CN103669974A

CN103669974A - 预应力钢混组合式塔柱结构

Info

Publication number: CN103669974A
Application number: CN201310582718.1A
Authority: CN
Inventors: 战福军
Original assignee: Nanjing Lianzhong Construction Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Lianzhong Construction Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种预应力钢混组合式塔柱结构，由带有垂直波形的单构件体竖向组装形成环状结构，所述单构件体由两层波形钢板对称扣合或者由一层钢板与一层波形钢板扣合，两层钢板之间形成间隔的柱体空腔，在柱体空腔的内壁上沿轴向焊接加强筋，同时在柱体空腔内设置拉杆并填充混凝土。本发明的优点为该塔柱在两层钢板形成的柱体空腔内填充混凝土，并利用加强筋使混凝土与柱体空腔形成一体，该柱体结构截面减小、钢材等用量减少、线性美观、节约成本，塔体的抗柱状失稳能力提高，且塔顶基本不产生挠曲晃动；同时基座及塔身不使用法兰，塔身直接作为基础的一部分插入地下，省去了造价昂贵、施工量大的塔架基础；另外塔体组装灵活方便、运输便捷。

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，尤其涉及一种预应力钢混组合式塔柱结构，属于风力发电及建筑领域。

背景技术

目前，风力发电等领域的大型塔柱，大多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，塔柱直径较大、钢板厚度较厚，同时塔柱由内外至少两层钢板制成，由此导致钢材用量增加、投资成本提高；其次，制成塔柱的圆筒是整体式的，直径一般为3米至5米，运输困难且运输成本高；另外，塔柱没有经过预应力处理，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，如果大型塔柱采用钢筋混凝土式结构，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减少钢材和混凝土使用量、塔顶基本不产生挠曲晃动、基座及塔身不使用法兰、塔体组装灵活方便、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，由带有垂直波形的单构件体竖向组装形成环状结构，所述单构件体由两层波形钢板对称扣合或者由一层钢板与一层波形钢板扣合，两层钢板之间形成间隔的柱体空腔，在柱体空腔的内壁上沿轴向焊接加强筋，同时在柱体空腔内设置拉杆并填充混凝土。

其中，在所述柱体空腔内沿径向间隔设置环状钢筋，该环状钢筋与加强筋连接或者与拉杆连接。在所述柱体空腔内设置轴向延伸的螺旋状钢筋，该螺旋状钢筋与加强筋连接或者与拉杆连接。所述加强筋为波浪形、矩形或线状结构。

相邻塔节之间设开有拉杆孔的连接装置，且两个相邻塔节内的拉杆分别穿过连接装置的拉杆孔进入另一塔节内，同时拉杆通过螺母固紧在连接装置上。所述连接装置为钢混结构。

在中部或下部位置的塔柱内连接至少一节钢圆筒。所述钢圆筒的筒壁与塔柱内壁之间留有间隙，并在该间隙内填充混凝土并固定钢筋。所述钢圆筒由带有水平波形的波形钢板或者平钢板卷制而成。

所述拉杆为预应力钢拉杆并带有护套。

由于两层钢板的约束力以及拉杆的预应力，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，两侧的钢板同时起到纵向钢筋、横向套箍及施工模板三个作用，而高强度预应力钢拉杆及填充的混凝土，又可以限制波形钢板的波形屈曲及失稳，钢板在形成波纹形状后本身就具有了极大的截面惯性矩，柱体空腔内壁上的加强筋可使填充的混凝土与柱体空腔形成整体，从而有效防止混凝土从钢板壁上脱落下来，这样就制成了单件的预应力波形钢板混凝土构件（简称单构件体），即竖向排列的预应力钢管混凝土结构，由该单构件体组装形成的塔柱结构完成后，塔体的壁部抗拉强度，主要用拉杆承担，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，也减少了波纹钢板的厚度，同时限制了混凝土竖向柱体的失稳，减少了混凝土的使用量。

为保证塔柱结构的强度与稳定性，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K_y不能小于0.6：

K_{y} = \frac{A_{S} f_{S}}{A_{c} f_{cd}}

2、截面含钢率ρ_c应在0.03～0.08之间：

ρ_c=A_s/A_c

3、混凝土的厚宽比应在0.8～1.6之间。

上式中：A_S—钢板的截面面积，A_C—混凝土的截面面积，f_s—钢板屈服强度值，f_cd—混凝土抗压强度值。

有益效果：本发明与现有技术相比，其优点如下：1、钢板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；2、单构件体带有垂直波形（竖向波形），具有很强的横向抗剪能力，大大提高了塔身的抗横向风力的能力；3、与现有的塔柱结构相比，为达到相同的抗柱状失稳力和抗横向风力，本发明在两层钢板形成的柱体空腔内填充混凝土，并利用加强筋使混凝土与柱体空腔形成一体，该柱体结构截面减小、钢材等用量减少、线性美观、节约成本；4、塔基与塔身之间不使用法兰连接，节省了成本；5、塔身直接作为基础的一部分插入地下，省去了造价昂贵、施工量大的塔架基础；6、塔柱越高，经济性越好，可与普通单层钢板卷制而成的圆筒形塔柱组合使用，例如在塔柱上部使用普通塔架，下部使用本发明的钢混结构塔柱，复合结构可灵活处理。7、根据不同塔柱的高度要求，改变波形板的波形形状、波高或波距等，从而改变柱体空腔内混凝土的截面面积，这样可以制造超大型塔柱，但钢材的增加却很少。8、该塔柱结构采用单件的预应力波形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，或者将波形板片运至现场后拼装，且该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，降低生产制造成本，同时施工方便简单、施工周期短，不需繁杂的绑扎钢筋作业，节约了成本。9、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。10、该塔柱充分利用波形钢板、拉杆、混凝土及加强筋的优点，减少了或大部分消除了塔体的弹性挠曲和晃动，增强了塔架抗倾覆能力。

附图说明

图1为本发明单构件体的主视图；

图2为图1的A-A截面图；

图3a、3b、3c、3d、3e均为图1的B-B截面图；

图4为本发明塔柱的结构示意图；

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E-E截面图；

图8为图4的H-H截面图；

图9为图7的G-G截面图；

图10为图7的F节点放大图；

图11为图8的I节点放大图；

图12为本发明单构件体竖向连接图；

图13为本发明波形钢板的结构示意图；

图14a、14b、14c均为本发明波形钢板的波形示意图；

图15为本发明基础示意图。

具体实施方式

如图13所示，预先将平钢板加工成符合标准的带有多个垂直（竖向）波形的钢板即波形钢板2，波形钢板2的波形有多种，可以是连续的正弦波形，如图14a所示；也可以是其它波形，例如半圆拱形、低拱形、方形等，如图14b、14c所示。所用钢板材料为Q345或更高级别耐腐蚀高强度热轧钢板，钢板在加工波形后其表面要进行防腐处理。

将两层波形钢板对扣拼装，或者一层波形钢板与一层钢板扣合，两层钢板的接触部分用螺栓51以及螺母52连接，该螺栓51为高强度耐腐蚀热镀锌螺栓，其热镀锌量大于350g/m²，强度等级大于等于8.8级，同时根据实际需要可用一个或多个螺栓连接，参见图3a、3b、3c、3d、3e所示。这样在两层钢板之间形成数个间隔的柱体空腔，柱体空腔的厚度一般超过400mm，也就是两层波形钢板波顶至波顶的距离，即波形钢板波高的两倍；如果是一层波形钢板与钢板的组合，则柱体空腔的厚度为波形钢板的波高。波纹的波距一般大于600mm。如图2和图3a所示，在柱体空腔的两侧内壁上（两层波形钢板彼此相对的波顶位置）沿轴向间隔焊接若干矩形状的加强筋6，该加强筋6也可为波浪形或者与内壁成一定角度（例如90度）的线状结构，使得接下来填充的混凝土通过加强筋与柱体空腔内壁凝固成整体，防止混凝土从内壁上脱落。为了进一步防止混凝土脱落，还可以在柱体空腔内沿径向间隔设置环状钢筋7，该环状钢筋7的两端焊接在加强筋6上，当然该环状钢筋7也可以捆绑等方式焊接在接下来放入柱体空腔内的拉杆3上，此时的环状钢筋7直径略小。当然，也不局限为环状钢筋7，如果采用轴向延伸的螺旋状钢筋焊接在加强筋或拉杆上也能达到类似的效果。虽然在图3b-3e中没有画出加强筋6和环状钢筋7，但在这些图中都可设置此类部件。在柱体空腔内放入拉杆3，具体为高强度钢拉杆，拉杆两端带有螺纹并配有螺母，以便预应力张拉，拉杆的直径一般大于40mm，其抗拉强度应大于830Mpa，屈服强度应大于730Mpa，参照图12，拉杆3长度不够时可通过高强拉杆专用连接螺母14连接，以达到塔柱的高度，应当注意的是，同一柱体空腔内的两根拉杆上的专用连接螺母需错开一段距离，图示的距离为L。拉杆上带有护套15，该护套15为PVC材质或金属材质的螺旋状波纹管，设置护套15的目的在于防止浇筑的混凝土凝固到一定程度便与拉杆固紧从而无法张拉拉杆，而套上护套的拉杆在混凝土凝固到相同程度后仍可以在柱体空腔内上下张拉活动，待拉杆锚固后再向护套与拉杆的空隙内填充混凝土，从而使拉杆、护套与混凝土固紧为一体。如图7和图9所示，每个柱体空腔内设置2根拉杆3，张拉后达到相应的预应力，承载塔壁的抗拉强度。在空腔柱体中浇筑混凝土4，具体为具备相应特性的微膨胀混凝土，具备实现本发明的坍落度及强度，混凝土标号应在C40以上。图1为拼装形成的单构件体1结构示意图。图12为单构件体竖向拼装的示意图，上下两个单构件体通过垫板和螺栓连为一体。如图3d、3e所示，单构件体1横截面为平板状或弧状，由单构件体拼装而成的每节塔柱的截面为圆形或多边形。如图7和图10所示，为了拼装形成圆筒体塔柱，两个单构件体之间通过弯曲连接衬垫13和螺栓51以及相应的螺母52连接。

如图15所示，塔体基础为混凝土扩大基础，其中基础混凝土16深度H大于6米，待混凝土有相应强度时，起吊安装拼装好的第一节塔柱，该塔柱底部与预设的混凝土基础相连接。为了提高塔体的截面惯性矩，在第一节塔柱内设置两个由带有横向波形的波形钢板卷制而成的钢圆筒11，该钢圆筒11的高度大于1000mm，横向的波形的数量不小于4个波，塔体内壁与钢圆筒11筒壁之间的间隙达200毫米以上，并在间隙中浇筑混凝土，同时用钢筋锚固，简称钢混内衬12，其放大图参见图6。在第一节塔柱的顶部按尺寸要求浇注钢混结构的用于连接第一节塔柱与第二节塔柱的连接装置8，简称接头，且接头上预设了一节、二节塔柱的拉杆孔9，按第一节塔柱的施工顺序施工第二节塔柱，两节塔柱的对接方式参见图8和图11，该接头同比以往使用的同径法兰或不同经法兰，制作方便且降低成本。第一节塔柱中的拉杆3穿过接头上的拉杆孔9进入第二节塔柱，同时第二节塔柱中的拉杆3穿过接头上的拉杆孔9进入第一节塔柱，然后张拉拉杆3并用螺母10锚固，具体结构参见图5。如图4所示，按照上述方法从下而上安装塔体，同时根据需要在塔体中部也设置钢圆筒11。本发明的塔柱省去了地基法兰、塔架基础，而是直接将塔柱埋入地基中至少6米，不仅保证了塔体的稳定性，而且施工方便。

Claims

1.一种预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：由带有垂直波形的单构件体（1）竖向组装形成环状结构，所述单构件体由两层波形钢板（2）对称扣合或者由一层钢板与一层波形钢板（2）扣合，两层钢板之间形成间隔的柱体空腔，在柱体空腔的内壁上沿轴向焊接加强筋（6），同时在柱体空腔内设置拉杆（3）并填充混凝土（4）。

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：在所述柱体空腔内沿径向间隔设置环状钢筋（7），该环状钢筋（7）与加强筋（6）连接或者与拉杆（3）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：在所述柱体空腔内设置轴向延伸的螺旋状钢筋，该螺旋状钢筋与加强筋连接或者与拉杆连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述加强筋（6）为波浪形、矩形或线状结构。

5.根据权利要求1、2或3所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：相邻塔节之间设开有拉杆孔（9）的连接装置（8），且两个相邻塔节内的拉杆（3）分别穿过连接装置的拉杆孔（9）进入另一塔节内，同时拉杆通过螺母（10）固紧在连接装置上。

6.根据权利要求5所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述连接装置（8）为钢混结构。

7.根据权利要求1、2或3所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：在中部或下部位置的塔柱内连接至少一节钢圆筒（11）。

8.根据权利要求7所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述钢圆筒（11）的筒壁与塔柱内壁之间留有间隙，并在该间隙内填充混凝土并固定钢筋。

9.根据权利要求7所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述钢圆筒由带有水平波形的波形钢板或者平钢板卷制而成。

10.根据权利要求1、2或3所述的预应力钢混组合式塔柱结构，其特征在于：所述拉杆为预应力钢拉杆并带有护套（15）。