一种作用于风机原有基础混凝土上的风机基础加固装置

技术领域

本发明属于风机基础加固装置技术领域，具体涉及一种作用于风机原有基础混凝土上的风机基础加固装置。

背景技术

风电是一种清洁、高效、可再生的新型绿色能源，利用风能发电不仅能减少对矿产资源的消耗，还可大大降低对环境造成的污染，其零排放、低成本、可再生的独特优势，无疑是今后能源供应的主要方式之一。

目前我国内陆风机装机数量最大的基础形式是基础环式风机基础，其问题也是最多的，与其他高层建筑所不同的是，大型风力发电机的基础所受载荷情况更为复杂，其基础具有承受360度方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，因此对地基基础的稳定性要求高。近年来，这种特殊性造成许多已建成风机机组基础设计或保守或不安全，且采用基础环的风机基础缺陷问题频发，结合风机的运行特征可以看出，基础环与混凝土基础是应力载荷的集中位置，且在风机主方向上载荷水平更高，因此对于基础结构的牢固度影响更大。同时，在风机运行过程中风载荷为反复作用，因此塔筒或者基础环与混凝土接触区域的风载荷磨损作用较为严重，磨损之后，二者之间将会出现缝隙，且缝隙会从上向下逐步扩大，缝隙的不断扩大，就会导致塔筒偏转抖动的距离增大，进而会加快对混凝土的磨损，长期以往，由此就会导致塔筒和基础之间的连接强度越来越低，甚至出现基础倾倒破坏的情况，因此风机基础缺陷的加固处理势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种作用于风机原有基础混凝土上的风机基础加固装置，用以对混凝土和塔筒之间产生的缝隙进行填充，延缓缝隙的生成和扩展速率，提升风机基础的使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种作用于风机原有基础混凝土上的风机基础加固装置，设置于原有混凝土基础的上方，包括设置于原有混凝土基础上方的新增混凝土基础，所述新增混凝土基础的中部开设有锥形孔，所述锥形孔环抱于风机塔筒上，所述新增混凝土基础上设有围绕塔筒圆周均布的若干安装架，所述安装架的一端和新增混凝土基础连接，所述安装架的另一端位于锥形孔的上方，且其上设有与之螺纹连接的螺纹杆，所述螺纹杆的端部外侧设有安装筒，所述安装筒的一端固定于安装架的表面上，所述安装筒的内部设有预应力弹簧，所述预应力弹簧的一端固定连接于螺杆的端部上，所述预应力弹簧的另一端上设有顶杆，所述顶杆的一端固定于弹簧的另一端上，所述顶杆的另一端上伸出安装筒，且与安装筒滑动连接，所述锥形孔内设有与之匹配的锥形挤压部件，所述锥形挤压部件的中部滑动套接于塔筒上，所述锥形挤压部件的一端位于锥形孔内，所述锥形挤压部件的另一端与顶杆位于安装筒外侧的一端紧密接触。

进一步，所述锥形孔内还设有锥形密封部件，所述锥形密封部件的中部滑动套接于塔筒上，且所述锥形密封部件位于锥形挤压部件的下方，所述锥形密封部件和锥形挤压部件设有抵紧弹簧，所述抵紧弹簧的两端分别于二者固定连接。

进一步，所述锥形挤压部件和锥形密封部件之间均为中空，且二者两端上均设有若干环形分布的通孔，所述锥形密封部件一端上的通孔指向原有基础混凝土与塔筒的连接部位，所述锥形密封部件另一端上的通孔上设有柔性注浆管，所述柔性注浆管的一端固定连接于锥形密封部件的通孔上，所述柔性注浆管的另一端穿过锥形挤压部件的通孔延伸至锥形挤压部件的外部。

进一步，所述新增混凝土的外部设有将其表面包覆的钢板，所述安装架的一端固定于钢板上。

进一步，所述锥形孔包括上部圆柱孔和下部锥形孔，所述锥形挤压部件设置于上部圆柱孔内，所述锥形密封部件设置于下部锥形孔内。

进一步，所述锥形挤压部件由若干个独立的弧形挤压部件组成。

进一步，所述新增混凝土基础包括竖向构造钢筋、斜向抗拉钢筋、裙板、新增混凝土、箍筋、纵向钢筋网、横向钢筋网、水平环形架立筋和水平向粗钢筋，所述原有混凝土基础包括接触圆台部分、原有基础混凝土、塔筒和基础环；

所述原有基础混凝土外侧架设一周纵向钢筋网，所述纵向钢筋网与基础圆台部分内的钢筋焊接；所述原有基础混凝土顶部架设横向钢筋网，将所述纵向钢筋网和横向钢筋网焊接，所述横向钢筋网与原有基础混凝土内的钢筋焊接；

所述横向钢筋网内设置斜向下的斜向抗拉钢筋，所述横向钢筋网)范围内的基础环上焊接有裙板，所述斜向抗拉钢筋的一端焊接在裙板上，另一端斜向下指向纵向钢筋网；所述基础环内侧设置多层水平向粗钢筋，其中所述水平向粗钢筋的一端弯折后与基础环焊接；所述纵向钢筋网内设置竖向构造钢筋，所述斜向抗拉钢筋的另一端焊接在竖向构造钢筋的顶端；所述竖向构造钢筋和斜向抗拉钢筋的连接处焊接箍筋；所述塔筒设置于基础上的顶端上，所述纵向钢筋网、横向钢筋网、竖向构造钢筋、箍筋和斜向抗拉钢筋上浇筑新增混凝土。

进一步，所述基础环的下端设置有基础下法兰，基础环侧壁上在横向钢筋网的上方设置有基础上法兰，所述基础环的裙板上焊接有若干根斜向抗拉钢筋；所述竖向构造钢筋的个数与斜向抗拉钢筋的个数一致。

进一步，所述新增混凝土围绕着基础环侧壁，下端位于原有基础混凝土斜面上并沿径向延伸一定距离。

进一步，所述新增混凝土内设有四根水平环形架立筋，所述竖向构造钢筋和斜向抗拉钢筋的连接处设置箍筋，三者通过焊接两两连接。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供了一种对风力发电机组基础的加固方案，可用于解决现有风力发电机组法兰基础松动、基础混凝土出现裂缝病害、基础施工质量问题等的加固问题；

(2)本发明通过在基础环上端设置斜向抗拉钢筋，增加了基础环的埋置深度，埋深的增大对于混凝土最大主压应力的降低作用十分明显，同时也增强基础环与基础混凝土之间的联系，扩大混凝土在侧向弯矩及水平力作用下的受压面及力臂长度，减小水平向的应力，并通过新增的径向混凝土增加了基础受力截面积，增强了基础对风机基础环的侧向约束，加固后风机基础承载力显著提高；

(3)新增混凝土减小了原有地基的基底悬出总长度，柱身边缘处的铅垂线与基底边缘的连线间的夹角减小，安全系数增大，从刚性扩大基础的基底受力角度分析，所能承受的弯曲拉应力和剪应力均有提高；

(4)锥形挤压部件和预应力弹簧等构件的设置，在预应力的作用下，会使锥形挤压部件下移对塔筒和混凝土之间产生的缝隙进行填充，进而减小塔筒受到载荷时的振动幅度，进而减小分析的生成速率；同时上部缝隙被填充之后，缝隙难以向下部发展，进而将缝隙的生成部位控制于上方的混凝土，进而避免原有混凝土基础收到损坏，进而提升风机基础的牢固程度；

(5)柔性注浆管和锥形密封部件的设置，使工作人员能通过注浆管对原有混凝土基础和塔筒之间的微小间隙进行注浆修补，进一步提升基础的牢固程度。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明加固装置作用于新增混凝土上的示意图；

图2为本发明加固装置作用于新增混凝土上的剖视图示意图；

图3为本发明加固装置作用于新增混凝土上的另一个方向的剖视图示意图；

图4为本发明加固装置的立体示意图；

图5为本图2中A处的局部放大示意图；

图6为图2中B处的局部放大示意图；

图7为图4中C处的局部放大示意图；

图8为新增混凝土上覆盖钢板的示意图；

图9为新增混凝土基础的设置示意图；

图10为新增混凝土基础的钢筋布置简图；

图11为图10中A-A剖视图示意图；

图12为图9中B处的局部放大示意图；

图13为图10中C处的局部放大示意图。

附图中标记如下：

1、原有基础混凝土；2、竖向构造钢筋；3、基础下法兰；4、斜向抗拉钢筋；5、塔筒；6、基础上法兰；7、裙板；8、新增混凝土；9、箍筋；10、基础环；11、基础圆台部分；12、纵向钢筋网；13、横向钢筋网。14、水平环形架立筋；15、水平向粗钢筋；16、锥形孔；17、锥形挤压部件；18、安装架；19、螺纹杆；20、环形连接块；21、安装筒；22、预应力弹簧；23、环形限位块；24、顶杆；25、锥形密封部件；26、抵紧弹簧；27、通孔；28、柔性注浆管；29、钢板。

具体实施方式

实施例1

如图9～13所示，本发明一种作用于风机原有基础混凝土1上的风机基础加固装置，包括设置于原有混凝土基础上方的新增混凝土8基础，原有混凝土基础包括基础环10和原有基础混凝土1；原有基础混凝土1包裹在基础环10的侧面和底部，且原有基础混凝土1的高度低于基础环10的高度；原有基础混凝土11内设置有钢筋。

具体的，绕原有基础混凝土1外侧架设一周纵向钢筋网12，纵向钢筋网12与基础圆台部分11的钢筋焊接在一起；原有基础混凝土1顶部架设横向钢筋网13，将纵向钢筋网12和横向钢筋网13焊接在一起，横向钢筋网13与原有基础混凝土1内的钢筋焊接在一起；在横向钢筋网13内设置斜向下的抗拉钢筋4，在横向钢筋网13范围内的基础环10上焊接有裙板7，将抗拉钢筋4的一端焊接在裙板7上，另一端斜向下指向纵向钢筋网12；在基础环10内侧设置多层水平向粗钢筋15，其中一端弯折一定长度后与基础环10焊接；在纵向钢筋网12内设置竖向构造钢筋2，将抗拉钢筋4的另一端焊接在竖向构造钢筋2的顶端；在竖向构造钢筋2和抗拉钢筋4的连接处焊接箍筋9；在纵向钢筋网12、横向钢筋网13、竖向构造钢筋2、箍筋9和抗拉钢筋4上浇筑新增混凝土8。基础环10的下端设置有基础下法兰3，基础环10侧壁上在横向钢筋网13的上方设置有基础上法兰6。基础环10的裙板7上焊接有若干根抗拉钢筋4；竖向构造钢筋2的个数与抗拉钢筋4的个数一致，基础环10的顶端设置有塔筒5。

当然，本实施例中，纵向钢筋网12需延伸锚固至基础圆台部分11结构中，增强新旧结构的整体性，因此需在基础圆台部分11靠近圆柱处预凿钢筋孔，钢筋孔位置确定有两种方式：

(1)在原有基础混凝土1基础圆台部分11靠近圆柱处预先凿设Ф20～24孔洞，竖直植筋孔洞之间的间距过近会削减植筋的总体抗拔力，并最好不应大于240mm；

(2)在原有基础混凝土1内纵向钢筋平面点位处开凿，至原有纵向钢筋网12需裸露一段长度，至少开凿出160mm以供焊接。

具体的，建议采用步骤(2)作为实际采用，该步骤为风机基础环10与新浇混凝土传力的重要途径，通过新旧钢筋的焊接保证风机基础根部承受侧向风荷载时共同受力，使弯矩更加均匀分布，在混凝土截面积近乎不变的前提下，基础环10处混凝土主压应力能够有效降低。

本实例中，与纵向钢筋网12架设方式类似，在原有基础混凝土1顶部架设横向钢筋网13，将纵向钢筋网12和横向钢筋网13通过焊接连接，横向钢筋网13与原有基础混凝土1内的钢筋焊接连接，形成原混凝土纵向钢筋网12的径向延伸。

本实例中，在横向钢筋网13范围内的基础环10壁上焊接有倾斜的环形裙板7，内环直径440mm，外环直径500mm，在横向钢筋网13内设置斜向下的抗拉钢筋4，将抗拉钢筋4的顶端搭接在裙板7上，平行于裙板7方向，将另一端斜向下指向纵向钢筋网12。在纵向钢筋网12内布置竖向构造钢筋2，抗拉钢筋4的底端与竖向构造钢筋2的顶端通过焊接连接。

本实例中，在基础环10内侧设置多层水平向粗钢筋15，其中一端弯折一定长度后与基础环10焊接，以确保连接强度。基础环10内部混凝土在受压时，基础环10的套箍作用会增大内部混凝土的径向压应力，使之处于三向应力状态，水平粗钢筋的存在使基础环10内部混凝土径抗压强度提升，增强了抗压能力。同时，水平向粗钢筋15与基础环10焊接成为整体，通过物理结构增强粘结力和摩擦力，减少基础环10与其内部混凝土的相对位移，更好地协调工作，整体承受外荷载。

本实例中，设置四根水平环形架立筋14，在竖向构造钢筋2和抗拉钢筋4的连接处围绕水平环形架立筋14设置箍筋9，以确保斜向抗拉钢筋4与混凝土的可靠锚固。实际情况下，抗拉钢筋4的存在，与混凝土共同承担处于基础环10受拉一侧基础结构的拉力，减少或避免部分处于受拉区混凝土的裂缝发生进而阻止了风、雨侵蚀等对基础的损害，有效提高了风机基础抵御水平外荷载的能力。

本实例中，以纵向钢筋网12、横向钢筋网13、竖向构造钢筋2、箍筋9和抗拉钢筋4、水平环形架立筋14、水平向粗钢筋15为钢筋骨架搭设模板，并在模板内浇筑混凝土形成新增混凝土8，新增混凝土8围绕着基础环10侧壁，下端位于原有基础混凝土1斜面上并沿径向延伸一定距离。基础环10的下端设置有基础下法兰3，基础环10侧壁上在横向钢筋网13的上方设置有基础上法兰6。

上述增设斜向抗拉钢筋4的风机基础加固方法实例中，在距顶面0.2m处布置第一层Φ25的主钢筋，距第一层0.35m处布置第二层主钢筋，距第二层0 35m处布置第三层主钢筋。上述增设斜向抗拉钢筋4的风机基础加固方法实例中，主钢筋每7.5°布置一根。上述增设斜向抗拉钢筋4的风机基础加固方法实例中，混凝土内铺设Ф16钢筋网。上述增设斜向抗拉钢筋4的风机基础加固方法实例中，在旧混凝土表面凿孔铺设钢筋网，交替深入旧混凝土表面15cm、30cm并与旧有钢筋焊接，钢套筒内外的钢筋网分别与钢套筒表面焊接。

通过在基础环10上端设置斜向抗拉钢筋4，增加了基础环10的埋置深度，埋深的增大对于混凝土最大主压应力的降低作用十分明显，同时也增强基础环10与基础混凝土之间的联系，扩大混凝土在侧向弯矩及水平力作用下的受压面及力臂长度，减小水平向的应力，并通过新增的径向混凝土增加了基础受力截面积，增强了基础对风机基础环10的侧向约束，加固后风机基础承载力显著提高。

通过新增的混凝土减小原有地基的基底悬出总长度，柱身边缘处的铅垂线与基底边缘的连线间的夹角减小，安全系数增大，从刚性扩大基础的基底受力角度分析，所能承受的弯曲拉应力和剪应力均有提高。

如图1-8，为了进一步在新增混凝土8的基础上加强对风机基础的加固能力，提升对风机基础的加固效果，在新增混凝土8的中部开设有锥形孔16(不难理解是，为了避免干涉，该方案中需要取消基础上法兰6，或者将其埋入新增混凝土8内部)，锥形孔16环抱于风机塔筒5或者是基础环10上，新增混凝土8上设有围绕塔筒5圆周均布的若干安装架18，在本具体实施方式中，安装加的数量为4个，安装架18为镜像倒立的L型，安装架18的一端和新增混凝土8连接，具体的连接的方式为将安装架18的一端焊接于新增混凝土8基础的钢筋上，安装架18的另一端位于锥形孔16的上方，且其上设有与之螺纹连接的螺纹杆19，螺纹杆19的端部外侧设有安装筒21，安装筒21的一端焊接固定于安装架18的下表面上，在安装筒21的内部设有预应力弹簧22，预应力弹簧22的一端固定连接于螺杆的端部上，优选的，在螺纹杆19的端部设有环形连接块20，预应力弹簧22的端部固定于环形连接块20上，在预应力弹簧22的另一端上设有顶杆24，顶杆24的一端固定于弹簧的另一端上，优选地，在顶杆24上设有环形限位块23，顶杆24的另一端上伸出安装筒21，且于安装筒21滑动连接，锥形孔16内设有与之匹配的锥形挤压部件17，锥形挤压部件17可以理解为漏斗状，中部于塔筒5的直径相匹配，锥形挤压部件17的中部滑动套接于塔筒5上，套接上去的方式可以采用套接之后焊接，当然也可在安装风机时，预先套接于塔筒5上，锥形挤压部件17的一端位于锥形孔16内，锥形挤压部件17的另一端与顶杆24位于安装筒21外侧的一端紧密接触。

上述技术方案的工作原理为：

当塔筒5在外部荷载长时间的作用下，塔筒5的振动或者摆动，都会造成其与新增混凝土8之间的连接处被不断地磨损和消耗，导致出现缝隙的问题，因此在本技术方案中，预先设置锥形孔16，通过调节螺纹杆19可对预应力弹簧22进行压缩，使预应力弹簧22给锥形挤压部件17一个挤压的预应力，使其填补塔筒5和锥形孔16之间的缝隙，当使用一段时间之后，若由于新增混凝土8的磨损，导致锥形孔16和塔筒5之间的缝隙增大时，在预应力弹簧22的作用力下，将会使锥形挤压部件17下移，即锥形挤压部件17直径较大的部位就会对变大的缝隙进行填充，进而限制塔筒5的摆动幅度，进而限制了缝隙从上向下逐渐扩大的速度，也可以理解为将缝隙变大的范围始终控制于新增混凝土8的上端，当然锥形挤压部件17的锥度较小，可根据磨损程度进行确定(图中画出的锥度较大，是为了便于观察和理解，实际使用时锥度影响对较小，即减小锥形部件侧面与锥形孔16之间的间距)。

需要说明的是，新增混凝土8上的锥形孔16可以设置为上部圆柱孔和下部锥形孔，锥形密封部件25设置于下部锥形孔内，锥形挤压部件17设置于上部圆柱孔内，这样锥形挤压部件17的较大位置与上部圆柱孔上端接触，锥形挤压部件17的较小部位位于上部圆柱孔内，则锥形挤压部件17下移的时候，就不会出现接触干涉的问题，而锥形密封部件25设置于下部锥形孔内能更好的实现挤压密封效果。

当然不难理解的是，本技术方案主要目的是，自适应填充缝隙大小，进而控制缝隙发展速度，若长时间使用之后，塔筒5一侧的锥形加压部件下移的深度过大，相对的一侧下移量较小，导致塔筒5出现轻微的挤压倾斜的趋势时，可通过人工拧动螺纹杆19，在塔筒5不受或者收到较小的荷载时，对锥形挤压部件17的深度进行调整，进而实现对塔筒5的纠偏。

在一种可实施的方式中，锥形孔16内还设有锥形密封部件25，锥形密封部件25的中部滑动套接于塔筒5上，且锥形密封部件25位于锥形挤压部件17的下方，锥形密封部件25与原有基础混凝土1之间设有安装间距，锥形密封部件25和锥形挤压部件17设有抵紧弹簧26，抵紧弹簧26的两端分别于二者固定连接，锥形密封部件25的外侧面优选设置橡胶层，即其表面与新增混凝土8和塔筒5紧密密封接触，即可避免雨水进入后，从缝隙深入原有混凝土的情况，在本具体实施方案中，新增混凝土基础可以对原有混凝土基础进行加固，增强塔筒的稳定性，同时在控制缝隙时，通过将缝隙控制在新增混凝土上，避免向下扩散至原有混凝土，即也是通过牺牲新增混凝土，达到保护原有混凝土的目的，也是起到一种保护和加固的方法。

在一种可实施的方式中，锥形挤压部件17和锥形密封部件25之间均为中空，且二者两端上均设有若干环形分布的通孔27，锥形密封部件25一端上的通孔27指向原有基础混凝土1与塔筒5的连接部位，锥形密封部件25另一端上的通孔27上设有柔性注浆管28，柔性注浆管28的一端固定连接于锥形密封部件25的通孔27上，柔性注浆管28的另一端穿过锥形挤压部件17的通孔27延伸至锥形挤压部件17的外部。

这样设置的好处在于，在长时间使用之后，原有混凝土和塔筒5之间难免会出现缝隙，因此可通过柔性注浆管28向缝隙注浆实现修补，在抵紧弹簧26的作用下，锥形密封部件25始终与新增混凝土8和塔筒5接触，实现密封，因此注浆时，浆液不会注入到锥形孔16的上部空间。

优选地，新增混凝土8的外部设有将其表面包覆的钢板29，安装架18的一端固定于钢板29上，具体为在新浇筑的环形混凝土的侧面和顶面设置钢板29或者较为密集的钢筋网，钢板29或者是钢筋网应该焊接与新增混凝土8内的钢筋上。

可以理解为，当塔筒5受到水平风荷载，在a方向发生侧向位移，会压迫a侧新增混凝土8，而塔筒5在风荷载方向变化到b方向后，a侧就会形成缝隙，此时a侧锥形部件向下填充。对于a侧来说，开始的塔筒5侧向压迫和后来的锥形部件下压，都可以对新浇筑的a侧混凝土产生侧向的压力，此时配合侧面和顶面的钢板29或钢筋网就能辅助形成三向应力状态，把新浇筑的混凝土完全包裹住，从而提升其承载力，也能限制裂缝开展的速度。

实施例2

实施例2和实施例1的不同之处在于，实施例1中锥形挤压部件17为一个整体，实施例2中锥形部件由若干个独立弧形挤压部件组成，且每个弧形挤压部件上都设置有安装架18、螺纹杆19、预应力弹簧22和顶杆24等部件，这样的是为了保证锥形挤压部件17的下移效果，因为塔筒5的负载受力方向不同，和新增混凝土8在不同方向上存在不同磨损程度，可以理解为长期受外部载荷的方向上，磨损更为严重，即该方向上的锥形挤压部件17下移的深度更大，若为一个整体的话，下移的深度会被磨损较小位置处的间隙所限制，而设置为多个独立的弧形挤压部件来适应各个方向上的磨损，即能在塔筒5受力不均匀时使用，虽然锥形挤压部件17的下移效果要相对较差一点，但是也可用于塔筒5各个方向所受载荷相对均匀的场景中。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。