体内 vs 体外：风电钢混塔筒预应力技术优劣

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钢混塔筒（通常用于风力发电机组）中，预应力的施加方式（体内或体外）对结构的性能、施工、维护和经济性有显著影响。以下是体内预应力和体外预应力的主要优缺点对比：

一、体内预应力

优点

1.  结构整体性好：

预应力筋埋置于混凝土内部，与混凝土粘结良好（通过灌浆），形成整体受力。

结构刚度较大，变形相对较小。

2.  耐久性高：

预应力筋完全被混凝土和灌浆料包裹，受到良好的保护。

受外界环境（如风、雨、紫外线、腐蚀介质）影响小，防火性能也更好。

理论上维护需求低（前提是灌浆密实）。

3.  抗疲劳性能：

由于与混凝土共同变形，应力幅值相对较小，在循环荷载（如风荷载）作用下，疲劳性能通常较好。

4.  锚固区应力分布：

锚固端通常位于混凝土构件端部或内部，应力扩散相对均匀。

5.  外观整洁：

所有预应力组件均内置，塔筒外表面平整光滑。

缺点

1.  施工复杂，质量控制要求高：

需要在混凝土浇筑前安装预应力管道，定位精度要求高。

穿束难度大（尤其对于大直径、超高的塔筒）。

灌浆必须饱满密实，否则易形成空隙，导致预应力筋腐蚀风险剧增（这是体内束最大的潜在隐患）。

施工周期相对较长。

2.  可检性差：

预应力筋及其灌浆状态隐藏在混凝土内部，难以直接检查其状态（如腐蚀、断丝、灌浆缺陷）。

3.  可维护性/可更换性差：

一旦预应力筋腐蚀、断裂或需要张拉力调整，几乎无法进行维修或更换。通常需要大规模的结构加固或构件更换，代价高昂。

4.  初期张拉后调整困难：

张拉完成后，若需调整预应力值（如徐变收缩超预期），非常困难。

5.  对混凝土开裂更敏感：

如果混凝土出现裂缝且延伸到预应力筋，腐蚀风险会显著增加（水汽、腐蚀介质易沿裂缝侵入）。

二、体外预应力

优点

1.  施工便捷：

预应力筋（索）安装在预制或现浇混凝土塔筒壁外侧（通常有保护套管），无需在混凝土浇筑阶段预埋复杂管道。

穿束、张拉操作空间大，相对容易。

施工速度通常更快。

2.  可检性、可维护性、可更换性极佳：

最大优势： 所有预应力组件（钢绞线/钢拉杆、套管、锚具、转向块）均暴露或易于接近。

可以方便地进行定期目视检查和无损检测（如磁通量法测索力）。

单根钢绞线或整束预应力筋可以在不影响结构整体性的前提下进行更换（设计时需考虑此工况），大大延长结构使用寿命，降低全生命周期成本。

张拉力可以在结构服役期内进行调整（如补偿长期损失或适应新的荷载要求）。

3.  预应力损失相对较小：

由于不依赖灌浆粘结，且长度相对较短（常分段布置），由摩擦和锚固变形引起的瞬时损失较小。长期损失主要来自锚具回缩和钢材松弛。

4.  混凝土质量要求相对宽松：

对混凝土浇筑和振捣的干扰小，无需担心灌浆密实度问题。

转向块区域混凝土需要高强或局部加强，但整体要求不如体内束管道定位那么苛刻。

5.  便于后期加固：

若需增加预应力或结构加固，增设体外束是最常用的方案之一。

缺点

1.  耐久性依赖防护系统：

最大劣势：预应力筋及其锚固系统直接暴露在外部环境中（尽管有保护套管、填充防腐油脂或石蜡、外护套等）。

对防腐系统（材料质量、施工工艺、密封性）要求极高。一旦防护系统失效（如护套破损、油脂干涸），腐蚀风险很高。

锚具和转向块是防腐薄弱点，需要特别防护。

防火保护通常需要额外措施。

2.  结构刚度稍低：

预应力筋与混凝土之间无粘结或仅通过转向块接触，协同工作程度不如体内束。

在相同预应力水平下，结构整体刚度可能略低于体内预应力结构，变形可能稍大（但通常满足设计要求）。

3.  疲劳问题需仔细设计：

在循环荷载下，体外束在转向块处可能经历较大的二次弯曲应力幅。

锚具区域也承受动荷载，需要特别关注其抗疲劳设计。

良好的阻尼装置（如减振器）常被用来抑制索的振动，防止疲劳。

4.  锚固区和转向块设计复杂：

需要在塔筒壁（或内部结构）上设置强大的锚固块和转向块，将巨大的集中力传递到主体结构上。

局部应力集中显著，需要细致的分析和配筋设计。

5.  外观影响：

体外束、锚具、转向块等构件位于塔筒外部或内腔，可能影响外观（但风电塔筒内部通常不要求美观）。

总结与选择建议

选择体内预应力的主要驱动力： 对长期耐久性和最低维护需求有极高要求，且对施工难度和成本不敏感。适用于环境腐蚀性较低、检修极其困难或成本极高的场合。但需绝对保证灌浆质量。

选择体外预应力的主要驱动力： 可检查、可维护、可更换。这极大地降低了结构的长期风险，提高了使用寿命的灵活性和可预测性。特别适用于：

对全生命周期成本（LCC）非常关注的项目。

环境条件严苛（如海上、高腐蚀性地区），需要便于监测和维护。

结构重要性高，失效后果严重，需要确保长期可靠服役。

施工便捷性和速度是关键因素。

需要后期调整预应力的可能性较大。

结构设计寿命非常长（如超过25-30年）。

在风电钢混塔筒领域，体外预应力近年来已成为更主流的选择，尤其是在高塔筒和海上风电中。 其主要原因在于风电塔筒通常位于偏远、高空、环境严苛区域，维护检修困难且成本高昂。体外预应力提供的可检查性、可维护性和可更换性优势，对于确保风机长达25-30年甚至更长的安全可靠运行至关重要，能够有效管理长期风险，降低全生命周期成本。尽管其防腐要求高，但现代的多重防护系统（高质量PE护套、填充防腐介质、不锈钢护套、定期检测制度）已能提供足够的可靠性。体内预应力虽然理论上耐久性高，但其不可检、不可换的特性，使得一旦内部发生腐蚀或灌浆缺陷（风险始终存在且难以完全杜绝），后果往往是灾难性的且修复代价巨大，这种风险在风电塔筒这种关键且难以接近的结构上常常是不可接受的。

因此，尽管两种方法各有优劣，但在风电钢混塔筒的实际应用中，体外预应力的优势（尤其是可维护性）往往更能满足项目的长期安全和经济效益需求，使其成为当前更受欢迎的技术路线。 最终选择仍需基于具体项目的环境条件、设计寿命、施工能力、维护策略和全生命周期成本进行综合评估。