CN103161349B - 预应力钢混组合式塔柱结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预应力钢混组合式塔柱结构，该塔柱由单构件体组装而成，所述单构件体由内层波纹钢板和外层波纹钢板对称扣合，内外两层波纹钢板形成数个空腔柱体，在其中设置钢筋，并填充混凝土。本发明的优点为该塔柱可以多片、多节拼装，也可以全部在工厂预制，或者将波纹板片运至现场后预制，施工方便简单、施工周期短，减少了塔柱钢材用量，大大节约了成本；充分利用精轧预应力钢筋、波纹钢板及混凝土的优点，并且将三者巧妙地相互作用，比同级混凝土式结构截面减少，节约材料，线性美观；减少了或大部分消除了塔柱的弹性挠曲和晃动，增强了塔架抗倾覆能力。

Description

预应力钢混组合式塔柱结构
技术领域
本发明涉及一种塔柱结构，尤其涉及风力发电及建筑领域的一种预应力钢混组合式塔柱结构。
背景技术
目前，风力发电等领域的大型塔柱，大部分是采用钢板卷制成圆筒形塔柱，为了抵抗高耸结构自上而下的力矩，往往需要厚度很大的钢板，致使钢材用量大、成本投资高；其次，制成塔柱的圆筒是整体式的，直径较大，一般为3米至5米，此时运输困难、且运输成本很高；另外，塔柱没有经过预应力处理，在遇到强风时，塔柱顶端在风力的作用下容易产生较大的挠曲及晃动；再者，大型尺寸的塔柱也有采用钢筋混凝土式的结构，该结构相当笨重，不仅施工浇注难度大，施工周期长，而且不能实现工业化生产，因此投建成本和管理成本都相当高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够减少钢材和混凝土使用量、塔顶基本不产生挠曲及晃动且组装灵活方便、运输便捷的预应力钢混组合式塔柱结构。
技术方案：本发明所述的预应力钢混组合式塔柱结构，由单构件体组装而成，所述单构件体由内层波纹钢板和外层波纹钢板对称扣合，对称合扣后的内外两层波纹钢板形成数个空腔柱体，在其中设置钢筋并填充混凝土。所述波纹钢板的长度可根据要求定制，如果运输条件允许，长度一般大于20米。所述内外两层波纹钢板采用高强度的耐腐蚀性螺栓连接。在每个空腔柱体内设置两根或多根带有护套的贯穿整个空腔体的竖直的精轧螺纹钢筋，其长度一般大于20米。在每个空腔内填充标号高于或等于C40的混凝土，为防止波纹钢板板壁与混凝土脱粘，混凝土应采用微膨胀混凝土，待混凝土充满并具有相应强度后张拉精轧螺纹钢筋并锚固。
由于波纹钢板的约束及精轧螺纹钢筋的预应力，使填充后的混凝土处于X、Y、Z三向受压的高强度稳定状态，而两侧的波纹钢板同时起到纵向钢筋、横向套箍及施工模板三个作用；并且，钢板在形成波纹形状后本身就具有了极大的截面惯性矩，抗柱状失稳性能得到了很大的提高，而高强度连接螺栓及填充混凝土，又同时限制的波纹板的波形屈曲及失稳；这样，空腔柱体在填充混凝土后形成的波纹钢板组合结构，就具有了很强的抗柱状失稳能力，从而就制成了单件的预应力波纹钢板混凝土构件（简称单构件体）。
所述单构件体的切面为平面或者圆弧形状，多个单构件体用螺栓连接的方式，竖向组成一节高耸的圆筒体塔柱或多边形筒状塔柱，此时波纹钢板的竖向波纹与塔柱的高度方向一致。为了提高塔柱体的截面惯性矩，在单节塔柱超过一定值时，可在中间位置设置一节比较短的钢圆筒（高度大于1000mm）。该圆筒可以是带有横向波纹的波纹钢筒（波纹的数量应不小于4个波），也可以是平钢板卷制的圆筒。该筒与塔柱体接触的部位均用螺栓连接。
为保证结构的强度与稳定性，结构还必须满足以下要求：
1、波纹钢板对混凝土的约束效应系数Ky不能小于0.6：
K y = A s f s A c f cd
2、截面含钢率ρc应在0.03～0.08之间：
ρc=As/Ac
3、混凝土的厚宽比应在0.8～1.6之间。
上式中：AS—钢板的截面面积，AC—混凝土的截面面积，fs—钢板屈服强度值，fcd—混凝土抗压强度值。
有益效果：本发明与现有技术相比，其优点为该塔柱结构采用单件的预应力波纹钢板混凝土构件组装而成，可以多片、多节拼装，也可以全部在工厂预制，或者将波纹板片运至现场后预制，施工方便简单、施工周期短，减少了塔柱钢材用量，大大节约了成本。钢板在形成波纹形状后本身具有极大的截面惯性矩，提高了钢板的抗柱状失稳能力，同时，波纹板片可标准化生产，利于生产线式生产加工及生产线式防腐处理，大大降低生产制造成本，另外，波纹板片可层叠式运输，占用空间小，大大提高了运能及运量，减低了运输成本，并且解决了长途运输或偏远地区或有超限的路况对超大件物资的运输限制。在两层波纹板形成的空腔内填充素混凝土，减少了混凝土用量，节约了成本，并且不需繁杂的绑扎钢筋作业，缩短工期。充分利用精轧预应力钢筋、波纹钢板及混凝土的优点，并且将三者巧妙地相互作用。比同级混凝土式结构截面减少，节约材料，线性美观。减少了或大部分消除了塔柱的弹性挠曲和晃动，增强了塔架抗倾覆能力。可根据不同的塔柱高度要求，改变波纹板的波形，从而改变了塔柱的混泥土的截面面积，这样可以制造超大型塔柱，但钢材增加却很少。塔柱越高，经济性越好。可与普通的单层钢板的圆筒形塔柱组合使用，在塔柱上部使用普通塔架，下部使用该钢混复合结构塔柱，结构可灵活处理。
附图说明
图1为本发明单构件体的结构示意图；
图2为图1的A-A截面图；
图3a、3b、3c均为图1的B-B截面图；
图4为本发明单构件体的组装示意图；
图5为图4的C节点放大图；
图6为图4的D节点放大图；
图7为图4的H-H截面图；
图8为图4的E-E截面图；
图9为图8的G-G截面图；
图10为图8的F节点放大图；
图11为本发明单构件体竖向连接图；
图12为本发明波纹钢板的结构示意图；
图13a、13b、13c为本发明波纹钢板的波形示意图。
具体实施方式：
如图12所示，预先将钢板加工成具有多个竖向波纹的钢板即波纹钢板。再如图13a、13b、13c所示，该波纹钢板的波形可以是连续的正弦波纹，也可以是非连续的异型波纹，例如半圆拱形、低拱形、箱式等。再如图1-11所示，将加工成符合标准的波纹钢板内外两层对扣拼装，两层波纹钢板的接触部分用高强度的耐腐蚀螺栓5连接，其为高强度耐腐蚀热镀锌螺栓，热镀锌量大于350g/m2，强度等级大于等于8.8级，根据实际需要，两层波纹钢板的接触部分可用一个或多个耐腐蚀螺栓5连接，参见图3a、3b、3c所示。为了满足波纹钢板有一定弧度，可以在两层波纹钢板接触部分设置侧连接折弯板13，该折弯板材质与波纹钢板相同，再将侧连接折弯板13连同波纹钢板通过螺栓5连接。这样在两层波纹钢板之间形成数个空腔柱体，空腔柱体的厚度一般要超过500mm，即两层波纹钢板波顶至波顶的距离，也是波纹钢板波高的两倍，波纹的波距一般要大于600mm，所用钢板材料为Q345或更高级别热轧钢板，钢板在加工波形后其表面要进行热浸镀锌的防腐处理。在空腔柱体中放入带护套9的精轧螺纹钢筋3，其为预应力混凝土用螺纹钢筋，是一种特殊形状带有不连续的外螺纹的直条钢筋，该钢筋在任意截面处，均可以用带有内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固，该钢筋也可以采用达到技术要求的只是在两端带有螺纹的高强螺杆，其直径一般大于40mm，其抗拉强度应大于830Mpa，屈服强度应大于730Mpa，该钢筋通过精轧钢筋专用连接螺母12连接。护套9为PVC材质或金属材质的螺旋状波纹管。同时在空腔柱体中浇筑素混凝土4，其为具有相应特性的混凝土，具有适合本发明实现的坍落度及强度，标号应在C40以上。待混凝土有相应强度时，起吊并与基础及相邻板片连接安装第一节塔体，塔体底部通过基础法兰11与地基相连接，然后张拉第一节塔体中的精轧螺纹钢筋并安装不同径连接法兰6，连接法兰6通过精轧螺纹钢筋螺母10在螺栓孔处锚固精轧螺纹钢筋3时，其本身也一同锚固在第一节塔体顶端。或者将内外层波纹板片拼装完成后，起吊并与基础及相邻板片连接，在波纹空腔内放入带护套9的精轧螺纹钢筋3，固定后浇筑素混凝土4。在波纹钢板筒内设有内衬7。在第二节或其他塔节安装时，通过螺栓孔使第二节塔体中的精轧螺纹钢筋3固定在同径连接法兰8或不同径连接法兰6上，并依此固定第二层塔体波纹钢板，确定第二节塔体位置准确无误后浇筑第二层塔体混凝土4，待混凝土4有相应强度后张拉精轧螺纹钢筋3。依次安装剩余塔体。所述的法兰材质为Q345或者更高级别材质，整体锻件加工成型。如此的塔柱结构完成以后，塔体的壁部抗拉强度，主要由精轧螺纹钢筋来承担，而塔体的抗压强度和上部的载荷，主要由混凝土承担，其次受力的才是波纹钢板板壁，从而大大减少了钢板用量，同时连接两层波纹钢板的高强度螺栓及填充后的混凝土又同时限制了波纹钢板的波形失稳，也减少了波纹钢板的厚度，节约了钢材，并且，由于两层波纹钢板的包箍作用，限制了混凝土竖向柱体的失稳，大大减少了混凝土的用量，同时由于采用了预应力处理，塔架顶部的晃动挠曲大部分消失。

Claims (6)

1.一种预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：由单构件体组装而成，所述单构件体由内层波纹钢板(1)和外层波纹钢板(2)对称扣合，内外两层波纹钢板形成数个空腔柱体，在其中设置钢筋(3)，并填充混凝土(4)；所述波纹钢板的波纹为竖向波纹；所述混凝土(4)为微膨胀混凝土；所述单构件体的切面为平面或者圆弧形状；该单构件体竖向组装成圆筒体或多边形筒状塔柱；并且在所述塔柱的中间位置设置一节钢圆筒。
2.根据权利要求1所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述内外两层波纹钢板采用耐腐蚀性螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述波纹钢选用Q345或更高级别的热轧钢板。
4.根据权利要求1所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述钢筋(3)带有护套。
5.根据权利要求1所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述混凝土(4)的标号高于或等于C40。
6.根据权利要求1所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述圆筒为带有横向波纹的波纹钢筒，或者为平钢板卷制的圆筒。
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