一种预应力中空夹层钢管混凝土格构式混合塔架及其生产安装方法

技术领域

本发明涉及陆上和海上风力发电技术领域。

背景技术

风电能源是一种无污染、可再生的清洁能源。与陆上风电能源相比，海上风电能源具有风机发电量高、单机装机容量更大、风机运行更稳定、风电场的建设无需占用土地等优势，近年来开始受到国家能源主管部门和行业的广泛关注。

近年来风机的尺寸越来越大，所需的塔筒高度和直径也越来越大，传统的风机多采用实腹式的钢-混凝土塔筒，生产成本较高，生产工艺复杂，人工需求高且生产效率低。现场拼装、灌浆、吊装周期过长，且部分零部件需要超限运输，存放场地要求较高，生产质量不易把控，构件成本差较严重。生产供应链较长，易受到各行业价格波动影响。

因此，为了充分开发我国广阔的陆上和海洋风能资源，降低塔筒所受荷载和材料用量，精简工程实施工序、工艺，减少劳动力需求，并缩短安装施工时间，减少吊装费用，应对传统塔筒的结构形式作出改进，将零部件进行轻量化设计，研发出性能、成本和质量最优的塔筒形式。

发明内容

本发明综合提出了一种预应力中空夹层钢管混凝土格构式混合塔架：上部为钢塔筒，下部为格构式塔架，减小构件尺寸的同时显著降低塔架上的风荷载。格构式塔架中各杆件主要承受轴向力，充分发挥材料的强度。格构式塔架的角柱采用预应力中空夹层钢管混凝土，增加刚度的同时减少钢材和混凝土的用量，降低各构件的重量，便于运输和吊装，中空部分作为预应力孔道，沿高度通长整体张拉，增加结构的稳定性和抗拉性能。横向和斜向构件采用钢管混凝土，充分发挥混凝土抗压、钢材抗拉的性能。结构构造简单、竖向和整体稳定性好，是一种全新的风机塔架形式。结构体系全部采用装配化建造方式，各构件均在工程或现场标准化生产，显著提高施工效率、保证施工质量、降低施工措施费用。

本发明的技术方案如下：

一种预应力中空夹层钢管混凝土格构式混凝土塔架，该结构包含风机、钢塔筒、塔架过渡段、格构式塔架、基础。所述基础采用工厂制作的预埋件标准件进行精确定位；所述格构式塔架的角柱与基础中的预埋件通过螺栓连接；所述格构式塔架顶部与塔架过渡段相连；所述塔架过渡段与钢塔筒相连；所述钢塔筒与风机相连。

所述基础中的预埋件标准件为带有盖板的钢管预制构件，盖板上有预留孔，底部螺帽和螺杆提前预埋，精准定位安装后灌注混凝土。

所述格构式塔架中角柱采用预应力中空夹层钢管混凝土，中空部分作为预应力孔道。横杆与斜杆采用钢管混凝土，端板预埋连接件，与其他杆件之间通过螺栓连接，斜杆交叉处断开一根斜杆，通过贯穿另一根斜杆的连接板进行螺栓连接。

所述塔架过渡段为4个箱形钢管混凝土梁。塔架过渡段与格构式塔架的角柱连接处的截面与角柱截面相同，中间段为箱形钢管混凝土，侧面均匀分布圆形穿透孔，孔的直径为工字型钢截面高度的1/3～1/2，减轻吊装重量和风荷载的不利影响；与钢塔筒连接处则由端板过渡到工字型截面，与钢塔筒上的工字型钢进行螺栓连接。待塔架过渡段安装完成，进行由基础至塔架过渡段顶部的预应力张拉。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)整体结构采用钢塔筒与格构式塔架结合的形式，避免轮毂高度较高时，采用纯钢塔筒抗侧刚度较低、振幅较大，易与机组发生共振，严重损伤机舱设备，甚至倒塌(局部稳定性差)，造成巨大经济损失，易腐蚀，维护成本高。钢塔筒与格构式塔架结合满足频率相对偏差规定，不会发生共振。

(2)基础采用工厂预制预埋件定位，能够精确定位，提高现场施工效率。

(3)格构式塔架中的各杆件采用标准化尺寸，提高生产加工效率。结构形式简单，便于安装。采用预应力中空夹层钢管混凝土和钢管混凝土，预应力使钢管混凝土全截面受压，钢管对混凝土形成约束效应，提高混凝土的强度和延性。格构式塔架将单根构件受弯模式转化为角部构件受轴向力作用模式，减少材料用量，充分利用材料强度。同时格构式塔架受风荷载面积小，显著降低风荷载的影响。

(4)各杆件与角柱相连的节点部位采用橄榄球型环形加劲肋，将局部拉应力有效的传递至角柱钢管的四周，充分利用环形加劲肋对节点的加强，减少材料的浪费且便于运输。

(5)塔架过渡段采用分片式，有效减少吊装重量，提高吊装效率，并将塔架过渡段与格构式塔架整体进行预应力张拉，提高结构的整体性、稳定性以及节点连接有效性。塔架过渡段与格构式塔架、钢塔筒之间均采用螺栓连接，提高现场施工效率，保证现场施工质量。

(6)预应力张拉端和锚固端的两层钢管之间沿四周均匀设置高度为外层钢管直径两倍的加劲肋，对其局部受力较大部位进行加强。

(7)预应力穿附钢套管工厂预埋组拼，工厂或现场竖向立杆，自密实混凝土灌注，浇筑支撑标准件均采用螺栓连接，可重复利用。结构体系全部采用装配化建造方式，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为预埋件标准件示意图；

图3为格构式塔架示意图；

图4为预应力中空夹层钢管混凝土示意图；

图5为节点连接示意图；

图6为角柱张拉锚固端示意图；

图7给塔架过渡段示意图；

图8为橄榄球型环形加劲肋示意图；

图9为斜杆交叉的节点连接示意图；

图10为工厂或现场浇筑平台示意图；

图中：1-风机、2-钢塔筒、3-塔架过渡段、4-格构式塔架、5-基础、6-预埋件标准件、7-角柱、8-横杆、9-斜杆、10-法兰、11-锚固端加劲肋、12-端部连接板、13-工字型钢、14-螺栓连接、15-端板、16-箱形端部加劲肋、17-圆形穿透孔、18-橄榄球型环形加劲肋、19-浇筑平台、20-预应力孔道、21-预埋件螺杆、22-预埋件螺帽、23-钢塔筒竖向加劲肋、24-钢塔筒环向加劲肋、25-斜杆交叉处连接板、26-预应力筋、27-钢管混凝土悬臂梁。

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，一种预应力中空夹层钢管混凝土格构式混合塔架，涉及陆上和海上风力发电技术领域。该体系包含风机(1)、钢塔筒(2)、塔架过渡段(3)、格构式塔架(4)、基础(5)。所述基础(5)采用工厂制作的预埋件标准件(6)进行精确定位；所述格构式塔架(4)中的角柱(7)与基础(5)中的预埋件标准件(6)相连，格构式塔架可设计为四边形格构式塔架或三角形格构式塔架；(5)所述塔架过渡段(3)与格构式塔架(4)相连；所述钢塔筒(2)下端与塔架过渡段(3)相连；所述风机(1)布置在钢塔筒(2)上端。

如图2所示，预埋件标准件(6)放置在基础上进行精确定位，并浇筑混凝土进行固定后，将格构式塔架(4)中的角柱(7)与基础(5)中的预埋件标准件(6)相连。预埋件标准件(6)为带有盖板的钢管预制构件，盖板厚度为20mm至30mm，底部螺帽(22)和螺杆(23)提前预埋。

如图3所示，格构式塔架(4)由角柱(7)、横杆(8)和斜杆(9)组成。其钢管均采购螺纹钢管成品，钢材强度等级为Q390、Q420、Q460，混凝土强度等级为C50～C80，钢管厚度为8～16mm。角柱均垂直于地面，底层角柱的直径为1m～1.5m，每两层变换一次直径，直径的变换率不超过10％。

如图4所示，格构式塔架(4)中的角柱(7)采用预应力中空夹层钢管混凝土，中空部分为预应力孔道(20)。预应力筋(26)采用高强预应力钢绞线。

如图5所示，各层角柱(7)之间通过法兰(10)连接，横杆(8)和斜杆(9)与角柱(7)分别通过连接板(12)进行螺栓连接，端部连接板(12)插入深度为1.0～1.5倍横杆(8)或斜杆(9)的直径，端部连接板(12)与钢管采用角焊缝连接。两根斜杆(9)交叉处仅断开一根斜杆(9)，通过贯穿另一斜杆的连接板(25)进行螺栓连接(14)，螺栓采用M30的摩擦型高强螺栓。

如图6所示，角柱(7)张拉锚固端采用四周均匀分布的加劲肋(11)进行局部加强。加劲肋的高度为外层钢管直径的两倍，厚度不超过钢管壁厚的1.2倍。

如图7所示，塔架过渡段(3)采用箱形混凝土，与格构式塔架(4)连接段截面与角柱(7)相同，与钢塔筒连接端为工字型钢，通过端板(15)以及内部加劲肋(16)过渡。钢塔筒连接端长度为16米至20米，其内部与工字型翼缘和腹板对应位置设置环形加劲肋(24)和竖向加劲肋(23)，当格构式塔架(4)顶部的塔架过渡段(3)安装完成后进行整体预应力张拉。塔架过渡段(3)侧面均匀分布直径为箱形高度三分之一的圆形穿透孔(17)，减少吊装重量以及风荷载的影响。

如图8所示，角柱(7)的连接板(12)上下端均设置橄榄球型环形加劲肋(18)，将横杆(8)和斜杆(9)的力进行有效传递。橄榄球型环形加劲肋的弧线分别通过外径和内径的切线确定，减少钢材的使用且便于运输。

如图9所示，斜杆交叉处断开一根斜杆，通过贯穿另一斜杆(9)的连接板(25)进行螺栓连接，贯穿斜杆(9)的连接板(25)宽度为斜杆(9)直径的0.7～0.8倍、长度为斜杆直径的2.5～3.0倍。

如图10所示，格构式塔架(4)中使用的中空夹层钢管混凝土和钢管混凝土均可以在工厂或现场搭建浇筑平台(19)进行批量化生产。浇筑平台(19)采用支撑标准件，全螺栓连接，可重复利用。

具体生产安装方法如下：

在工厂预制基础预埋件标准件(6)，购买螺旋钢管产品并完成端部加劲肋(11)、端部连接板(12)、斜杆交叉连接板(25)、钢塔筒内部竖向加劲肋(23)和环向加劲肋(24)的焊接工作；在工厂或现场使用浇筑支撑标准件搭建浇筑平台(19)，灌注中空夹层钢管混凝土和钢管混凝土构件，完成格构式塔架(4)中的角柱(7)、横杆(8)和斜杆(9)的制作；通过基础预埋件标准件(6)进行精确定位后固定；吊装格构式塔架(4)中的角柱(7)、横杆(8)和斜杆(9)并进行螺栓连接，角柱(7)均保持铅锤安装；格构式塔架按成后，吊装塔架过渡段(3)，塔架过渡段(3)与角柱(7)进行螺栓连接；接着进行由基础(5)面至塔架过渡段(3)顶面的预应力筋(26)张拉；吊装钢塔筒(2)，钢塔筒(2)下部的四个短工字型钢与塔架过渡段(3)对位后进行螺栓连接；最后安装钢塔筒(2)的风机(1)。