CN103573006B - 一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架 - Google Patents

一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,包括现浇钢筋混凝土基础、一组钢管混凝土塔段,钢管混凝土塔段之间通过水平法兰盘连接成竖直塔筒,同时塔筒底部固定在现浇钢筋混凝土基础上,钢管混凝土塔段包括内钢管、外钢管和浇筑在内钢管外钢管之间夹层的混凝土层,内钢管的外壁一周设有第一加劲肋,外钢管的内壁一周设有第二加劲肋;与现有的钢制塔架相比,本发明采用中空夹层且管壁带肋的复式钢管混凝土结构,在内外钢管与混凝土接触的管壁侧设置加劲肋,增强了钢管与混凝土的界面粘结力,提高了塔架的承载力和延性,可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲破坏。

Description

一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种风力发电设备,具体涉及一种风电塔架。
背景技术
[0002] 塔架是风力发电机组中的主要支承装置,随着风力发电机组的发展,塔架经历了单管拉线式、桁架拉线式、桁架式塔架和常见的锥筒式塔架等形式,现代大型风力发电机组通常采用钢制锥筒式塔架。风力机机组单机容量不断增加,相应的塔架也朝着高耸化发展,尤其是对于高度达到100米以上的塔架,钢结构塔架钢板厚度的增加对于卷制钢板的加工工艺及焊接工艺、运输、安装及维护方面都出现了一些不可克服的问题,大大增加了机组的成本;而且随着塔架高度的增加,产生的空气动力学和结构动力学问题更加突出,对塔架的强度、刚度和稳定性都提出了新的要求。
[0003] 中空夹层复式钢管混凝土构件作为复式钢管混凝土构件中的一种新型式,在大跨、高耸等现代工程结构中有着广阔地应用前景,除了具有普通复式钢管混凝土构件承载力高、耐火性能好、塑性性能和韧性性能好等特点外,因其特殊的截面形式,具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻、抗震性能好、防火性能优越等优点。有文献表明,其在大弯矩情况下,能使材料的力学性能更好地发挥,在外管尺寸相同情况下,中空夹层混凝土构件的承载力与相同样式实心钢管混凝土构件的承载力基本相当,且力学性能类似。
[0004] 虽然,中空夹层复式钢管混凝土构件与钢制构件或混凝土构件相比,其材料性能和力学性能均有所提高,但是当钢管壁较薄时,在压力的作用下其管壁较易产生局部屈曲,这样就降低了构件的承载力。
发明内容
[0005] 发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种能有效地控制局部屈曲的发展、提高构件的承载力和增大构件延性的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架。
[0006] 技术方案:本发明提供了一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,包括现浇钢筋混凝土基础、一组钢管混凝土塔段,所述钢管混凝土塔段之间通过水平法兰盘连接成竖直塔筒,同时塔筒底部固定在所述现浇钢筋混凝土基础上,所述钢管混凝土塔段包括内钢管、外钢管和浇筑在内钢管外钢管之间夹层的混凝土层,所述内钢管的外壁一周均匀设有纵向的第一加劲肋,所述外钢管的内壁一周均匀设有纵向的第二加劲肋;在内外钢管的管壁设置加劲肋,增强钢管与混凝土层界面的粘结性能,使塔架具有刚度大、承载力高、稳定性好、抗风抗震抗疲劳性能好、塔架受力合理分布和施工运输方便等优势。
[0007] 进一步,为了防止内外管壁其他部分产生屈曲,所述第一加劲肋和第二加劲肋的横截面为矩形,所述第一加劲肋的横截面宽度不大于所述内钢管的厚度,所述第二加劲肋的横截面宽度不大于所述外钢管的厚度。
[0008] 优选的,所述第一加劲肋和第二加劲肋的数量分别为4~12个;加劲肋的数量越多,承载力越高,但同时也增加了焊接工作量以及钢材的用量,因此,在保证所需承载力的基础上简化焊接次数及节约钢材用量,加劲肋的数量沿圆周均匀设置4~12个;在实际施工中,内外钢管为正方形或正六边形截面时可沿每边均匀设置1~3个。
[0009] 优选的,所述钢管混凝土塔段的数量为3~5段;随着风电机组功率的增加,根据风场条件,塔架通常达到数十米,甚至100米以上,将塔筒分段制造,便于生产和运输安装,同时考虑塔筒的强度、整体刚度以及塔筒的稳定性,在实际设计中,通常优选塔段的数量为3〜5段。
[0010] 优选的,所述内钢管和外钢管的厚度均为10~40_,内外钢管的厚度对塔筒的局部屈曲以及承载力有一定的影响,钢管厚度太小容易发生局部屈曲,钢管厚度太大对卷制工艺和设备又有过高的要求,因此本发明优选内钢管和外钢管的厚度为10~40_。
[0011] 优选的,所述内钢管的横截面为圆形、正方形或正六边形,纵剖面为锥形或矩形。
[0012] 优选的,所述外钢管的横截面为圆形,纵剖面为锥形。
[0013] 由材料力学知识可知,在截面面积相等的情况下,正多边形的截面惯性矩随着边数(大于等于4)的增加影响不大,矩形最大,圆形最小,两者相差约5%;并且截面的弯曲应力还与荷载的方向有关,在不定向荷载作用下,圆形截面抵抗弯矩的能力最佳,同时,相对于方、矩形截面,圆形截面更不易发生局部屈曲,而正多边形截面管壁平整有利于结点连接。考虑到塔架在外侧受到不定向的风荷载作用以及圆形钢管风阻系数较小,兼顾外形的美观简洁,施工的快捷方便,材料的节约等多方面的因素,外钢管的横截面优先选用圆形,内钢管的横截面优先选用圆形、正方形或正六边形。
[0014] 塔架作为风电机组的支撑结构,它所受到的力很复杂,既有叶片和机舱传递的水平轴向力,又有扭矩、离心力和陀螺力等,塔架底部受到的弯矩最大,为了使各个截面的弯曲应力相同,整个塔筒获得等强度受力的效果,在初选塔筒的结构尺寸时,可将其直径或壁厚及直径同时由底向上逐渐减小,形成一定的锥度,可以最大程度的减少筒壁材料用量,达到较好的结构性能和经济效益。
[0015] 进一步,所述内钢管和外钢管的横截面形心重合;内外钢管截面形心重合可使结构在复杂的荷载作用下保持较好的稳定性和抗扭特性,不易发生弯扭屈曲。
[0016] 进一步,所述混凝土层是由现浇混凝土采用分段浇筑振捣方式形成;混凝土的密实度对钢管混凝土的力学性能有显著影响,由于混凝土层被内外钢管包围,混凝土浇筑方式对混凝土层的密实度又有很大影响,为了提高混凝土的浇筑质量,采用分段浇筑振捣的方式。
[0017] 有益效果:1、与现有的钢制塔架相比,本发明采用中空夹层且管壁带肋的复式钢管混凝土结构,在内外钢管与混凝土接触的管壁侧设置加劲肋,增强了钢管与混凝土的界面粘结力,提高了塔架的承载力和延性,可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲破坏;2、实心的钢管混凝土中,靠近截面形心位置的混凝土并不能提供太多的抗弯刚度,对承载力贡献不大,本发明的塔架由于采用中空夹层技术,截面形式开展,在自重相同的情况下,大大减小了钢板的厚度,有利于加工制造,便于运输,并且具有较大的抗弯刚度,在弯矩较大的情况下能更好地发挥材料的力学性能,同时提高了其抗震能力。
附图说明
[0018] 图1为本发明的结构示意图;
[0019] 图2为图1中A-A处相邻两段钢管混凝土塔段连接处的局部放大图;
[0020] 图3为图2中沿B-B的横截面示意图;
[0021] 图4为图3中区域D的局部放大图;
[0022] 图5为图1中沿C-C的纵剖面示意图;
[0023] 图6为实施例2的横截面示意图;
[0024] 图7为实施例2的纵剖面示意图;
[0025] 图8为实施例3的横截面示意图。
具体实施方式
[0026] 下面对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0027] 实施例:
[0028] 实施例1:一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,如图1所示,包括现浇钢筋混凝土基础13、三段钢管混凝土塔段I ;2 ;3,如图3所示,每段钢管混凝土塔段I ;2 ;3包括内钢管4、外钢管5和浇筑在内钢管4外钢管5之间夹层的混凝土层6,内钢管4和外钢管5的厚度为25mm,横截面均为圆形,不易发生屈曲,有良好稳定的承载力,内钢管4与混凝土层6接触的外壁一周均匀的焊接有八个第一加劲肋7,外钢管5与混凝土层6接触的内壁一周均匀的焊接有八个第二加劲肋8,加劲肋横截面均为矩形,沿管壁纵向通长方向竖直设置,如图4所示,第一加劲肋7和第二加劲肋8横截面尺寸分别为宽度!\、T2和长度Lp L2,通过数值计算表明,在风力机塔架中,钢管的宽厚比都比较大,为了防止屈曲,设置的加劲肋宽度!^!^通常会大于管壁的厚度,但是加劲肋的宽度T ”!^过大又会使管壁其他部位发生局部屈曲,增加管壁负担,因此,第一加劲肋7和第二加劲肋8的宽度InIVt分别小于等于内钢管4和外钢管5的厚度;随着加劲肋长度LpL2的增加,能有效增强钢管壁的局部刚度,延缓钢管壁过早发生局部屈曲,增强钢管与混凝土界面的粘结力,因此第一加劲肋7和第二加劲肋8横截面的长度Lp L2分别取宽度T η 1~2的10~30倍。
[0029] 如图2所示,三段钢管混凝土塔段I ;2 ;3的内钢管4和外钢管5通过对应的内法兰盘9和外法兰盘10使用螺栓11和螺母12连接成竖直塔筒,塔筒底部固定在现浇钢筋混凝土基础13上,整个塔架从底部到顶部内径逐渐减小呈锥形,如图5所示。
[0030] 现浇钢筋混凝土基础13中预埋有法兰盘,位置最下的钢管混凝土塔段I的底部通过法兰与现浇钢筋混凝土基础13中预埋的法兰盘通过螺栓连接,内钢管4、外钢管5与现浇钢筋混凝土基础13连接就位后,在位置最下的钢管混凝土塔段I的顶部、内外钢管夹层部分现浇混凝土层6,混凝土层6浇筑至钢管混凝土塔段I的顶部下1~2米处停止浇筑并振捣,再将位置最下的钢管混凝土塔段I与位于中间的钢管混凝土塔段2的内钢管4和外钢管5对应的法兰盘使用螺栓和螺母连接,在位于中间的钢管混凝土塔段2的顶部第二次现场浇筑混凝土层6,同样浇筑至钢管混凝土塔段2的顶部下方1~2米处停止浇筑并振捣,采用同样的方法连接位于中间的钢管混凝土塔段2和位置最上的钢管混凝土塔段3后,从位置最上的钢管混凝土塔段3顶部第三次浇筑混凝土层6,浇筑至顶部,形成整个中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架;采用分段浇筑振捣的方式能提高混凝土的密实度,从而提尚塔架的承载力O
[0031] 实施例2:与实施例1大致相同,所不同的是内钢管4的横截面为正方形,外钢管5的横截面为圆形,如图6所示,内钢管4的每边上对称设置两条第一加劲肋7,保证方形钢管每边与混凝土的粘结力,因此内钢管4与混凝土层6的结合稳固紧密,不易发生局部屈曲,提高塔架的承载力;如图7所示,外钢管5的直径由下至上逐渐减小形成锥度。
[0032] 实施例3:如图8所示,与实施例1大致相同,所不同的是内钢管4的横截面为正六边形,正六边形每边上设置一条第一加劲肋7,因此内钢管4 一周平均分为六个方向使第一加劲肋7深入混凝土层6,与混凝土牢牢粘结,增强粘结力,同时正六边形可以减弱内钢管4角部的应力集中现象,使截面上的应力分布更加均匀,避免形成薄弱区域,防止内钢管4的局部屈曲,提尚塔架的抗震能力。
[0033] 如上,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明,但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:包括现浇钢筋混凝土基础、一组钢管混凝土塔段,所述钢管混凝土塔段之间通过水平法兰盘连接成竖直塔筒,同时塔筒底部固定在所述现浇钢筋混凝土基础上,所述钢管混凝土塔段包括内钢管、外钢管和浇筑在内钢管外钢管之间夹层的混凝土层,所述内钢管的外壁一周均匀设有纵向的第一加劲肋,所述外钢管的内壁一周均匀设有纵向的第二加劲肋,所述第一加劲肋和第二加劲肋的横截面为矩形,所述第一加劲肋的横截面宽度不大于所述内钢管的厚度,所述第二加劲肋的横截面宽度不大于所述外钢管的厚度。
2.根据权利要求1所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述第一加劲肋和第二加劲肋的数量分别为4~12个。
3.根据权利要求1所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述钢管混凝土塔段的数量为3~5段。
4.根据权利要求1所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述内钢管和外钢管的厚度均为10~40mm。
5.根据权利要求1或4所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述内钢管的横截面为圆形、正方形或正六边形,纵剖面为锥形或矩形。
6.根据权利要求1或4所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述外钢管的横截面为圆形,纵剖面为锥形。
7.根据权利要求1所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述内钢管和外钢管的横截面形心重合。
8.根据权利要求1所述的中空夹层管壁带肋复式钢管混凝土风电塔架,其特征在于:所述混凝土层是由现浇混凝土采用分段浇筑振捣方式形成。
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