一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构及使用方法

技术领域

本发明属于塔式光热发电技术领域，具体涉及一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构及使用方法。

背景技术

在塔式熔融盐太阳能光热发电系统中，吸热塔是塔式太阳能电站的核心构筑物，结构总高度一般均超过150m。吸热器作为核心设备之一位于吸热塔顶，聚集地面数面定日镜反射的高热流密度辐射能。外露管式吸热器外表面由大量竖直并列的直管焊接在一起形成条形吸热板，吸热板拼接呈圆柱形，内部和顶部布置有传热流体集箱，用于向吸热器供给冷传热流体和收集被加热的传热流体，自身重量一般1000～3500吨，使得吸热塔成为一种“头重脚轻”特殊的高耸结构。

吸热塔不同于烟囱和电视塔等高耸结构，塔顶区域设置空气压缩罐、电气配电柜、设备层等，主要表现在结构质量分布不均匀、结构刚度分布不均匀、塔顶外形明显突变，目前未有针对吸热塔结构的专用设计规范。吸热器作为重载设备，在吸热塔结构设计中，塔顶转换结构采用的形式及支撑节点的连接方式应作为重中之重，塔顶转换结构主要设计难点有：

1)吸热器设备及其支撑框架应作为吸热塔结构的一部分，进行整体模态分析，其动力参数(周期、振型系数、阻尼比等)取值将很大影响风振及地震作用的计算结果。故实际建设的转换结构应与力学分析模型严格一致，且要满足吸热器在正常使用过程中摆幅限值。

2)根据以往高耸结构的地震分析经验，外形和刚度突变的顶部构件，尤其在高烈度区，其水平位移较大，伴随有明显的“鞭梢效应”，为满足整体结构的强度和刚度指标，设计难度较大。

3)由于塔顶高度高，转换结构的设计基于高空作业前提下，能够降低施工吊装和安装的难度，最大化地缩短工期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，实现吸热器通过转换结构成功过渡吸热塔之上，同时满足支撑结构需要的强度和刚度要求，为吸热塔今后设计和应用提供强有力的技术支撑。

本发明的另一个目的在于提供一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构的使用方法，给出保证空间钢桁架结构刚度的布置方法、保证转换结构与塔壁承载力的连接方法，结合项目的实际应用，本发明钢桁架式转换结构具有很好的适用性和可靠性。

为此，本发明提供了一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，所述重载设备通过支撑转换结构安装在吸热塔塔顶上，重载设备包括吸热器和支架钢柱，吸热器通过支架钢柱安装在支撑转换结构上，所述支撑转换结构包括空间钢桁架和顶板，空间钢桁架包括上弦梁和下弦梁，上弦梁下连接下弦梁，所述吸热塔塔壁的塔顶开设有塔壁梁窝，吸热塔塔壁的内侧壁设置有塔壁牛腿，空间钢桁架的数量为多榀，多榀空间钢桁架的上弦梁通过塔壁梁窝连接在吸热塔顶部，上弦梁的顶面上连接顶板，多榀空间钢桁架的下弦梁连接在塔壁牛腿的顶面。

所述空间钢桁架还包括多个上弦梁外臂和上弦联系梁，每个上弦梁外臂和上弦梁交叉连接，相邻两榀空间钢桁架的上弦梁外臂之间通过上弦联系梁连接。

所述空间钢桁架还包括多个柱脚刚性支撑节点，上弦梁和上弦梁外臂的交叉区域连接1个柱脚刚性支撑节点。

所述空间钢桁架还包括水平支撑，多榀空间钢桁架的下弦梁之间通过水平支撑连接。

所述空间钢桁架还包括多根腹杆，上弦梁通过多根腹杆连接下弦梁，其中每个柱脚刚性支撑节点的下面均设有腹杆。

所述上弦梁、下弦梁、腹杆、上弦梁外臂和上弦联系梁均采用宽翼缘H型钢，宽翼缘H型钢包括上翼缘、下翼缘和竖直连接板，上翼缘和下翼缘平行设置，上翼缘和下翼缘的中部通过竖直连接板连接。

所述柱脚刚性支撑节点包括水平加强肋板和竖向加强肋板，上弦梁和上弦梁外臂交叉区域的上翼缘内侧和下翼缘内侧均水平连接水平加强肋板，上弦梁和上弦梁外臂交叉区域的上翼缘和下翼缘的之间垂直连接竖向加强肋板。

所述塔壁梁窝为矩形下凹口。

所述多榀空间钢桁架根据支架钢柱的布置方式进行布置，上弦梁与支架钢柱定位一致。

一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构的使用方法，多榀空间钢桁架根据吸热塔塔顶上部重载设备中支架钢柱的布置方式进行布置，其中上弦梁与支架钢柱定位一致，在上弦梁的下面通过腹杆连接下弦梁的上面，上弦梁通过塔壁梁窝悬挑，采用封边梁将悬挑段依次连接包围连接，下弦梁的端部连于塔壁牛腿的顶面，顶板放置于上弦梁的上面。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的这种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，不仅自身整体性好、稳定性强，借助塔壁梁窝、塔壁牛腿分别从上部、下部双重传递弯矩、剪力等内力，具有传力明确、安全、可靠的优点；

2、本发明提供的这种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，上弦梁和上弦梁外臂的交叉区域设有柱脚刚性支撑节点，此种“箱型”柱脚刚性支撑节，将上部重载设备支架柱脚牢牢固定，经计算表明，在顺风向及横风向振动时，上部吸热器设备与塔顶结构能够协同变形，满足吸热器在正常使用过程中摆幅限值，明显降低因竖向刚度突变带来的不利影响。

3、本发明提供的这种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，可实现工厂预制和组装，经高空吊装仅需少量焊接或现浇工作。比一般的梁式、厚板式转换结构更快捷、方便施工。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明一种实施方式上弦梁的结构俯视图；

图2是本发明一种实施方式下弦梁的结构俯视图；

图3是空间钢桁架的结构主视图；

图4是柱脚刚性支撑节点的结构俯视图；

图5是图4的1-1结构剖视图；

图6是塔壁梁窝结构俯视图；

图7是塔壁梁窝结构主视图；

图8是塔壁牛腿及下弦梁连接结构主视图。

附图标记说明：1、空间钢桁架；2、柱脚刚性支撑节点；3、上弦联系梁；4、水平支撑；5、上弦梁；6、下弦梁；7、腹杆；8、上弦梁外臂；9、水平加强肋板；10、竖向加强肋板；11、顶板；12、柱脚螺栓；13、塔壁梁窝；14、塔壁牛腿；15、支架钢柱；16、吸热塔塔壁。

具体实施方式

实施例1：

如图1、3、5-8所示，一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构，所述重载设备通过支撑转换结构安装在吸热塔塔顶上，重载设备包括吸热器和支架钢柱15，吸热器通过支架钢柱15安装在支撑转换结构上，所述支撑转换结构包括空间钢桁架1和顶板11，空间钢桁架1包括上弦梁5和下弦梁6，上弦梁5下连接下弦梁6，所述吸热塔塔壁16的塔顶开设有塔壁梁窝13，吸热塔塔壁16的内侧壁设置有塔壁牛腿14，空间钢桁架1的数量为多榀，多榀空间钢桁架1的上弦梁5通过塔壁梁窝13连接在吸热塔顶部，上弦梁5的顶面上连接顶板11，多榀空间钢桁架1的下弦梁6连接在塔壁牛腿14的顶面。

本发明吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构其上弦梁5通过塔壁梁窝13悬挑伸出吸热塔塔壁16外，与顶板11共同形成塔顶屋面体系，自身整体性好、稳定性强；借助塔壁梁窝13从上部将空间钢桁架1承受的部分弯矩、剪力及轴力传递给塔壁；借助塔壁牛腿14从下部将空间钢桁架1承受的剩余部分弯矩、剪力及轴力传递给塔壁；具有传力明确、安全、可靠的优点。顶板11是直接搁置于上弦梁5的混凝土板，厚度及配筋按构造要求确定，起到遮挡雨雪等维护作用。

实施例2:

在实施例1的基础上，所述空间钢桁架1还包括多个上弦梁外臂8和上弦联系梁3，每个上弦梁外臂8和上弦梁5交叉连接，相邻两榀空间钢桁架1的上弦梁外臂8之间通过上弦联系梁3连接。

上弦联系梁3是上弦梁外臂8的延伸部分，用于连接多榀空间钢桁架1，使得空间钢桁架1上部之间整体受力，加强空间钢桁架1自身的横纵向刚度。

进一步的，所述空间钢桁架1还包括多个柱脚刚性支撑节点2，上弦梁5和上弦梁外臂8的交叉区域连接1个柱脚刚性支撑节点2。柱脚刚性支撑节点2用于直接支撑吸热器支架钢柱15，承担所有上部重载设备的载荷，并将内力传递给空间钢桁架1结构。

如图2所示，进一步的，所述空间钢桁架1还包括水平支撑4，多榀空间钢桁架1的下弦梁6之间通过水平支撑4连接。多榀空间钢桁架1的下弦梁6之间用水平支撑4连接，用以加强空间钢桁架1下部的整体性和稳定性。

进一步的，所述水平支撑4采用圆钢管交叉布置，用于连接空间钢桁架1的下弦梁6，水平支撑4端部采用铰接连接，使得空间钢桁架1下部之间整体受力，结构简单，进一步加强空间钢桁架1自身的横纵向刚度；铰接连接强度高、自重轻、整体性和抗震性能好。

进一步的，所述空间钢桁架1还包括多根腹杆7，上弦梁5通过多根腹杆7连接下弦梁6，其中每个柱脚刚性支撑节点2的下面均设有腹杆7。柱脚刚性支撑节点2的下面设有腹杆7提高柱脚刚性支撑节点2抗震性能和变形能力。

进一步的，所述上弦梁5、下弦梁6、腹杆7、上弦梁外臂8和上弦联系梁3均采用宽翼缘H型钢，宽翼缘H型钢包括上翼缘、下翼缘和竖直连接板，上翼缘和下翼缘平行设置，上翼缘和下翼缘的中部通过竖直连接板连接。

宽翼缘H型钢翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强；上翼缘和下翼缘相互平行使得连接、加工、安装简便、节约成本、结构重量轻、稳定性高、结构强度高。

进一步的，所述柱脚刚性支撑节点2包括水平加强肋板9和竖向加强肋板10，上弦梁5和上弦梁外臂8交叉区域的上翼缘内侧和下翼缘内侧均水平连接水平加强肋板9，上弦梁5和上弦梁外臂8交叉区域的上翼缘和下翼缘的之间垂直连接竖向加强肋板10。

上弦梁外臂8在柱脚刚性支撑节点2必须布置，在上弦梁5与腹杆7连接处适当布置，上弦梁外臂8与上弦梁5之间为90°正交，上弦梁外臂8外伸长度为上弦梁5宽度的1.0～1.5倍，要求上弦梁外臂8和上弦梁5二者等截面、等强度刚性对接，上弦梁外臂8起到加强空间钢桁架1平面外稳定作用，同时上弦梁外臂8作为柱脚刚性支撑节点2的一部分，上弦梁外臂8可与空间钢桁架1整体工厂预制，作为空间钢桁架1的一部分，大大减少高空吊装和安装作业工作量。

如图4所示，进一步的，所述水平加强肋板9厚度大于等于上翼缘或下翼缘厚度，水平加强肋板9宽度为上弦梁5宽度的2/3，竖向加强肋板10的数量为多个，多个竖向加强肋板10互呈三角形和多边形布置，竖向加强肋板10厚度大于等于腹杆7厚度；此种类似“箱形”设计方法可大大加强刚性节点的弯曲和扭转刚度，将上部支架牢牢固定，与塔顶协同变形；通过“箱型”刚性支撑节点2，将上部吸热器支架柱脚15牢牢固定，经计算表明，在顺风向及横风向振动时，上部吸热器设备与塔顶结构能够协同变形，满足吸热器在正常使用过程中摆幅限值，明显降低因竖向刚度突变带来的不利影响。

进一步的，刚性支撑节点2还包括柱脚螺栓12，柱脚螺栓12自上向下依次穿过顶板11、上翼缘下面的水平加强肋板9和下翼缘上面的水平加强肋板9；连接方便，结构简单，提高刚性支撑节点2的整体稳定性。

进一步的,所述柱脚螺栓12数量为多个，多个柱脚螺栓12在刚性支撑节点2上均匀对称分布，提高刚性支撑节点2整体结构的稳定性。

进一步的，所述塔壁梁窝13为矩形下凹口。矩形下凹口结构简单，可将上弦梁5稳固安置于吸热塔塔壁内。

进一步的，所述塔壁梁窝13宽度比上弦梁5宽100mm，塔壁梁窝13预留高度等于上弦梁5梁高+翘曲变形量，翘曲变形量为10～15mm；保证上弦梁5完全安置于吸热塔塔壁内，同时稳定性高。

进一步的，所述矩形下凹口内设置加强钢筋；提高连接的稳定性，使塔壁梁窝13稳固支撑上弦梁5，将空间钢桁架承受的部分弯矩、剪力及轴力传递给塔壁。

进一步的，所述下弦梁6的两端通过钢埋件及螺栓连接塔壁牛腿14。

塔壁牛腿14设置在吸热塔塔壁16的侧壁，塔壁牛腿14与每一榀空间钢桁架1下弦梁6对应，塔壁牛腿14高度及宽度由其裂缝控制要求决定，塔壁牛腿14顶设置钢埋件及高强度螺栓，固定下弦梁6端部，通过塔壁牛腿14支撑下弦梁6，将空间钢桁架1承受的剩余部分弯矩、剪力及轴力传递给塔壁。

进一步的，所述多榀空间钢桁架1根据支架钢柱15的布置方式进行布置，上弦梁5与支架钢柱15定位一致。上弦梁5与支架钢柱15定位一致，以便实现柱脚刚性支撑节点。

进一步的，所述多榀空间钢桁架1平行布置，且多榀空间钢桁架1相对吸热塔塔壁16圆心对称布置，实现了柱脚刚性支撑节点，提高了节点抗震性能和变形能力。

进一步的，所述上弦梁5的截面刚度是下弦梁6截面刚度的1.5～2.0倍；因上弦梁5是吸热器支架钢柱15的直接承担构件，该结构可提高整体承重能力、抗震性能和变形能力。

进一步的，还包括封边梁，塔壁梁窝13外侧的多榀空间钢桁架1的上弦梁5通过封边梁连接。上弦梁5通过塔壁梁窝13悬挑一段距离，采用封边梁将悬挑段依次连接围成圆形，此做法优点一是为保证空间钢桁架1的上部与塔壁连接的整体性和牢固性，二是借助塔内空间钢桁架扩展塔顶的使用空间，节约造价。

进一步的，所述腹杆7包括斜向腹杆和竖向腹杆；斜向腹杆和竖向腹杆根据需要分布设置，下弦梁6端部的斜向腹杆截面刚度为中间腹板的1.5倍左右，满足受力要求，进一步加强了空间钢桁架1与塔壁连接的整体性和牢固性。

进一步的，所述上弦联系梁3和上弦梁外臂8等截面、等强度刚性对接。用于连接相邻空间钢桁架1，使得空间钢桁架1上部之间整体受力，加强空间钢桁架1自身的横纵向刚度。

本发明的吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构可实现工厂预制和组装，经高空吊装仅需少量焊接或现浇工作，比一般的梁式、厚板式转换结构更快捷、方便施工；

本发明的吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构在国内外塔式光热发电站工程领域具有经济性和实用性，其刚度和承载力的设计方法亦可应用到其它高耸构筑物的转换结构中，具有广阔的应用前景。

实施例3:

一种吸热塔塔顶重载设备的支撑转换结构的使用方法，多榀空间钢桁架1根据上部吸热器的支架钢柱15的布置方式进行布置，其中上弦梁5与支架钢柱15定位一致，在柱脚刚性支撑节点2的下面设有腹杆7，上弦梁5通过塔壁梁窝13悬挑，采用封边梁将悬挑段依次连接包围，下弦梁6的端部连于塔壁牛腿14的顶面，顶板11放置于上弦梁5的上面。

本发明使用方法的具体设计原则为：上弦梁5定位尽量与上部设备支架钢柱15一一对应，以便实现柱脚刚性支撑节点2，为提高节点抗震性能和变形能力，此柱脚刚性支撑节点2下须设置腹杆7(斜向或竖向腹杆)；因上弦梁5是吸热器支架钢柱15的直接承担构件，上弦梁5的截面刚度是下弦梁6截面刚度的1.5～2.0倍，上弦梁5通过塔壁梁窝13悬挑一段距离，采用封边梁将悬挑段依次连接围成圆形，此做法优点一是为保证空间钢桁架的上部与塔壁连接的整体性和牢固性，二是借助塔内钢桁架扩展塔顶的使用空间，节约造价；顶板11是直接搁置于上弦梁5的混凝土板，厚度及配筋按构造要求确定，起到遮挡雨雪等维护作用；为进一步加强钢桁架与塔壁连接的整体性和牢固性，钢桁架下弦梁6端部支撑于塔壁牛腿顶面上，根据受力要求，端部斜向腹杆截面刚度应是中间腹板的1.5倍左右。塔顶转换结构的使用方法，给出保证空间钢桁架结构刚度的布置方法、保证转换结构与塔壁承载力的连接方法，结合项目的实际应用，本发明钢桁架式转换结构具有很好的适用性和可靠性。

本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“左”、“内”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。