一种装配式混凝土塔筒基础监测方法与流程

1.本发明涉及风力发电塔筒和塔筒基础监测技术领域，尤其涉及一种装配式混凝土塔筒基础监测方法。


背景技术：

2.风力发电项目逐渐向低风速、高切变区域发展，风力发电机组塔筒的高度从100m以下逐渐升高至120m、140m甚至更高，在100m以上的风力发电机组塔筒中，传统的钢塔筒由于重量轻、刚度小、阻尼小、频率易与风机工作频率接近而引起共振等缺陷，使得混凝土塔筒的优势得到了进一步显现，应用也越来越广泛。
3.考虑到质量、工期等因素，目前混凝土塔筒普遍采用装配形式，通过工厂预制塔筒管节，现场逐节拼装，最后通过预应力锚索张拉锚固等方式构成整个风机塔筒结构。
4.由于装配式混凝土塔筒的受力特性和施工要求，塔筒基础底部有一个较大的圆台形空腔，用于安装预应力锚索；基础存在类似牛腿构造用于固定预应力锚索；上部装配式塔筒通过一段现浇混凝土塔筒段与基础相连，通过现浇混凝土塔筒段向基础传递荷载。现有技术中缺少对圆台形空腔基础进行监测的方法，因此无法对塔筒进行健康评估。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种装配式混凝土塔筒基础监测方法，以解决风力发电机组的装配式混凝土塔筒基础的健康监测问题。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种装配式混凝土塔筒基础监测方法，包括如下步骤：
8.s1，测点方位设置：在迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧，共设置四个测点方位；
9.s2，在基础底板的板底设置土压力计，每个所述测点方位设置至少一个所述土压力计；
10.s3，在所述基础底板的板顶环向筋、板顶径向筋、板底环向筋、板底径向筋、圆台竖向筋和牛腿角部筋上，在每个所述测点方位分别设置至少一个应变计测点；在所述板顶环向筋、所述板顶径向筋、所述板底环向筋、所述板底径向筋和所述圆台竖向筋周围混凝土中，在每个所述测点方位分别设置至少一个所述应变计测点；
11.s4，将所述应变计测点分组：
12.第一组，包括所述基础底板的所述板顶环向筋和所述板顶径向筋上的所述应变计测点，所述板顶环向筋和所述板顶径向筋周围所述混凝土中的所述应变计测点；第二组，包括所述基础底板的所述板底环向筋和所述板底径向筋上的所述应变计测点，所述板底环向筋和所述板底径向筋周围所述混凝土中的所述应变计测点；第三组，包括所述圆台竖向筋和所述牛腿角部筋上的所述应变计测点，所述圆台竖向筋周围所述混凝土中的所述应变计测点；每组所述应变计测点的导线分别引至相应所述测点方位的集线箱内，并通过所述集
线箱与信号采集装置连接；
13.s5，浇注基础混凝土后，所述信号采集装置进行数据采集，对所述应变计测点和所述土压力计的检测数据进行监测。
14.可选地，所述板顶环向筋、所述板顶径向筋、所述板底环向筋、所述板底径向筋上的所述应变计测点均为靠近所述圆台竖向筋所在圆台的外边缘设置。
15.可选地，步骤s2中每个所述测点方位设置两个所述土压力计，两个所述土压力计间隔设置在所述圆台竖向筋外侧部分的所述基础底板的两端。
16.可选地，所述土压力计与测量应变的设备在同一个竖直位置上。
17.可选地，所述圆台竖向筋上所述应变计测点位置靠近现浇塔筒段设置以检测所述现浇塔筒段下方的局部载荷水平。
18.可选地，所述应变计测点处的应变计的测量方向沿所述板底径向筋或所述板顶径向筋的轴向方向，或沿所述板顶环向筋或所述板底环向筋的切线方向。
19.可选地，所述应变计测点处的所述应变计均绑扎在所述板顶环向筋、所述板顶径向筋、所述板底环向筋、所述板底径向筋、所述圆台竖向筋和所述牛腿角部筋上，周围所述混凝土中的所述应变计测点处的所述应变计与相应位置的所述板顶环向筋、所述板顶径向筋、所述板底环向筋、所述板底径向筋和所述圆台竖向筋之间设有垫块。
20.可选地，步骤s5中所述应变计测点的检测数据包括直接检测获取的应变数据和根据所述应变数据计算得到的应力数据。
21.可选地，步骤s5中所述监测还包括对所述基础底板的截面弯矩进行监测，所述截面弯矩通过如下方法得到：
22.s51，选取风机塔筒安装前、基础混凝土浇筑完成并养护后的某一时刻，选取此时某同一个所述测点方位的所述应变计测点的数值为基准点，假定为ε
0，i
，i＝1,2,3,4；
23.s52，将同一所述应变计测点的在任意时刻测得应变值εi减去同一时刻的应变基准点ε
0，i
,得到任意时刻外荷载引起的应变值δε；则所述外荷载引起的钢筋应力值为δσs＝e
·
δε，混凝土应力值δσc＝σ(δε)；所述钢筋包括所述板顶环向筋、所述板顶径向筋、所述板底环向筋和所述板底径向筋；由此计算得到δσ
cdhti
、δσ
sdhti
、δσ
sdhbi
分别为所述板顶环向筋周围混凝土的应力、所述板顶环向筋的应力和所述板底环向筋的应力，δσ
cdjti
、δσ
sdjti
、δσ
sdjbi
分别为所述板顶径向筋周围混凝土的应力、所述板顶径向筋的应力和所述板底径向筋的应力；
24.s53，所述钢筋与所述钢筋周围的所述混凝土组成等效梁，等效梁截面受压区所述混凝土的应变沿所述受压区高度x线性分布，所述受压区高度x上任意一点的应力δσ
xi
＝σ(δε
xi
)，则所述基础底板的所述截面弯矩m为：
25.m＝f
cdhti(cdjti)
(h
0-x+yc)+a
st
nδσ
sdhti(sdjti)
(h
0-as)
26.式中，f
cdhti(cdjti)
为所述受压区压应力的合力，计算环向弯矩时有δε
xi
＝δε
cdhti
*xi/x；计算径向弯矩时有δε
xi
＝δε
cdjti
*xi/x；xi为计算点到中性轴的距离；δε
cdjti
为所述板顶径向筋周围混凝土的应变，δε
cdhti
为所述板顶环向筋周围混凝土的应变；h0为所述等效梁截面有效高度，as为所述受压区钢筋合力点至截面受压边缘的距离；yc为混凝土压应力合力点距中性轴的距离；b为所述板底环向筋、所述板顶
环向筋、所述板底径向筋或所述板顶径向筋的钢筋间距；a
st
为所述板顶环向筋或所述板顶径向筋的单根钢筋的横截面积。
27.可选地，步骤s5中所述监测还包括对所述圆台竖向筋的轴力进行监测，所述圆台竖向筋的轴力f
yt
为：
28.f
yt
＝a
yts
δσs29.其中，a
yts
为所述圆台竖向筋的钢筋横截面积。
30.本发明的有益效果：
31.本发明的一种装配式混凝土塔筒基础监测方法，通过在基础底板的板顶和板底钢筋上分别在四个测点方位上设置应变计测点，能够监测基础底板、牛腿角部筋和圆台竖向筋的内力和基础底板的沉降量，从而实现对基础的实时健康监测。
附图说明
32.图1是本发明的一种装配式混凝土塔筒基础监测方法中的基础底板的平面图；
33.图2是本发明的一种装配式混凝土塔筒基础监测方法中土压力计的平面布置示意图；
34.图3是图1的a-a剖面图，含图2所示土压力计tyl；
35.图4是本发明实施例中钢筋与钢筋周围混凝土组成的等效梁结构示意图；
36.图5是图4中等效梁的截面应力示意图；
37.图6是图4中等效梁的截面应变示意图。
38.图中：
39.1.基础底板；11.板顶环向筋；12.板顶径向筋；13.板底环向筋；14.板底径向筋；2.圆台竖向筋；3.牛腿角部筋；4.现浇塔筒段；5.集线箱。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
41.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示
的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
44.本发明提供一种装配式混凝土塔筒基础监测方法，如图3所示，装配式混凝土塔筒基础包括基础底板1、圆台段和锚索锚固段，其中，基础底板1在浇注混凝土之前需要设置板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13和板底径向筋14，圆台段设有圆台竖向筋2，锚索锚固段设有牛腿角部筋3，现浇塔筒段4浇注于圆台段顶部。本实施例中圆台段是基础底板1上方的圆柱环结构，本领域内通常称为圆台。应用本发明提供的监测方法，监测内容包括板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13和板底径向筋14的应变，基础底板1的顶部和底板混凝土的应变、圆台竖向筋2和牛腿角部筋3的应变、圆台竖向筋2和牛腿角部筋3周围混凝土的应变，以及基础底板1的沉降，分别用于反映基础底板1的内力、圆台段的局部(现浇塔筒段4下方)受压以及牛腿的局部受拉的内力水平、基础的沉降和倾斜，实现对装配式混凝土塔筒基础的健康监测。
45.如图1-图3所示，本实施例提供的一种装配式混凝土塔筒基础监测方法包括包括如下步骤：
46.s1，测点方位设置：在迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧，共设置四个测点方位；这四个测点方位能充分反映在主风向情况下，基础受力状态，具有更加显著的代表性和可研究性。
47.s2，在基础底板1的板底设置土压力计tyl，每个测点方位设置至少一个土压力计tyl；
48.如图2所示实施例，在基础底板1安装前，预先放样基础底板1轮廓，确定测点方位，然后埋设土压力计tyl，每个测点方位设置两个土压力计tyl，共八个，两个土压力计tyl间隔设置在圆台竖向筋2外侧部分的基础底板1的两端，土压力计tyl用于测量基础下部土体的压应力，布置时，每个测点方位上设置两个土压力计tyl，其中一个土压力计tyl布置在基础底板1的最外侧边缘的底部，即中心的端部，另一个土压力计tyl布置在基础底板1的靠近圆台段或靠近中心的位置，以便更全面地反映土压力随基础圆环半径方向的分布规律。土压力计tyl与测量应变的设备在同一个竖直位置上。测量应变的设备包括测量基础底板1内部钢筋及混凝土应变的设备。如图2和图3所示，八个土压力计tyl呈中心对称和轴对称分布。
49.s3，在基础底板1的板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13、板底径向筋14、圆台竖向筋2和牛腿角部筋3上，在每个测点方位分别设置至少一个应变计测点；在板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13、板底径向筋14和圆台竖向筋2周围混凝土中，在每个测点方位分别设置至少一个应变计测点；
50.本发明中的每个应变计测点处设置有应变计或应变片，应变计或应变片安装在基础的钢筋上，随钢筋浇筑在基础内。
51.结合图1和图3，板顶环向筋11和板底环向筋13上分别在每个测点方位设置一个应变计测点dh，共八个。板顶径向筋12和板底径向筋14上分别在每个测点方位设置一个应变计测点dj，共八个。相对于基础底板1的边缘，八个应变计测点dh和八个应变计测点dj均为靠近圆台竖向筋2所在圆台的外边缘设置，至少设置在圆台段外缘和基础底板1外缘之间的
靠近圆台段的三分之一处，即设置在圆台外缘十个以内的环向筋范围内。如果将基础底板1等效为悬臂梁受力模型，圆台段可视为支座，此处内力最大，因此应重点监测，所以应变计测点dh和应变计测点dj均布置在靠近圆台段外缘处，得到的测点数据能够相互印证。
52.可选地，圆台竖向筋2上应变计测点yt位置靠近现浇塔筒段4设置以检测现浇塔筒段4下方的局部载荷水平。如图1和图3所示，应变计测点yt在每个测点方位设置一个，共四个，应变计测点yt设置的现浇塔筒段4下方的圆台竖向筋2上，应变计测点yt靠近现浇塔筒段4设置，以便于充分反映现浇塔筒段4对基础局部受压的载荷水平和影响。
53.牛腿角部筋3上，在每个测点方位分别设置一个应变计测点nt，共四个，如图1和图3所示，牛腿角部筋3设置在锚索锚固段，应变计测点nt能够充分反映预应力锚索张拉情况下牛腿的载荷水平和影响。
54.本实施例中，在混凝土中设置应变计测点的目的是对钢筋与基础表面之间的混凝土应变进行测量，现有技术中的一般测量混凝土应变的方法是在基础表面贴应变片，但在复杂土体环境下，应变片极易在基础安装完成后进行回填施工时遭到破坏，且混凝土应变的测量结果易受土体扰动影响，因此本发明中分别在板顶环向筋11、板底环向筋12、板底环向筋13、板底径向筋14、圆台竖向筋2与基础表面间的混凝土之间设置应变计测点，在应变计测点布置应变计，优选振弦式混凝土应变计。
55.安装时，为了进行区分，本发明中，用于测量钢筋应变的应变计称为钢筋应变计，用于测量混凝土的应变计称为混凝土应变计。钢筋应变计和混凝土应变计在安装时，同一个测点方位上绑扎在同一根钢筋上，混凝土应变计与钢筋应变计紧邻设置，同一测点方位的应变计测点尽量设置在同一竖直方向位置，在宏观基础内，应变计的体积很小，可以等效为一个点，因此紧邻设置可以保证钢筋应变计和混凝土应变计能够反映同一截面内的应力变化。混凝土应变计与钢筋应变计的测量方向相同，或同为板顶或板底环向筋的切线方向，或同为板顶或板底径向筋的轴线方向。
56.可选地，应变计测点处的钢筋应变计均绑扎在板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13、板底径向筋14、圆台竖向筋2和牛腿角部筋3上，周围混凝土中的应变计测点处的混凝土应变计与相应位置的板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13、板底径向筋14和圆台竖向筋2之间设有垫块，并绑扎在相应位置的同一钢筋上。混凝土应变计与附着的钢筋之间放置有垫块，使得混凝土应变计能够尽量接近混凝土表面，测量到基础表面的混凝土应力。
57.s4，将应变计测点分组：
58.第一组，包括基础底板1的板顶环向筋11和板顶径向筋12上的应变计测点，板顶环向筋11和板顶径向筋12周围混凝土中的应变计测点；第二组，包括基础底板1的板底环向筋13和板底径向筋14上的应变计测点，板底环向筋13和板底径向筋14周围混凝土中的应变计测点；第三组，包括圆台竖向筋2和牛腿角部筋3上的应变计测点，圆台竖向筋2周围混凝土中的应变计测点；每组应变计测点的导线分别引至相应测点方位的集线箱5内，并通过集线箱5与信号采集装置连接；
59.如图1和图3所示，集线箱5在图1中用jxx表示，四个测点方位上分别设置一个，具体高度位置不限，每个测点方位的集线箱5用于集中相应测点方位的应变计测点的导线。在实施时，应变计测点设置的应变片或应变计，以及土压力计等，其导线或线缆顺着相附着的
钢筋方向绑扎，并预留长度至延伸到基础外，线缆紧贴钢筋绑扎，可以避免混凝土施工中的绕动破坏。在基础的钢筋上绑扎安装有集装箱5的固定支架，四个测点方位分别布置一个固定支架，用于固定集装箱5。在混凝土施工并浇注到应变片和应变计附近时，应避免振捣棒振捣，而采取人工振捣方式，避免破坏检测设备。在混凝土强度达到设计要求后，在集线箱5的固定支架上安装集线箱5，集线箱5的下侧留有线缆通孔，应变片或应变计以及土压力计的线缆通过该线缆通孔进入集线箱5内部。集线箱5背离基础表面一侧，设有小门，门上设有走线孔，集线箱5的引出线缆通过该走线孔能够引入并接入信号采集装置。
60.s5，浇注基础混凝土后，信号采集装置进行数据采集，对应变计测点和土压力计的检测数据进行监测。
61.可选地，通过信号采集装置可以读取任意时刻的应变计和土压力计的检测数值，得到各测点方位的应变计测点的应变时程曲线，从而实现对基础应变水平的监测。根据基础(装配式混凝土塔筒基础，简称基础，基础包括基础底板1。)的本构关系，可以由应变计算得到基础底板1各部位应力，进而可以得到基础底板1的各部位内力。当基础底板1的内力超过设计值时，进行相应预警或报警。
62.本发明实施例中，步骤s5中应变计测点的检测数据包括直接检测获取的应变数据和根据应变数据计算得到的应力数据。
63.可选地，步骤s5中监测包括对基础底板1的截面弯矩的监测和对圆台竖向筋2轴力的监测。
64.其中，对基础底板1的截面弯矩通过如下方法得到：
65.s51，选取风机塔筒安装前、基础混凝土浇筑完成并养护14天后的某一时刻，选取此时某同一个测点方位的应变计测点的数值为基准点，假定为ε
0，i
，i＝1，2，3，4；
66.s52，将同一应变计测点的在任意时刻测得应变值εi减去同一时刻的应变基准点ε
0，i
，得到任意时刻外荷载引起的应变值δε；则外荷载引起的钢筋应力值为δσs＝e
·
δε，混凝土应力值δσc＝σ(δε)；混凝土应力值δσc采用《混凝土结构设计规范》6.2.1第3条的混凝土本构关系计算得出。混凝土应力为混凝土应变的函数，钢筋应力为钢筋应变的函数。
67.本文所称钢筋泛指所有钢筋材质，包括板顶环向筋11、板顶径向筋12、板底环向筋13和板底径向筋14，以及圆台竖向筋2和牛腿角部筋3等基础钢筋骨架中的钢筋。
68.根据应力应变关系，可以计算得到图5中：δσ
cdhti
、δσ
sdhti
、δσ
sdhbi
分别为板顶环向筋11周围混凝土的应力、板顶环向筋11的应力和板底环向筋13的应力，δσ
cdjti
、δσ
sdjti
、δσ
sdjbi
分别为板顶径向筋12周围混凝土的应力、板顶径向筋12的应力和板底径向筋14的应力；
69.s53，钢筋与钢筋周围的混凝土组成等效梁如图4，图中圆点表示钢筋，矩形框为混凝土。应变计测点处钢筋和混凝土的应力分布和应变分布如图5和图6，图6中，δε
cdhti
为板顶环向筋11周围混凝土的应变，δε
sdhti
为板顶环向筋11的应变，δε
sdhbi
为板底环向筋13的应变，δε
cdjti
为板顶径向筋12周围混凝土的应变，δε
sdjti
为板顶径向筋12的应变，δε
sdjbi
为板底径向筋14的应变，i表示第i个测点方位上，h为基础底板1的板顶和板底的间距。等效梁截面受压区混凝土的应变沿受压区高度x线性分布，受压区高度x上任意一点的应力δσ
xi
＝σ(δε
xi
)，则基础底板的截面弯矩m为：
70.m＝f
cdhti(cdjti)
(h
0-x+yc)+a
st
nδσ
sdhti(sdjti)
(h
0-as)
71.式中，f
cdhti(cdjti)
为混凝土受压区压应力(包括板顶环向筋11和板顶径向筋12周围混凝土压力)的合力，计算环向弯矩时有δε
xi
＝δε
cdhti
*xi/x；计算径向弯矩时有δε
xi
＝δε
cdjti
*xi/x；xi为计算点到中性轴的距离；δε
cdjti
为板顶径向筋12周围混凝土的应变，δε
cdhti
为板顶环向筋11周围混凝土的应变；h0为等效梁截面有效高度，as为受压区钢筋合力点至等效梁截面受压边缘的距离；yc为混凝土压应力合力点距中性轴的距离，可以通过积分求得；b为板底环向筋13、板顶环向筋11、板底径向筋14或板顶径向筋12的钢筋间距，单位m。
72.其中，等效梁横截面受压区高度采用公式计算：
[0073][0074]
其中，a
st
为板顶环向筋11或板顶径向筋12的单根钢筋的横截面积，a
sb
为板底环向筋13或板底径向筋14的单根钢筋的横截面积。
[0075]
可选地，步骤s5中，监测还包括对圆台竖向筋2的轴力进行监测，圆台竖向筋2的轴力f
yt
的具体计算方法如下：
[0076]
a.选取风机塔筒安装前、基础混凝土浇筑完成并养护14天后的某一时刻，选取此时某同一布点位置即测点方位上各应变计数值为基准点，假定为ε
0，i
(i＝1，2，3，4)。
[0077]
b.将同一位置各应变计任意时刻测得应变值εi减去同一时刻的应变基准点ε
0，i
,可得到任意时刻外荷载引起的应变值δε。则外荷载引起的钢筋应力值为δσs＝e
·
δε，混凝土应力值δσc可采用《混凝土结构设计规范》6.2.1第3条的混凝土本构关系计算得出，δσc＝σ(δε)。
[0078]
c.由此可以得到圆台竖向筋2的轴力f
yt
为：
[0079]fyt
＝a
yts
δσs[0080]
其中，a
yts
为圆台竖向筋2的钢筋横截面积。
[0081]
当圆台段承受的轴力超过设计值，进行相应预警或报警处理。
[0082]
本发明提供的一种装配式混凝土塔筒基础监测方法，通过在基础底板1的板顶和板底钢筋上分别在四个测点方位上设置应变计测点，能够监测基础底板1、牛腿角部筋3和圆台竖向筋2的内力，以及监测基础底板1的沉降量，从而实现对基础的实时健康监测。
[0083]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。