海上风电承台大体积混凝土裂缝控制技术

文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2016）06-0068-04
doi：10.7640/zggwjs201606017
Technology to control cracking in mass concrete for offshore wind power platforms
ZHU De-hua1, LIU Cheng-jun2, WANG Xin-gang1*
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中国港湾建设
2016 年第 6 期
由图 4 可以看出，拉应力自混凝土浇筑完成 后约 20 h 时开始大于容许拉应力，并在约 100 h 时达到最大值。由此可见，风机承台必将会产生 裂缝，这与 1.2 节温度场分析结果一致。因此， 风机承台必须研究相应的防裂技术措施，来防止 或减少裂缝的产生。 2 风机承台防裂技术措施
根据风机承台温度应力验算结果，为了减少 或避免裂缝的产生，主要从降低混凝土内部最高 温度，降低浇筑温度和提高混凝土本身抗裂性能 几方面综合考虑。 2.1 布置冷却水管
根据 1.2、1.3 节承台温度应力有限元分析结 果，并结合圆形承台的结构特点，冷却水管的平 面布置采用螺旋线形，平面布置间距为 900 mm， 如图 5 所示；冷却水管在立面上共布置 4 层，间 距 1 000 mm，每层冷却水管长度为 165~175 m， 如图 6 所示。
4 479 9.00
14 000 5 042
4 479
4.94 3.40
2 000
5 000
6 200
5 000
2 000
收稿日期：2016-03-17 作者简介：朱德华 （1980 — ），男，山东人，硕士，高级工程师，主要
从事水工结构及桩基检测研究工作。 *通讯作者：王新刚，E-mail：wxg58@
2016 年第 6 期
朱德华，等：海上风电承台大体积混凝土裂缝控制技术
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度数据进行采集，数据适配器将各个温度采集器 采集到的温度数据进行汇总，然后发射至 Internet， 储存到云数据库中。用户可以通过电脑、手机等 客户端实时查看温度数据。测温系统工件原理示 意图如图 7 所示。
温度传感 器 1～8 号
冷却水可采用常温海水，流速不小于 0.6 m/s； 同时对冷却水及混凝土内部温度进行监测，确保 冷却水管与混凝土温差不超过 25 ℃，当混凝土内 部降温速率达到 2 ℃/d 时，应停止通冷却水[3]。 2.2 降低混凝土的浇筑温度
1） 混凝土拌和用水加冰 将配合比中混凝土部分拌合水用相同重量冰 来代替，可降低混凝土原材料温度。经过试拌， 拌合用水中最多可加 75 kg 冰。 2） 降低混凝土原材料温度 降低混凝土原材料温度，特别是降低粗骨料 温度能够显著降低混凝土的浇筑温度。但由于海 上施工条件限制原材料遮阳存放比较困难，因此 把混凝土浇筑时间选择在清晨 6 点左右开始，这 样混凝土原材料经过一夜的降温，整体温度处于 较低水平。 通过采取以上两项措施，混凝土浇筑温度能 够控制在 28 ℃以下。 2.3 提高混凝土抗裂性能技术措施 1） 优化混凝土搅拌工艺 改变现有混凝土搅拌时的投料程序，采取将 粉煤灰、矿粉、砂和 70 %的冰水，充分搅拌后再 投放石子及剩余 30 %的冰水进行搅拌的新工艺， 这种搅拌工艺也称“二次投料法”。 2） 对混凝土进行保温保湿养护 风机承台模板拆除后，先在混凝土表面铺设 1 层土工布，洒水充分润湿后覆盖 1 层塑料薄膜 进行保水，最后再覆盖 1 层土工布。并在混凝土 内部降温速率接近或超过 2 ℃/d 时，覆盖棉被进 行保温保湿养护。密封保温保湿养护时间不少于 14 d。 3 风机承台混凝土温度的智能监测 3.1 监测目的 混凝土温度监测的目的主要是监测混凝土的 浇筑温度、内表温差、内部最高温度、降温速率 等温控指标，确保其符合相关规范要求。同时也 可为后续施工中采取相应温控措施提供依据。 3.2 监测系统工作原理 混凝土温度智能监测系统工作原理为：由各 个温度数据采集器将其所连接的温度传感器的温
风机承台仿真分析时长 40 d，风机承台 72 h 时温度场剖面如图 2 所示。
Fig. 2
图 2 风机承台 72 h 时温度场剖面图 Profile of No.72 h temperature field of platforms for wind power fans
风机承台混凝土浇筑完成后表面和中心温度 随时间变化曲线如图 3 所示。由图中可以看出， 承台表面在浇筑完成后 24 h 时温度达到最高值 48.6 ℃；中心在 72 h 时温度达到最高为 82.0 ℃， 最大内表温差达到了 33.4 ℃，超过了规范所允许 的最大值 25 ℃。由此可见，风机承台很可能会产 生表面裂缝。
第 36 卷 第 6 期 2016 年 6 月
中国港湾建设
China Harbour Engineering
Vol. 36 No.6 Jun. 2016
海上风电承台大体积混凝土裂缝控制技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
朱德华 1，刘成军 2，王新刚 1*
（1. 中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2. 中国港湾工程有限责任公司， 北京 100027）
11.5 10.5
拉应力
9.5
容许抗拉强度
8.5
7.5
6.5
5.5
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
-0.5
-1.5
-2.5
-3.5
时间/h
Fig. 4
图 4 风机承台应力随时间变化图 Change of stress in platforms for wind power fans over time
根据设计资料，应用有限元软件 Midas Civil[1]， 按照风机承台的实际尺寸建立有限元分析模型。
根据混凝土配合比的水泥、粉煤灰和矿粉的 用量，胶疑材料水化热折减系数取 0.8[2]，折算后 水泥用量当量值为 400 kg，水泥采用 P.O42.5 水 泥，水泥 7 d 水化热按经验值取 271 kJ/kg，风机 承台有限元计算分析参数如表 2 所列。
0 引言 福建龙源莆田南日岛 400 MW 海上风电示范
项目工程位于莆田市南日岛东北侧海域，规划布 置 100 台单机容量 4.0 MW 的风力发电机组。风 机基础采用 C50 高性能海工混凝土承台和钢管桩 基础。承台一般构造图如图 1 所示。C50 混凝土 配合比如表 1 所列。
由图 1 和表 1 可以看出，风机承台直径和厚 度分别达到了 14 m 和 5.6 m，胶凝材料单方用量 达到了 500 kg。另外，1 号风机承台预计在 8 月 份浇筑施工，当月平均气温较高，在 32 ℃左右，
摘 要：为了防止海上风电风机承台大体积混凝土出现裂缝，研究采用有限元软件在施工前进行温度应力分析计算。
根据温度应力计算结果所反映出来的温度场和应力场特点，有针对性地制定防裂技术措施。实践结果表明，风机承
台未出现裂缝，证明了控裂思路的可靠性。
关键词：大体积混凝土；海上风电；承台；裂缝控制
中图分类号：U654.18
图 6 冷却水管立面布置图（单位：mm） Fig. 6 Vertical layout of cooling water pipes（mm）
冷 却水 管 材 料 采 用 DN32 导 热 性 能 良 好 的 PE-RT 聚乙烯地采暖专用管，水管之间采用热熔
焊接连接，且每层为一组各设置进水口和出水口， 各自组成 1 个独立的冷却水管循环系统，进水口 均布置在承台中间，出水口均布置在承台外围。
90
85
中心温度
80
表面温度
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
时间/h
图 3 风机承台中心点温度随时间变化图 Fig. 3 Change of temperature at center of platforms for
wind power fans over time
1.3 风机承台应力场有限元分析结果 风机承台表面应力随时间变化如图 4 所示。
温度传感 器 1～8 号
…
温度传感 器 1～8 号
大气温度/℃ 浇筑温度/℃ 7 d 抗压强度/MPa 强度进展系数 28 d 弹性模量/MPa 热膨胀系数
泊松比 单位体积水泥含量/
（当量，kg·m-3）
放热系数函数
风机承台混凝土 1.046 2 403
9.627
41.86 32 34 47.6
a = 4.5，b = 0.95 3.35×104 1.0×10-5 0.2
表 2 风机承台有限元分析计算参数 Table 2 Parameters for finite element analysis of
platforms for wind power fans
物理特性 比热容（/ kJ·（kg·℃）-1）
质量密度（/ kg·m-3） 热传导率/
（kJ·（m·h）-1） 对流系数（/ kJ·m-2·h-1）
400
K = 55.076， a = 1.903 4
封底混凝土 1.046 2 403
9.627
— 32 — 20.0 — 2.2×104 1.0×10-5 0.18
—
—
1.2 风机承台温度场有限元分析结果 为了有针对性地制定防裂技术措施，对风机
承台不采取任何防裂技术措施条件下的温度场进 行仿真分析。
进水口 900 900 900 900 900 900
3号
2号
1号
出水口
图 5 冷却水管及测温点平面布置图（单位：mm） Fig. 5 Layout of cooling water pipes and temperature
measuring points（mm）