板重约5t，以目前市场价16000元/t的单价计算，每片上锚板8万元，17片上锚板共计136万元。
由此可以看出，取消上锚板的锚栓笼经济效益显著，故从节省投资、造价的角度来看，也是值得推广、应用。
6.结束语
综上所述，从结构安全角度来说，预应力锚栓基础可避免结构在强荷载的作用下出现变形或刚度减弱现象，整体性良好，可弥补传统基础环式风机基础形式在风机基础施工及风机运行中的薄弱环节，结合取消上锚板的基础锚栓笼的风电场风机运行一年观测、后评价情况来看，该方案切实可行；从施工质量和施工进度、经济的角度来说，取消上锚板的预应力基础锚栓笼施工具有操作简单、节省投资、施工效率高等特点，可比原计划施工工期提前。由此可见，大直径风力发电基础采用取消上锚板的预应力锚栓笼基础施工具有提高综合效益、缩短施工工期、节省投资、确保施工精度以保证风机安全运行等优势，可进一步推广其在风电领域的应用和发展。
参考文献：
[1] 康明虎.某风电场风机基础故障分析及处理[J].可再生能源，2014，32（06）：809-813.
[2] 聂绪兵.风力发电预应力锚栓基础施工技术[J].低碳技术,2017（09）：25-26.
[3]上海电气风电集团股份有限公司.风力发电机组基础锚栓施工规范. 0SEW.960.031
作者简介：范军（1978.12-），男，汉族，湖北十堰人，中级工程师，从事新能源电力企业施工管理工作。