一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒结构体系

技术领域

本发明涉及风电结构领域。

背景技术

塔筒是风力发电机组重要的支撑部件，不仅承受着叶片、机舱和塔筒的重量，还承受着风轮旋转产生的交变载荷以及风载荷，其强度决定了整机的安全性。钢塔筒的强度计算主要包括静强度、疲劳以及屈曲，而塔筒的安全性通常由疲劳或屈曲决定，发生屈曲时，塔筒本身的最大应力没有达到材料的屈服强度，即屈曲先于静强度破坏而发生，因此提高钢塔筒的屈曲承载能力非常重要。

塔筒的承载能力与经济性是难以破解的一对矛盾，增大塔筒壁厚无疑可以提高塔筒的屈曲承载能力，但增大壁厚会导致塔筒重量急剧增加，经济性较差。目前施加预应力也是一种有效提高结构承载力和稳定性的方法，但对钢塔筒张拉时容易出现塔筒屈曲的现象，并且钢塔筒的振动会造成较大的预应力损失。

本发明提出一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒结构体系，该结构体系采用U型加劲肋并在U型加劲肋中灌注混凝土，有效提高平钢板的承载力和刚度。该结构体系可充分发挥高强钢材的材料强度和U型加劲肋的优势，采用平钢板便于加工和运输，预期可大幅降低结构造价，显著提高综合效益，使用装配化的建造方式可以显著提高施工效率、缩短施工周期，具有广阔的工程应用前景。

发明内容

本发明提出一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒结构体系：该结构体系的主要构件包括平钢板、纵向法兰、横向法兰、高强螺栓、预应力筋、锚具、U型加劲肋和混凝土等；平钢板与纵向法兰、横向法兰和U型加劲肋焊接而成，平钢板采用屈服强度不低于420MPa的高强钢材制成，由于U型加劲肋和混凝土对平钢板的有效支撑，平钢板不易失稳，材料强度可充分发挥，可广泛用于5MW以上的风机；横向法兰、纵向法兰以及U型加劲肋均在工厂完成焊接，保证施工效率的同时保证焊接质量；平钢板的横向法兰、纵向之间通过高强螺栓连接，形成多边形塔筒；混凝土内采用预应力波纹管预留预应力筋的张拉孔道，平钢板拼接完成后，张拉孔道内贯穿预应力筋，由基础底部至塔筒顶部进行全长张拉；该结构体系全部采用装配化建造方式，所有部件均在工厂进行预制，在现场通过螺栓的方式进行拼接，可显著提高施工效率、保证施工质量、降低施工措施费用。

本发明提出的一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒结构体系，能够满足5MW以上的风机对承载力和刚度的要求，充分利用高强度钢材的材料强度和U型加劲肋对平钢板承载力和刚度的提高作用，减少平钢板的厚度和结构用钢量，采用多边形的结构形式，便于加工和运输，并且完全采用螺栓的连接形式，有效提高施工效率，综合效益高，在混凝土内张拉预应力筋，有效减缓预应力筋的腐蚀速度，降低因塔筒振动带来的预应力损失，提高结构的耐久性，使用装配化的建造方式可以显著提高施工效率、缩短施工周期，具有广阔的工程应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒体系，该体系包括平钢板、纵向法兰、横向法兰、高强螺栓、预应力筋、锚具、U型加劲肋等。

所述的平钢板采用屈服强度不低于420MPa的高强钢材制成，根据运输条件和吊装条件对平钢板进行分块预制，每块平钢板的四周分别焊接横向法兰和纵向法兰。

所述的U型加劲肋采用热轧钢带冷辊轧的方式加工成型，通过焊接的方式将平钢板与U型加劲肋以及上下横向法兰连接，并在U型加劲肋内灌注混凝土，采用预应力波纹管预留预应力筋张拉孔道。

所述的带有U型加劲肋的平钢板运输到现场后采用高强螺栓进行拼接，拼接完成后贯穿预应力筋，由基础至塔筒顶部进行全长张拉，张拉完成后可在张拉孔道内灌注环氧树脂，减缓预应力筋的锈蚀速度，同时减少因塔筒振动带来的预应力损失。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)带有U型加劲肋的平钢板能够充分发挥钢材和混凝土各自材料的力学特性，具有优越的承载能力、刚度且施工方便，U型加劲肋能够有效的提高平钢板的平面外刚度，防止在运输、吊装以及张拉预应力时发生屈曲，提高塔筒结构的承载力和刚度，可广泛用于5MW以上的风机结构；

(2)对于5MW以上的风机，其直径通常大于8m，高度超过140m，直径超过运输限制的4.5m，为了满足吊装和运输要求，采用多边形的结构形式，平钢板相比于弧形钢板在运输、吊装和拼装具有更大的优势；

(3)U型加劲肋不仅可以增加平钢板的平面外刚度，也可以作为预应力筋的张拉孔道，U型加劲肋内灌注的混凝土增加结构整体承载力和刚度的同时，能够有效减缓预应力筋的锈蚀，避免预应力筋在风电塔筒振动过程中产生过多的预应力损失。

(4)平钢板与U型加劲肋、横向法兰、纵向法兰的焊接以及U型加劲肋中混凝土的浇筑和养护均在工厂内完成，提高施工效率，并保证构件的加工质量。

(5)该结构体系全部装配化建造方式，所有部件均在工厂进行预制，在现场通过螺栓的方式进行拼接，可显著提高施工效率、保证施工质量、降低施工措施费用。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为本发明的带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒结构的三维立体图。

图3为本发明的带有U型加劲肋的平钢板立面图。

图4为本发明的带有U型加劲肋的平钢板平面图。

图中：1-平钢板、2-U型加劲肋、3-纵向法兰、4-横向法兰、5-高强螺栓、6-混凝土、7-预应力筋、8-锚具、9-预应力波纹管、10-基础。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明是一种带有U型加劲肋的钢-混凝土组合塔筒体系，该体系包含平钢板(1)、U型加劲肋(2)、纵向法兰(3)、横向法兰(4)、高强螺栓(5)、混凝土(6)、预应力筋(7)、锚具(8)、预应力波纹管(9)、基础(10)。具体实施步骤如下：

(一)根据具体尺寸要求，在工厂完成的平钢板(1)、U型加劲肋(2)、横向法兰(4)和纵向法兰(3)的加工。

(二)将加工完成的平钢板(1)与U型加劲肋(2)、横向法兰(4)和纵向法兰(3)进行焊接。

(三)在U型加劲肋(2)内布置预应力波纹管(9)，并浇筑混凝土(6)进行养护。

(四)待混凝土(6)养护至设计强度后，将带有U型加劲肋(2)的平钢板(1)运输到现场进行拼接，采用高强螺栓(5)进行连接。

(五)塔筒拼接完成后，在张拉孔道中贯穿预应力筋(7)，由基础(10)至塔筒顶部进行全长张拉，整体结构施工完成。

该结构体系能够满足5MW以上的风机对承载力和刚度的要求，可充分发挥组合结构中的材料强度，采用多边形的结构形式，便于加工和运输。U型加劲肋增加结构的整体刚度，同时可以作为预应力筋的张拉孔道，有效避免预应力筋在风电塔筒振动过程中产生过多的预应力损失，并增强预应力筋的耐久性能。使用装配化的建造方式可以显著提高风电塔筒的施工效率、缩短施工周期，该体系可大幅降低结构造价、显著提高综合效益，具有广阔的工程应用前景。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似方式替代，这些也应视作本发明的保护范围。

尽管本文较多地使用了：2-U型加劲肋、3-纵向法兰、4-横向法兰、5-高强螺栓、9-预应力波纹管等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明的精神相违背的。