关于风机基础混凝土的裂缝控制分析

关于风机基础混凝土的裂缝控制分析

于志勇

（国华（通辽）风电有限公司内蒙古通辽028000）

摘要：风机基础属于大体积混凝土结构，而在大体积混凝土施工中，由于各种因素的影响，会导致混凝土结构出现裂缝，严重影响工程质量，对后期风机的安全运行和经济效益都有不利影响，因此，对风机基础混凝土的裂缝进行控制很有必要。本文对风机基础混凝土结构裂缝的成因进行了详细的分析，并提出了相应的防治措施，以供参考。

关键词：风机基础；混凝土；裂缝；控制；措施

开发风能是当前国家鼓励和提倡发展的产业，符合国家的环保政策，也顺应世界发展低碳经济的要求。与风电场快速发展相比，风机基础结构方面的研究较少。风机基础多数属于大体积混凝土结构。由于水泥在凝固过程中产生大量水化热，使混凝土具有一定的温度，混凝土内部积聚的热量不易散发，与混凝土表面温度相差较大时，很容易产生温度裂缝。防止风机基础大体积混凝土裂缝的关键是混凝土浇筑过程中温度和混凝土内外部温差控制。

1风机基础特点

1.1是支承高耸结构的独立式基础，风机轮毂中心高度高达几十米，基础要承受风机的重量荷载和侧向风荷载作用。基础混凝土施工质量成为保证风力发电机组能否正常运行的重要因素。

1.2大体积混凝土施工质量控制要点是防止产生温度裂缝，造成混凝土强度和耐久性降低。风机基础体积大、厚度高，属大体积混凝土，水泥水化热是大体积混凝土中的主要温度因素，水化热升温常达到30～55℃。混凝土在硬化过程中，由于水泥水化作用，使得最初3～4天产生大量的水化热。其中温升值的影响因素主要有水泥品种和用量、用水量、大体积混凝土散热条件（包括浇筑方法、混凝土厚度、混凝土各表面的保温保湿措施）等。

1.3由于混凝土导热不良，热量累积，从而引起混凝土温度升高和体积膨胀，使风机基础大体积混凝土中心的水化热升温随混凝土厚度增加而增加。在升温时，混凝土未充分硬化部分的弹性模量很大，因此这种收缩引起很大的拉应力。浇筑温度加水化热温度能构成最高温度，如果不采取有效方法控制最高温度值，不采取保温措施降低内外温度差，或不改善约束条件减少温度应力，势必导致结构出现温度裂缝，严重时可形成贯穿性裂缝。

2风机基础混凝土的裂缝成因分析

2.1温度

由于风机基础结构属于大体积混凝土结构，结构内外部温差会产生温度应力，进而会因为温度应力而产生裂缝。而产生温差的原因主要包括：（1）在混凝土浇筑初期，由于混凝土中的水泥水化会产生大量的热量，在混凝土结构内部会有大量的热量积聚，但不易散发，因此，混凝土内部温度会急剧上升，但混凝土表面热量会散发到外部，以致内部温度高，外部温度低，产生较大的温差。在此温差下，使混凝土内部产生温差应力，并且当应力超过混凝土的抗拉强度时，会有混凝土温度裂缝出现；（2）由于模板起到了一定的保温作用，而拆模后，由于混凝土结构失去了保温措施，混凝土表面的温度就会急剧下降，导致温差较大，以致出现裂缝。

2.2施工操作不规范

据相关材料，在风机基础工程中，混凝土施工过程中操作不当是产生混凝土施工裂缝最直接的原因。在风机基础施工过程中，由于部分施工人员并未依据相关施工规定进行施工，很多施工规范无法落实到位。其中，由于部分施工单位为了节约施工成本，一味地压缩施工工期，正是由于施工工期较紧等原因，在浇筑混凝土的过程中，施工人员没有按照有关规范和施工要求进行工作，甚至在混凝土强度还未达到设计要求的情况下，在上面进行踩踏，当踩踏到应力脆弱部位时，会产生脆性破坏裂缝。

2.3混凝土的收缩变形

混凝土在恒温绝湿条件下成型后，外界环境不再对混凝土构件提供任何附加水，混凝土内部水分随着水泥水化的持续进行而引起的内部相对湿度降低的现象称为混凝土的白干燥，白干燥造成了混凝土自收缩。混凝土的自收缩主要发生在

早期，对于高性能混凝土更是如此，由于处于早龄期的混凝土还不具备足够的强度，传统的测量方式也不再适用，国内外对混凝土早期收缩的测量还没有统一的标准可以依据，不同学者大都根据实际情况采用不同的测试方法，试验结果有一致之处，亦有不同之处甚至矛盾之处。混凝土后期的收缩相对减小，更多的收缩发生在早期，从而引发了工程中越来越多的早期开裂现象，所以对混凝土自收缩的研究十分重要。

3裂缝宽度计算

3.1裂缝计算理论

目前采用的裂缝计算理论就其实质可以归为３类：

１）粘结滑移理论。这是最早提出的裂缝计算理论，其机理是以钢筋和混凝土间的粘结滑动作为控制裂缝。按照这个理论，平均裂缝１ｍ与混凝土的强度等级无关，确定１ｍ的主要变量是钢筋直径和配筋率之比ｄ／ρ；

２）无滑移理论。此理论认为钢筋与混凝土间的相对滑移很小，可以忽略，构件的裂缝宽度主要取决于裂缝量测点到最近钢筋的距离，因而混凝土保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素。美国规范ＡＣＩ３１８－７７的裂缝控制公式实质上是这个理论的更综合的表达型式；

３）一般裂缝理论。它实质上是粘结滑移理论和无滑移理论相结合的一类方法，我国的《混凝土结构设计规范》便是采用了这一类方法。近年来国际上裂缝宽度计算方法的发展趋势是应用数理统计方法，倾向于按一般裂缝理论结合数理统计的方法进行研究。我国现行的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《港口工程混凝土结构设计规范》均是采用这种方法。

3.2规范法计算裂缝宽度

现行的《港口工程混凝土结构设计规范》已给出矩形、Ｔ形、倒Ｔ形和Ｉ形截面受拉、受弯和偏心受压构件的最大裂缝宽度计算公式，但没有给出圆形截面构件的裂缝宽度计算公式。预埋塔筒式风机基础的台柱均为圆形截面，对于圆形截面大偏心受压构件，由于钢筋沿周边均匀布置，纵向受拉钢筋对最大裂缝的约束作用不同，受压钢筋对约束裂缝不起作用，即与最大裂缝距离近的钢筋起的作用大，远的钢筋起的作用小。文献［２］在试验的基础上对圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算进行了研究，为保证与现行规范裂缝宽度计算方法的协调，仍采用现行《港口工程混凝土结构设计规范》公式，不同的是受拉钢筋应力σｓ和有效配筋率ρｔｅ的计算。

以式（1）为参考，由图１风机基础的计算参数，β＝０．４３７；受拉钢筋有效配筋率：ρｔｅ＝βＡｓ／π（ｒ２－ｒ１２）＝０．０５６；钢筋应力σｓ＝５１．６Ｎ／ｍｍ２；代入式（１）得风机基础台柱根部最大裂缝宽度：ω＝０．０９２ｍｍ。此为按规范方法计算的薄弱段裂缝宽度。

3.3有限元法计算裂缝宽度

国内已有文献采用ＡＮＳＹＳ有限元软件推导出适用于有限元分析的裂缝宽度计算公式。实际上在有限元模型中，裂缝模型相对比较粗糙，由于混凝土与钢筋的相互作用区域发生的变形及应力状态是极其复杂的，无法真实模拟钢筋－混凝土的粘结滑移行为，所以直接使用钢筋与混凝土单元应变计算裂缝宽度并不合理。且采用该种思路处理多是基于有关粘结滑移理论，大量试验结果指出，粘结滑移理论对裂缝截面应变分布和裂缝形状的假定与实际情况不甚相符。

该文解决的思路为：通过有限元模型可以得到较真实的钢筋应力，将受拉钢筋的应力σｓ值，代入按一般裂缝理论结合数理统计方法的计算裂缝宽度的公式，得到基于有限元模型钢筋应力的裂缝宽度结果，从而与规范结果相比较，为工程设计提供参考。在标准组合的荷载效应下，计算裂缝宽度取用的薄弱段钢筋应力为９７．８Ｎ／ｍｍ２，代入式（１）得薄弱段最大裂缝宽度：ω＝０．１７４ｍｍ。

此为按有限元法计算的裂缝宽度，可看出由于有限元结果中钢筋应力大于按规范公式算得的钢筋应力，导致其裂缝宽度结果也大于规范结果。造成这种差异的原因是风机基础的大偏心受力特性及预埋大直径钢筒的特殊构造，使得常规的偏压柱计算公式并不完全适用此结构，其结果偏小。因而在设计中须保证此部位配置足够的竖向受力钢筋，来满足强度和刚度的要求，严格控制其裂缝的出现及开展。

鉴于该文所论述的该薄弱段的重要性，此位置裂缝的出现及开展将对基础结构的耐久性、疲劳性产生更加不利的影响，因而该文认为此薄弱段的裂缝控制要求应更加严格：在正常运行工况下应尽量不开裂，而在极端荷载工况下裂缝控制在０．２ｍｍ。

4风机基础大体积混凝土裂缝控制的措施

4.1裂缝控制的材料措施

(1)在混凝土的配置过程中，尽量优化大体积混凝土的配合比，可以降低水泥的水化热。混凝土的配置采用矿渣硅酸盐水泥掺加一定数量的粉煤灰，以减少水泥用量，降低混凝土水化热。实验室应提前做好混凝土的试配工作，选择合适的砂、石级配；现场做好混凝土浇筑记录，以确保混凝土搅拌质量。

(2)选择水化热低的水泥品种，如32．5～42．5级矿渣硅酸盐水泥，其发热量约为270～290kJ/kg。选用粒径较大、级配良好的粗骨料。

(3)尽量减少单方水泥用量及降低水灰比，并掺用减水剂。在大体积混凝土中掺入减水剂，在保持用水量不变的情况下，增大混凝土的坍落度，在保持混凝土强度不变时减少水泥用量，从而减少混凝土中水化热。水泥水化热对于大体积混凝土工程是一项非常重要的技术指标，掺入减水剂后，28天内水泥的总发热量与不掺者大致相同，但减水剂能推迟水化热峰值出现的时间和降低峰值的大小。在制作大体积混凝土时，如果适量使用缓凝减水剂，也能减少水化热现象，控制混凝土材料的裂缝问题。在制作混凝土时如添加一些外加剂，能使混凝土材料外观好、强度高、粘性强，使大体积混凝土材料不易出现各类热胀冷缩问题、水份蒸发问题、沉缩变形问题等。

(4)选择级配良好的粗骨料，严格控制其含泥量。砂石骨料的含泥量将增加混凝土的收缩，降低混凝土的抗拉强度，对抗裂十分有害。因此，砂石骨料的含泥量应加以控制，砂的含泥量不超过3%，石子的含泥量不超过1%。避免在特别炎热或寒冷季节施工。

4.2裂缝控制的浇筑与振捣措施

采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，以减少施工中出现裂缝的可能性。为确保风机基础大体积砼浇筑的整体性、连续性，施工时分层、分段浇筑振捣，同时保证上下层砼初凝前结合良好，不形成施工缝。

(1)风机基础大体积混凝土浇筑常采用的方法：全面分层、分段分层、斜面分层。

全面分层：即在第一层全面浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止，分层厚度宜为1．5～2．0m。这种方案适用于结构的平面尺寸不宜太大，且施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。

分段分层：即混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。

斜面分层：要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。混凝土的振捣也要是用斜面分层浇筑工艺，一般在每个斜面层的上、下各布置一道振动器。上面的一道布置在混凝土卸料处，保证上部混凝土的捣实。上面一道振动器布置在近坡脚上，确保下部混凝土密实。随着混凝土浇筑的向前推进，振动器也相应跟上。

(2)浇筑前检查模板与钢筋的保护层是否符合设计要求，温度钢筋间距是否过大。混凝土浇筑过程中，由于面积较大，浇筑到标高的位置时往往浮浆较厚，甚至超过保护层，应及时将多余浮浆清理出模板外，根据现场的实际情况，可掺适量级配石子以保证混凝土面层的质量，且保证混凝土的表面搓压不少于三遍，防止面层净浆产生裂缝。

(3)振捣时，严禁振动棒振捣模板，对放置测温点的部位，进行标记，在测试点周边0．5m半径范围内不得振捣，有效避免振捣对测温点的影响。振捣棒的操作，要做到“快插慢拔”。在振捣过程中，宜将振捣棒上下略有抽动，以便上下振动均匀。分层连续浇筑时，振捣棒应插入下层50mm，以消除两层间的接缝。

不管采用何种浇筑方法，在浇筑的过程中都要注意浇筑的速度与温度的控制，特别要注意到大体积混凝土在浇筑时，需散热均匀，否则会出现裂缝现象。

4.3裂缝控制的养护措施

大体积混凝土养护的关键是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内外温差，防止混凝土裂缝的产生。

(1)大体积混凝土的养护工作不同于一般混凝土。大体积混凝土主要是内部热量大和大气接触时温差大，持续时间长，因此，不能采用表面冷却降温，而是要采用表面保温办法，或者在体内埋管通水，让它慢慢冷却到温差25℃以下，使混凝土自身增长的抗拉强度能抵抗各龄期的收缩应力和制约的应力，同时要不停地浇水养护，一旦表面脱水发白，如不马上浇水养护，产生裂缝的可能性就非常大。水温也不能太低，若混凝土表面骤冷，则会导致裂缝的出现。

(2)混凝土保温的具体方法，要根据当时当地的情况以及经济因素等综合考虑。为此，有时需进行测温以掌握温度变化。在混凝土浇灌之前，布置测温点，埋设测温导线，每测温点一组按表、中、底三根测温导线埋设，点位布置：如风机基础取有代表性的点位，而不是越多越好，应把底板切成等分，根据基础平面图布置了多个测孔。

(3)大体积混凝土的养护要求严格，时间要求长，要随时检查湿润情况，表面不能干燥发白，要防止冷风吹透侵袭。养护时间要不少于14d。在养护期间定人定时用电子测温仪测定砼温度，在基础表面及模板侧面覆盖岩棉被保温，保证砼内外温差不超过25℃，确保砼内部不出现温度裂缝。大体积砼拆模除满足砼强度要求外，还应考虑温度裂缝发生的可能性，当砼中心温度与大气温差小于20℃时方可拆除保温层和模板。

(4)大体积混凝土还要进行后期养护。因为，大体积混凝土除了尺寸大之外还因温升而膨胀，冷却时会慢慢收缩，以及会干缩，因此，总的收缩量比较大，在收缩应力超过当时的混凝土的抗剪强度时便会出现裂缝。许多钢筋混凝土基础在初期没有裂缝，但在2～3个月后却出现严重的裂缝。大体积混凝土基础同时还受外部条件的制约，尤其是基底(如基岩、桩基等)约束条件影响较大。除应采取一些缓解措施外，还要特别注意后期浇水养护，保持湿润状态。有条件的地方应在外模拆除后，立即回填土。

5结语

风机的应用领域极广，但由于风机基础大多会选择混凝土结构，因此，会由于施工上的失误以及其他因素的影响，而产生混凝土裂缝，不仅会降低混凝土结构物承载能力、耐久性以及防水性，还会为风机的安全运行留下隐患。因此，为了有效避免和防止风机基础混凝土出现裂缝问题，需要施工单位加强重视，对施工材料、浇筑和振捣等进行严格地控制，从而为风机基础混凝土工程的质量提供有效保证。

参考文献：

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