混凝土塔筒全生命周期的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

與檢測(cè)評(píng)估研究實(shí)踐黃昊博士正高級(jí)工程師·

新能源工程結(jié)構(gòu)研發(fā)部·

北京中水科海利工程技術(shù)有限公司·水利部水工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院2025年10月中國(guó)水利水電科學(xué)研究院◆中國(guó)水利水電科學(xué)研究院隸屬水利部，是專門(mén)從事水利水電科學(xué)研究的國(guó)家級(jí)社會(huì)公益性科研機(jī)構(gòu)，學(xué)科門(mén)類齊全，涵蓋水利水電所有的研究方向，具備CMA

計(jì)量認(rèn)證資質(zhì)

和工程咨詢甲級(jí)等一系列資質(zhì)?！舯本┲兴坪＠こ碳夹g(shù)有限公司源自1958年成立的中國(guó)水科院結(jié)構(gòu)材料研究所，主

要承擔(dān)和解決大中型水利水電工程中提出的水工結(jié)構(gòu)與材料的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展國(guó)家

與行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程、規(guī)范的制定?！?/p>

依托在水利水電領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)和材料方面技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自2010年進(jìn)入風(fēng)電市場(chǎng)，主要開(kāi)展風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估和修補(bǔ)加固研究及應(yīng)用工作，累計(jì)服務(wù)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和塔筒超過(guò)數(shù)千臺(tái)均安全運(yùn)行。單位簡(jiǎn)介1

混凝土塔筒發(fā)展背景目錄CONTENT2混凝土塔筒全生命周期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)3

混凝土塔筒全生命周期檢測(cè)評(píng)估研究實(shí)踐混凝土塔筒發(fā)展背景第一部分1.1

風(fēng)電行業(yè)發(fā)展背景-行業(yè)發(fā)展■風(fēng)電已成為技術(shù)成熟、前景廣闊的可再生能源，得到了快速發(fā)展。全球風(fēng)電市場(chǎng)在未來(lái)將持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)裝機(jī)容量持續(xù)高位增長(zhǎng)，新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量穩(wěn)居世界首位。2013年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量35.5GW,2024

年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量

達(dá)到117GW。1.209立a2.6091000(ai1.2006019

I4

1*

10P027202620292090dcoICAGKis1331231578ia2025e2024年份新增裝機(jī)(萬(wàn)干瓦)累計(jì)裝機(jī)(萬(wàn)干瓦)fw

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ouook2022-2026(GW)y5o201320142015201620172201820192020202120222023全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量/GW500001400003000020000100002013

-

2023年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量1#12510201420252028《w豆muth1區(qū)kgNNz07)02220z------i

二300255208B--i-

二2022(T2)向十1504000250202702026e2023e2024e156020201%115GMP?1577-1.2混塔行業(yè)發(fā)展背景-塔筒發(fā)展需求■增加塔筒高度是提高風(fēng)電發(fā)電量的重要技術(shù)手段，但常規(guī)全鋼高塔筒存在易發(fā)生共振和疲勞●

輪轂高度增加使塔筒的固有頻率減小，從而可能引

發(fā)共振甚至破壞?！?/p>

應(yīng)用于超過(guò)140m的高輪轂風(fēng)電機(jī)組時(shí)存在成本

過(guò)高的問(wèn)題。塔筒高度越高

風(fēng)速越大

發(fā)電量越高

風(fēng)切變?cè)礁?/p>

提升輪轂高度的效率越高低風(fēng)速區(qū)對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)要求：輪轂高度更高全鋼結(jié)構(gòu)塔筒剛度較低相同風(fēng)切變下，

隨著輪轂高度增

加，發(fā)電量顯著增加。,運(yùn)維工作量較大，受運(yùn)輸制約等。不同輪轂高度下的發(fā)電量增加率(基準(zhǔn)為100m

高度年平均風(fēng)速5m/s)高度為Zn的風(fēng)速Un:1.2混塔行業(yè)發(fā)展背景-國(guó)外發(fā)展■

混凝土塔架承載力高、剛度大、穩(wěn)定性好、不易產(chǎn)生共振和疲勞，適用于低風(fēng)速區(qū)高輪轂、大容量的風(fēng)電機(jī)組，已成為140m

以上輪轂高度的主要塔架型式。歐美國(guó)家在混塔領(lǐng)域起步早(2005),大量廠家及機(jī)構(gòu)最早開(kāi)始混凝土塔筒的技術(shù)研究與應(yīng)用，在混塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、塔筒形式、成型工藝、連接方式、動(dòng)力性能、預(yù)應(yīng)力等方面開(kāi)展了

廣泛研究，目前歐美國(guó)家從120m

至160m

的高塔技術(shù)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用?！鲋袊?guó)的混塔技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展較快。2023年國(guó)內(nèi)使用混塔的裝機(jī)量達(dá)到7.287GW

,同比增長(zhǎng)209%

,遠(yuǎn)高于國(guó)

內(nèi)總裝機(jī)量59%的增幅。2024年國(guó)內(nèi)陸上風(fēng)電混塔項(xiàng)目中標(biāo)量為61.35GW

,

占陸上風(fēng)電機(jī)組總中標(biāo)量的33.86%。國(guó)內(nèi)混塔的裝機(jī)量正持續(xù)提升，是當(dāng)前及未來(lái)的主流趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)新增裝機(jī)的平均輪轂高度

持續(xù)攀升，至2023年已突破114m,其50中最高值更達(dá)到了185m。0201520162017201820192020202120222023年份8000-7000-6000-500040003000200010000-250-2001501002020

20212022

年份最高輪轂高度平均輪轂高度1.2混塔行業(yè)發(fā)展背景-國(guó)內(nèi)發(fā)展新增混塔裝機(jī)容量MW)輪較高度(m)20231.2混塔行業(yè)發(fā)展背景-國(guó)內(nèi)發(fā)展■

混塔技術(shù)水平進(jìn)一步提高；2024年全國(guó)混塔項(xiàng)目中，混凝土塔筒多采用C80以上的高性能混凝土，2024年12月C150

超高性能混凝土在某陸上風(fēng)電項(xiàng)目上成功應(yīng)用?！?/p>

混塔在陸上風(fēng)電持續(xù)推廣應(yīng)用；2024年，570個(gè)規(guī)模以上陸上風(fēng)電項(xiàng)目完成質(zhì)量監(jiān)督注冊(cè)

,其中混塔項(xiàng)目189個(gè)，占比33.2%。1.3混塔行業(yè)發(fā)展背景-塔筒結(jié)構(gòu)形式■

目前主流的混凝土塔筒形式主要包括圓錐形、逐級(jí)變徑式、倒角三角形、倒角正方形以及正多

邊形等。早期混凝土塔筒多為圓錐形，隨著風(fēng)電機(jī)組高度與直徑的不斷增加，為滿足多元化的

工程需求，涌現(xiàn)出多種新型結(jié)構(gòu)形式。逐級(jí)變徑式倒角三角形倒角正方形正多邊形圓錐形1.3混塔行業(yè)發(fā)展背景-塔筒結(jié)構(gòu)形式■混凝土塔筒結(jié)構(gòu)普遍采用后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線體系，鋼絞線頂端與底部分別錨固于過(guò)渡段與

基礎(chǔ)，主要分為體內(nèi)布設(shè)與體外布設(shè)兩種形式?！龌炷凉芷倪B接方式主要分為濕連接與干連接兩類。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力濕連接干連接混凝土塔筒全生命周期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)第二部分●

尚未形成統(tǒng)一成熟的規(guī)范涵蓋塔架高交變

的載荷特點(diǎn)，理論依據(jù)不足；●過(guò)渡段結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，易出現(xiàn)應(yīng)力集中；接縫傳力機(jī)理復(fù)雜，管片接縫承載力

難以精確計(jì)算；●混凝土材料性能離散性較高，非線性特性

明顯，有限元分析結(jié)果與實(shí)際情況存在偏

差；●

未深入考慮多軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土疲勞性

能。2.1

設(shè)計(jì)階段技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)混塔設(shè)計(jì)綜合依據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范與有限元計(jì)算，需考慮混塔的極限承載力、剛度、穩(wěn)定性、疲勞、動(dòng)力特性、關(guān)鍵部位受力性能、預(yù)應(yīng)力等。設(shè)計(jì)階段預(yù)制期●工藝：鋼筋綁扎工藝不符合規(guī)范；●實(shí)體：混凝土強(qiáng)度不足、工作性能差；混

凝土管片尺寸偏差大，接合面不平整；預(yù)

應(yīng)力孔道定位不準(zhǔn)，預(yù)埋件安裝和定位控

制不到位；混凝土管片表面和內(nèi)部缺陷(

露筋、蜂窩、孔洞、夾渣、疏松)混凝土塔筒生產(chǎn)過(guò)程不滿足要求，影響混塔管片的成品質(zhì)量。2.2管片預(yù)制期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)鋼筋錯(cuò)位塔筒缺陷施工期●管片吊裝時(shí)出現(xiàn)崩邊掉塊，裂縫；●混凝土塔筒節(jié)間座漿料缺失、不密實(shí)、

不固化等；●混塔段水平度、垂直度不滿足要求；●塔筒錯(cuò)臺(tái)尺寸超標(biāo)；●鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉施工方法和控制措施

不合理?；炷了彩┕べ|(zhì)量不滿足要求，為混塔后續(xù)運(yùn)行埋下安全隱患。2.3施工吊裝期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)塔筒表面損傷

混凝土掉塊鋼筋外露座漿料缺失

座漿料不密實(shí)運(yùn)行期●塔筒混凝土裂縫；●塔筒混凝土掉塊、脫空；●塔筒混凝土壓碎、露筋；●塔筒自振頻率下降或位移增大，

垂直度超標(biāo)；●鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大；●

停機(jī)、倒塔；由于施工期塔筒安裝不符合要求、塔筒變徑處局部受力集中、塔

筒配筋不足、鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失過(guò)

大等原因，導(dǎo)致塔筒在運(yùn)行期出現(xiàn)

各種缺陷?；炷亮芽p

混凝土掉塊

混凝土孔洞混凝土脫空

混凝土壓碎、露筋

預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大2.4運(yùn)行期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)2.5風(fēng)險(xiǎn)控制措施-設(shè)計(jì)階段●

塔筒設(shè)計(jì)應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)址環(huán)境條件等要求；●

對(duì)混塔的關(guān)鍵部位如塔筒門(mén)洞、變徑

段、接縫等進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和加強(qiáng)設(shè)計(jì)

計(jì)算；●

考慮場(chǎng)址的適用性，及時(shí)采取相關(guān)措施

；●對(duì)塔筒的荷載、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整機(jī)共振

等問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，提供設(shè)計(jì)和

評(píng)估報(bào)告。力世113

*力6融樓as.這

i軸測(cè)圖

1:80中華人把和短回E秘NB-中-●混塔制造廠家生產(chǎn)能力：質(zhì)量管理體

系、設(shè)備能力、生產(chǎn)工序和流程、原

材料、人員資質(zhì)和能力；●

嚴(yán)格把控現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量：塔筒吊裝、

座漿、錯(cuò)臺(tái)尺寸、預(yù)應(yīng)力張拉和材料

調(diào)配嚴(yán)格按照工藝要求和流程操作；●規(guī)定預(yù)制管片運(yùn)輸和存放：管片長(zhǎng)距

離運(yùn)輸時(shí)做好保護(hù)措施，防止管片因2.5風(fēng)險(xiǎn)控制措施-制造、運(yùn)輸、安裝受力不當(dāng)和發(fā)生磕碰等出現(xiàn)破損；2.5風(fēng)險(xiǎn)控制措施-運(yùn)行階段■

混凝土塔筒的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，尚不存在長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，安全監(jiān)測(cè)是保障其安全運(yùn)行的

重要環(huán)節(jié)。根據(jù)多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合混塔結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)模型，建立多源物理參數(shù)與塔筒結(jié)構(gòu)安全之間準(zhǔn)

確的映射關(guān)系，對(duì)混塔結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行綜合評(píng)判，確定混塔結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)

進(jìn)行及時(shí)有效預(yù)警。塔筒結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更新權(quán)重預(yù)測(cè)的安全度標(biāo)簽訓(xùn)練

更新目標(biāo)函數(shù)實(shí)際的安全度標(biāo)悠測(cè)式安全度評(píng)價(jià)塔筒結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全評(píng)估及使用年限需求，確定關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)。根據(jù)混塔結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、周?chē)h(huán)境預(yù)處理

數(shù)據(jù)集2.5風(fēng)險(xiǎn)控制措施-建設(shè)和運(yùn)行階段●日

常

檢

查：針對(duì)混凝土塔筒以及鋼絞線等結(jié)構(gòu)分別制定相應(yīng)合理、全面的質(zhì)量檢查項(xiàng)目、

檢查方法和檢查周期；●專項(xiàng)檢測(cè)評(píng)估：

基于專項(xiàng)檢測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全進(jìn)行評(píng)估，制定后續(xù)處理措施和建議，如

修補(bǔ)、加固等。混凝土塔筒全生命周期檢測(cè)評(píng)估研

究實(shí)踐第三部分3.1混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)研究■混凝土塔筒結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題針對(duì)混凝土塔筒結(jié)構(gòu)荷載復(fù)雜、局部受力集中、施工運(yùn)維困難、研究認(rèn)識(shí)不充分、規(guī)范不健全等痛點(diǎn)開(kāi)展了一系列科研攻關(guān)。施工運(yùn)維困難風(fēng)機(jī)之間相對(duì)分散，施工工藝控制難度大，運(yùn)行維護(hù)困難。結(jié)構(gòu)特征不利塔筒為懸臂結(jié)構(gòu)，預(yù)制管片之間存在接縫，過(guò)渡段局部應(yīng)力集中?；焐钍克驳顾炷撩摽杖毕莼炷棵撀滗摻钔饴逗奢d條件復(fù)雜風(fēng)荷載作用的不確定性大，疲勞作用影響巨大。規(guī)范不健全發(fā)展迅速但技術(shù)研究不深入，規(guī)范有待完善。3.1混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)研究■預(yù)應(yīng)力損失和既有缺陷對(duì)塔筒承載力和變形等的影響機(jī)理研究針對(duì)混塔頻繁出現(xiàn)開(kāi)裂掉塊甚至倒塔的問(wèn)題，通過(guò)理論和數(shù)值研究明確了預(yù)應(yīng)力損失和既有缺陷對(duì)塔筒承載力和變形等的影響機(jī)理。預(yù)應(yīng)力損失對(duì)塔筒影響研究

缺陷對(duì)塔筒安全性影響機(jī)理>林政黃昊*郝巨濤胡良明.楊嘉祥，劉洋鋼筋混凝土塔筒局部預(yù)應(yīng)力損失影響分析[J].水電能源科學(xué)，2025(中文核心期刊)亡

六一

1"纖維混凝土抗彎強(qiáng)度纖維混凝土初袈強(qiáng)度纖維混凝土韌性指數(shù)1P13.1混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)研究■混凝土風(fēng)電塔架雙尺度模型驗(yàn)證針對(duì)當(dāng)前混凝土塔筒有限元模擬仿真計(jì)算量大等問(wèn)題，通過(guò)理論、試驗(yàn)和數(shù)值研究明確了

風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)雙單元模型分析方法的有效性?；炷溜L(fēng)電塔筒雙尺度模型驗(yàn)證

預(yù)應(yīng)力混塔雙尺度模型結(jié)構(gòu)性能研究張俊俊，甄理，黃昊*林政劉金龍，陳改新.混凝土風(fēng)電塔架雙尺度模型驗(yàn)證及局部預(yù)應(yīng)力損失研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2025

(中文EI

刊源)Solid單元C1C7Shell遠(yuǎn)B2-87TDITD單障：冊(cè)雙尺度模駕

實(shí)體單元模型

回儉絲3.1混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)研究■混凝土內(nèi)部缺陷精細(xì)化檢測(cè)研究針對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷和接縫因受混凝土和鋼筋等干擾導(dǎo)致檢測(cè)精度差、效率低等問(wèn)題，開(kāi)展了理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，分別提出了適用于混凝土表面裂縫深度定位及內(nèi)部裂縫角度和長(zhǎng)

度定量識(shí)別的超聲無(wú)損檢測(cè)方法?；炷帘砻媪芽p深度研究

混凝土內(nèi)部裂縫定量檢測(cè)方法研究孫林遠(yuǎn)，黃昊*,陳康，甄理，陳改新.細(xì)觀尺度下表面波法檢測(cè)混凝土表面裂縫深度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2024(中文EI領(lǐng)軍期刊)>孫林遠(yuǎn)黃昊*,劉洋，甄理，張欣淼，陳改新基于超聲平面波成像的混凝土內(nèi)部裂縫定星檢測(cè)方法研究[J].水利學(xué)報(bào)，2025

(中文EI領(lǐng)軍

期刊)…s9*南前通立如543班u3.1混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)研究■混塔檢測(cè)評(píng)估體系建立基于機(jī)理研究，提出現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)，研發(fā)了檢測(cè)方法，構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)核和有限元分析相結(jié)合的安全評(píng)估技術(shù)?；焖z測(cè)評(píng)估體系建立檢測(cè)技術(shù)研究

安全評(píng)估張俊俊甄理黃昊大孫林遠(yuǎn)劉志鵬，陳改新預(yù)應(yīng)力混凝士風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)安全性影響因素研究[J].水電能源科學(xué)，2025

(中文核心)i結(jié)構(gòu)復(fù)核預(yù)應(yīng)力損失影響和頻率分析塔筒表觀缺陷影響有限元分析機(jī)理研究混凝土裂縫鋼筋保護(hù)層及間距混凝土強(qiáng)度垂直度振動(dòng)頻率內(nèi)部缺陷.......鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力…塔筒檢測(cè)(獲取結(jié)構(gòu)物理參數(shù))預(yù)應(yīng)力檢測(cè)(獲取結(jié)構(gòu)物理參數(shù))3.2混凝土塔筒檢測(cè)評(píng)估體系■

塔筒檢測(cè)工作混凝土塔筒結(jié)構(gòu)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片1:50設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

有限元分析綜合分析塔筒結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)3.2混凝土塔筒檢測(cè)評(píng)估體系■

塔筒評(píng)估工作正常使用極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)啪3.3混凝土塔筒檢測(cè)評(píng)估實(shí)踐案例(案例一：施工期)存在問(wèn)題：某混塔制造質(zhì)量存疑，混塔轉(zhuǎn)接段二次灌漿料找平墊層疑似存在空洞等不密實(shí)；開(kāi)展工作：

通過(guò)無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)混塔轉(zhuǎn)接段二次灌漿料找平墊層密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。管片不同測(cè)區(qū)斷面分析圖工作成果：混凝土塔筒典型部位(如找平墊層二次灌漿料)反射異常區(qū)較多且連續(xù)，反射強(qiáng)烈，尤其反應(yīng)在內(nèi)側(cè)，推斷

該區(qū)域除了存在氣孔或不密實(shí)區(qū)外，還可能存在多處連續(xù)不

密實(shí)區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)3.存在問(wèn)題：某施工期混凝土塔筒變階位置出現(xiàn)較嚴(yán)重的混凝土開(kāi)裂和脫落現(xiàn)象；開(kāi)展工作：

對(duì)風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒進(jìn)行了外觀和混凝