CN103994034B - 一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，下连接法兰下表面设置锚筋与混凝土塔段连接。该连接装置还设有预应力施加构件，张拉锚固法兰与下连接法兰分别均匀设有供预应力施加构件穿过的法兰孔，且张拉锚固法兰的法兰孔与下连接法兰的法兰孔数量一致且二者的法兰孔上下一一对应。预应力施加构件顺次穿过张拉锚固法兰的法兰孔、下连接法兰的法兰孔而穿入下部混凝土塔段。预应力施加构件在张拉后其顶端通过锚具锚固在下段连接钢筒的顶面。张拉锚固法兰、下连接法兰之间填充混凝土形成预应力混凝土结构。本发明连接方式使得法兰连接段混凝土的受力均匀、减小应力集中，改善混凝土的拉应力水平，避免混凝土开裂。

Description

一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电塔架，具体为一种风力发电塔架混凝土塔段与钢塔段连接装置。

背景技术

风能是一种清洁能源，资源储备量大，也是目前国内外重点开发的新能源型式之一。我国风力资源分布广泛，在西北部、中部以及东部沿海地区都有很好的风力资源，风力发电的发展前景相当广阔。现阶段，为了解决传统钢制塔筒的运输问题、成本问题、耐久性和使用年限的问题，运用混凝土和钢两种材料组成混凝土和钢组合结构塔筒成为一种新的选择。这种组合塔筒中，混凝土塔段与钢结构塔段的连接是保证其结构体系安全性的关键所在。现有的风力发电塔架结构体系中一般使用传统的钢制过渡段的钢法兰与混凝土塔段连接，上部钢塔段再与钢制过渡段连接，形成组合塔架结构体系。并在混凝土中引入预应力，预应力钢绞线或预应力锚栓锚固在法兰盘上。

传统的法兰连接方式由于法兰盘自身刚度的限制，当预应力施加位置间距较大时，法兰盘下部混凝土在环向布置的两个相邻预应力孔洞之间混凝土的竖向应力分布不均匀，甚至会出现拉应力，存在塔顶混凝土局部开裂的可能性。连接段为组合结构风力发电塔架的重要构件，其使用的安全性会影响塔架的整体使用寿命。

实用新型《一种混凝土—钢结构复合风电塔架》（授权公告号：CN202031370U）提出一种钢结构与混凝土结构的连接方式，在钢制法兰上焊接钢筋与混凝土连接，并通过高强螺栓与上部钢结构连接。该连接方式为与混凝土的刚性连接。一方面，由于塔筒弯矩极大，仅仅依靠焊接钢筋往往无法满足抵弯强度的需要；另一方面，此种刚性连接在混凝土连接处会产生较大的拉应力，使得混凝土开裂，影响使用性能。此方案中钢制法兰与混凝土的连接部位还会产生较大的应力集中现象，容易产生局部受压难以满足要求的问题。混凝土塔段的混凝土裂缝宽度难以控制到规范要求的范围。

实用新型《一种混凝土风电塔架》（授权公告号：CN202031371U）提出一种钢结构与混凝土结构的连接方式，在钢制法兰焊接钢筋与混凝土连接，通过高强螺栓与上部钢结构连接。该连接方式也存在以上同样的问题。

实用新型《用于连接混凝土塔筒和钢塔筒的装置》（授权公告号：CN202673588U）提出一种钢结构与混凝土结构的连接方式，在钢制法兰焊接张拉端，并同时焊接加劲肋。该连接方式是针对体外预应力张拉方式。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有组合结构风力发电塔架中连接钢段与混凝土段的连接方法存在混凝土存在拉应力、压应力分布不均匀以及混凝土塔筒段钢筋混凝土裂缝宽度难以控制和难以满足设计规范对裂缝宽度的要求等方面的不足，提供一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，减轻混凝土塔顶压应力分布的不均匀程度，减小钢制法兰下表面混凝土的拉应力大小，避免混凝土塔顶局部受压状况，同时通过引入预应力使得混凝土塔段处于竖向受压应力状态，有效控制混凝土塔段的裂缝宽度，或者避免混凝土塔段开裂，进而提高组合塔架结构的结构安全性、耐久性和抗疲劳特性。

本发明的技术方案为，一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，包括上、下两段中心轴线重合且半径一致的连接钢筒，上段连接钢筒的顶端通过连接机构与上部钢制塔段连接；上段连接钢筒与下段连接钢筒之间安装张拉锚固法兰，下段连接钢筒的底面安装下连接法兰，张拉锚固法兰的中轴线、下段连接钢筒的中轴线及下连接法兰的中轴线在一条直线上，且下段连接钢筒的顶端筒壁位于张拉锚固法兰外侧环面与侧内环面之间，所述下段连接钢筒的底端筒壁位于下连接法兰外侧环面与侧内环面之间；该连接装置还设有预应力施加构件，所述张拉锚固法兰与下连接法兰分别均匀设有供预应力施加构件穿过的法兰孔，且张拉锚固法兰的法兰孔与下连接法兰的法兰孔数量一致且二者的法兰孔上下一一对应；所述预应力施加构件顺次穿过张拉锚固法兰的法兰孔、下连接法兰的法兰孔而穿入下部混凝土塔段，且预应力施加构件在张拉后其顶端锚固在下段连接钢筒的顶面；所述张拉锚固法兰、下连接法兰之间浇筑混凝土，形成预应力混凝土结构，并在预应力混凝土结构中设有供预应力施加构件穿过的预应力孔道。

预应力混凝土结构中设有供预应力施加构件穿过的预应力孔道，预应力钢绞线或预应力锚栓的张拉端在张拉完毕后锚固于张拉连接法兰的上表面并在预留预应力孔道中灌注水泥浆体。预应力施加构件的预应力直接施加于张拉锚固法兰的预留孔洞位置，预应力通过张拉锚固法兰以下的连接钢筒段传递至下连接法兰以及下部混凝土塔段顶面，增加了钢绞线张拉端与混凝土塔段顶面的距离，使得预加力充分传递到混凝土部分，应力分布更加均匀。预应力的施加使得下部混凝土塔段处于受压状态，避免混凝土开裂或者易于控制混凝土塔筒的裂缝宽度。

所述张拉锚固法兰上均匀设有混凝土浇筑孔。

所述张拉锚固法兰以下段连接钢筒的筒壁为中心在两个不同半径圆周上均匀设有内外两组法兰孔，所述下连接法兰以下段连接钢筒的筒壁为中心在对应的两个不同半径圆周上均匀设有内外两组法兰孔。

所述张拉锚固法兰分别与上段连接钢筒、下段连接钢筒焊接形成整体。

所述张拉锚固法兰与下连接法兰之间的预应力混凝土结构包括纵向设置的两排或两排以上的纵筋、沿水平圆周设置的环筋、设置在两排或两排以上的纵筋之间的拉筋，以及在纵筋、环筋与拉筋之间填充的混凝土。混凝土中设置预应力孔道。通过填充混凝土进一步提高连接构件的刚度，使得预应力钢绞线或预应力锚栓的预加力充分传递到下部混凝土塔段部分。

所述下连接法兰与下部混凝土塔段之间设置锚固钢筋。

所述预应力混凝土塔段设置有二排或两排以上纵筋、沿水平圆周设置的环筋、两排或两排以上纵筋之间的拉筋，并设置有预应力孔道。

所述连接机构包括对应设在上段连接钢筒顶面的上法兰及上部钢制塔段底法兰的螺栓孔，并设有螺栓穿过上段连接钢筒上法兰及上部钢制塔段底法兰的螺栓孔而将上段连接钢筒和上部钢制塔段连接。

预应力施加构件为预应力钢绞线或预应力锚栓，其通过锚具锚固在张拉锚固法兰的上表面。

与传统法兰通过锚固钢筋锚固于混凝土的连接方式相比，本发明的有益效果是：通过设置张拉锚固法兰，增加了预应力施加位置与下部混凝土塔段的距离，使得预加力可以通过连接构件的竖向钢筒壁向下充分发散与传递，使得预应力均匀传递至下连接法兰处，混凝土塔段顶部应力分布均匀，避免混凝土段应力的不均匀分布，改善混凝土塔段的受力性能；在张拉锚固法兰与下连接法兰之间配置竖向纵向钢筋、环筋、拉筋，并填充混凝土，大大提高连接构件的整体刚度，进一步改善预应力的传递路径，改善混凝土塔段顶部的应力分布，避免应力集中和分布不均匀；通过引入预应力使得混凝土塔段混凝土在竖向处于受压状态，可以有效控制混凝土塔段的裂缝宽度，甚至可以避免混凝土塔段的开裂现象的出现，大大提高混凝土塔筒的耐久性和疲劳特性。

附图说明

图1为本发明所述连接装置与混凝土塔段及钢塔段连接的外部结构示意图；

图2为本发明所述连接构件的结构示意图；

图3为图2中A-A面的结构示意图；

图4为本发明所述连接装置与混凝土塔段及钢塔段连接的内部结构示意图。

图中：1：连接上部钢制塔段；2：连接段；3：下部混凝土塔段；4：上连接法兰；5：上段连接钢筒；6：张拉锚固法兰；7：纵筋；8：拉筋；9：环筋；10：混凝土；11：下连接法兰；12：锚固钢筋；13：预应力施加构件；14：纵筋；15：环筋；16：拉筋；17：预应力孔道17；18：螺栓；19：下段连接钢筒；20：锚具；21：上部钢塔段底法兰；22：混凝土浇筑孔。

具体实施方式

    如图1、图4所示，一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，包括预应力施加构件13、用于连接上部钢制塔段1及下部混凝土塔段3的连接构件。如图2、图3所示，连接构件包括上、下两段中心轴线重合且半径一致的连接钢筒，上段连接钢筒5的顶端通过连接机构与上部钢制塔段1连接；上段连接钢筒5与下段连接钢筒19之间为张拉锚固法兰6，下段连接钢筒19的底面设置有连接法兰11，张拉锚固法兰6的中轴线、下段连接钢筒19的中轴线及下连接法兰11的中轴线在一条直线上，且下段连接钢筒19的顶端筒壁位于张拉锚固法兰6外侧环面与内侧环面之间，所述下段连接钢筒19的底端筒壁位于下连接法兰外侧环面与内侧环面之间；张拉锚固法兰6上均匀设有混凝土浇筑孔22；所述张拉锚固法兰6与下连接法兰11分别均匀设有供预应力施加构件13穿过的法兰孔，张拉锚固法兰6以下段连接钢筒19的筒壁为中心在两个不同半径圆周上均匀设有内外两组法兰孔，所述下连接法兰11以下段连接钢筒的筒壁为中心在对应的两个不同半径圆周上均匀设有内外两组法兰孔，且张拉锚固法兰6的法兰孔与下连接法兰11的法兰孔数量一致且二者的法兰孔上下一一对应；所述预应力施加构件13顺次穿过张拉锚固法兰6的法兰孔、下连接法兰11的法兰孔而穿入下部混凝土塔段3，且预应力施加构件13在张拉后其顶端通过锚具20锚固在下段连接钢筒19的顶面；所述张拉锚固法兰6、下连接法兰11之间浇筑混凝土形成预应力混凝土结构，并在预应力混凝土结构中设有供预应力施加构件13穿过的预应力孔道17。

张拉锚固法兰6分别与上段连接钢筒5、下段连接钢筒19焊接形成整体。

预应力混凝土结构包括纵向设置的两排或者两排以上的纵筋7、沿水平圆周设置的环筋9、连接两排或者两排以上的纵筋7的拉筋8，以及在张拉锚固法兰6与下连接法兰6之间填充的混凝土10。

下连接法兰11与下部混凝土塔段3之间设置锚固钢筋12。

连接机构包括对应设在上段连接钢筒5的顶面的上连接法兰4及上部钢制塔段1底法兰21的螺栓孔，并设有螺栓18穿过上段连接钢筒5的上连接法兰4及上部钢制塔段1底法兰21的螺栓孔而将上段连接钢筒5和上部钢制塔段1连接。

预应力施加构件13为预应力钢绞线或者预应力螺栓，其通过锚具20锚固在张拉锚固法兰6的上表面。

Claims (9)

1.一种预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，包括上、下两段中心轴线重合且半径一致的连接钢筒，上段连接钢筒（5）的顶端通过连接机构与上部钢制塔段（1）连接；上段连接钢筒（5）与下段连接钢筒（19）之间安装张拉锚固法兰（6），下段连接钢筒（19）的底面安装下连接法兰（11），张拉锚固法兰（6）的中轴线、下段连接钢筒（19）的中轴线及下连接法兰（11）的中轴线在一条直线上，且下段连接钢筒（19）的顶端筒壁位于张拉锚固法兰（6）外侧环面与内侧环面之间，所述下段连接钢筒（19）的底端筒壁位于下连接法兰外侧环面与内侧环面之间；该连接装置还设有预应力施加构件（13），所述张拉锚固法兰（6）与下连接法兰（11）分别均匀设有供预应力施加构件（13）穿过的法兰孔，且张拉锚固法兰（6）的法兰孔与下连接法兰（11）的法兰孔数量一致且二者的法兰孔上下一一对应；所述预应力施加构件（13）顺次穿过张拉锚固法兰（6）的法兰孔、下连接法兰（11）的法兰孔而穿入下部混凝土塔段（3），且预应力施加构件（13）在张拉后其顶端通过锚具（20）锚固在下段连接钢筒（19）的顶面；所述张拉锚固法兰（6）、下连接法兰（11）之间填充混凝土形成预应力混凝土结构，并在预应力混凝土结构中设有供预应力施加构件（13）穿过的预应力孔道（17）。

2.根据权利要求1所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述张拉锚固法兰（6）以下段连接钢筒（19）的筒壁为中心在两个不同半径的圆周上设有内外两组法兰孔，所述下连接法兰（11）以下段连接钢筒的筒壁为中心在两个不同半径的圆周上设有内外两组法兰孔。

3.根据权利要求1所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述张拉锚固法兰（6）上均匀设有混凝土浇筑孔（22）。

4.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述张拉锚固法兰（6）分别与上段连接钢筒（5）、下段连接钢筒（19）焊接形成整体。

5.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述预应力混凝土结构包括纵向设置的二排或两排以上纵筋（7）、沿水平圆周设置的环筋（9）、两排或两排以上纵筋（7）之间的拉筋（8），以及在所述张拉锚固法兰（6）与下连接法兰（11）之间填充的混凝土（10）。

6.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述预应力混凝土塔段设置有二排或两排以上纵筋（14）、沿水平圆周设置的环筋（15）、两排或两排以上纵筋（14）之间的拉筋（16）。

7.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述下连接法兰（11）与下部混凝土塔段（3）之间设置锚固钢筋（12）。

8.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，所述连接机构包括对应设在上段连接钢筒（5）的顶面的上连接法兰（4）及上部钢制塔段（1）底法兰（21）的螺栓孔，并设有螺栓（18）穿过上段连接钢筒（5）及上部钢制塔段（1）的螺栓孔而将上段连接钢筒（5）和上部钢制塔段（1）连接。

9.根据权利要求1或2所述预应力混凝土-钢组合风力发电塔架连接装置，其特征是，预应力施加构件（13）为预应力钢绞线或预应力锚栓，优选沿所述张拉锚固法兰（6）环向两个不同圆周上均匀布置，张拉后其通过锚具（20）锚固在张拉连接法兰（6）上。