CN104234948A - 由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风塔(wind tower)，本发明提供一种由复合柱与撑杆所构成的新风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其凭借着在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量，可针对性态主导负荷进行优化设计，制作各塔单元后组装并通过快速施工节约工程费地构成，因此解决了现有单一柱所构成的风塔结构因为由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，并且使得制造成本上升而降低经济性的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种风塔(wind tower)，更具体地说，本发明涉及一种能够解决现有技术下列问题的新风塔结构及利用它的风塔的施工方法，现有单一柱所构成的风塔结构由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，使得制造成本上升而降低经济性。
而且，本发明涉及一种由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量并针对性态主导负荷(Behavior Dominant Load)进行优化设计，可制作各塔单元后组装并通过快速施工节约工程费地构成。
【背景技术】
风塔通常由平均高度为100m以上的大型结构物构成，其支持重量较大的涡轮机与叶片，该风塔必须针对风施加到叶片(blade)而发生的巨大横向力确保安全性。
而且，如前所述的风塔的现有技术例可以举出韩国公开专利公报第10-2011-0077657号(2011.07.07.)所揭示的“高强度钢风塔”。
更具体地说，前述公开专利公报第10-2011-0077657号的高强度钢风塔是一种适用高强度钢而实现结构体轻量化的高强度钢风塔。
为此，前述公开专利第10-2011-0077657号所揭示的高强度钢风塔安装了风力发电用 叶片，风塔本身适用420到460级高强度钢而让直径增加并减少厚度7～28％。
而且，如前所述的风塔的其它现有技术例可举出美国专利申请US 12/045,489(2008.03.10.)所揭示的“风力涡轮机塔”。
更具体地说，前述US 12/045,489的风力涡轮机塔利用感应钎焊(induction brazing)组装以至少形成一个风力涡轮机塔节之间的接头(joint)。
为此，前述US 12/045,489揭示了一种包括第一塔节(tower section)、第二塔节、结合上述第一塔节与上述第二塔节的感应钎焊接头(an induction brazed joint)的风力涡轮机塔。
如前所述地，目前的风塔主要是钢材塔，该钢材塔由于材料的局限性而难以形成更大更长的塔(纵桁深度120m以上)，而且由于使用其强度高于混凝土的高强度材料，因此该结构体适合于减少塔厚时不受轴向力的主导而由力矩主导的性态，但其存在振动及屈曲等问题。
更进一步地，如前所述的钢材塔不适合逐渐大型化的风力涡轮机，因此为了解决该问题而使得大型风塔的最近趋势转变成开发混合式风塔与合成结构的风塔。
在此，如前所述的合成结构风塔的现有技术例可以举出诸如韩国公开专利第10-2009-0132539号(2009.12.30.)所揭示的“利用复合材料的风塔及其制造方法”。
更具体地说，前述公开专利第10-2009-0132539号的“利用复合材料的风塔及其制造方法”是一种适用了由复合纤维与复合材料或聚氨酯制成的芯材后构成的夹层形态的风塔及其制造方法。
为此，前述公开专利第10-2009-0132539号揭示了一种夹层(sandwicg)形态的复合材料风塔及其制造方法，其包括下列步骤：沿着可分离的圆锥形心轴的周缘面把浸渍了树脂的复合纤维初步缠绕一定厚度而形成内部复合纤维层；沿着内部复合纤维层的周 缘面把利用复合材料或聚氨酯所制成的多个芯材加以接合，多个芯材则在内部复合纤维层的长度方向排列接合而形成芯材层；在芯材层的周缘面把浸渍了树脂的复合纤维再次缠绕一定厚度而形成外部复合纤维层；及在常温加以硬化后让心轴分离而完成；其重量小于现有金属材质风塔并具备优异的耐腐蚀性与耐久性，还能承受较大负荷而具备了结构安全性。
如前所述，虽然至今为止揭示了各种形态的风塔结构，但前述现有风塔结构在其结构上具有下列问题。
亦即主导风塔性态的负荷以弯曲力矩为主导而轴向负荷与该弯曲力矩相比则非常小，但前述现有风塔都采取了由具备大口径的一个柱构成的结构，因此针对弯曲负荷进行安全设计时将容易造成轴向负荷方面的过度设计，其结果导致制造成本的上升而降低了风塔的经济性。
而且，最近为了克服该单一柱所构成的现有风塔的局限性而开发了多柱型柱，但该多柱型柱基本上也是由纯钢材构成的塔结构，因此也和前述现有风塔一样地存在问题。
因此，优选地，为了克服如前所述地由钢材构成的单一柱所形成的现有风塔的问题而提供下列新风塔结构，亦即，在妥切地因应所承受负荷的同时还能抵抗翘曲与扭转分量，可针对性态主导负荷进行优化设计，可以通过快速施工节约工程费地构成的新风塔结构，但是实际上目前为止却没有揭示能够满足所有上述要求的风塔结构或施工方法。
【先前技术文献】
1.韩国公开专利公报第10-2011-0077657号(2011.07.07.)
2.美国专利申请US 12/045,489(2008.03.10.)
3.韩国公开专利第10-2009-0132539号(2009.12.30.)
4.美国专利申请US 12/237,919(2008.09.25.)
【解决的技术课题】
本发明是为了解决如前所述的现有技术的问题而提出的，因此本发明的目的是提供一种新风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其凭借着在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量并解决由单一柱所构成的现有风塔结构的下列问题，现有技术由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，使得制造成本上升而降低经济性。
亦即，本发明的目的是提供一种由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其在各柱之间以撑杆连接而得以抵抗翘曲与扭转分量，大幅降低材料费并且能够适用一般柱、复合柱、中空柱及实体柱以便妥当地因应所承受负荷，与此同时，由于撑杆的结构形式可以设计成合成结构、夹层结构及钢材而得以针对性态主导负荷进行优化设计，制作各个塔单元后进行组装而得以通过快速施工节约工程费地构成。
【解决课题的技术方案】
为了达到如前所述的目的，本发明所提供的风塔结构包括安装风力涡轮机的塔部、支撑上述塔部的柱部及安装上述柱部的基础部地构成，其特征在于，上述柱部以上述基础部上至少积叠一个以上基本单元的形态进行安装而构成，上述基本单元则包括用于形成上述柱部的多个复合柱(Composite Columns)及安装在各个上述复合柱之间并连 接各个上述复合柱的撑杆(Bracings)地构成；在最上端的上述基本单元安装上述塔部地构成。
在此，上述复合柱由中空夹层钢管复合柱(Double SkinnedComposite Tubular Colum s)、内部约束中空钢筋混凝土柱(Internally Confined Hollow Reinforced Concrete Colum n)、一般钢筋混凝土柱(Reinforced Concrete Column)、钢管混凝土柱(Concrete Filled St eel Tubular Column)之一所构成。
而且，上述复合柱由其内面插入内管(inner tube)而上述内管的外侧则由混凝土充填的中空型柱构成。
与此同时，上述内管利用钢材或纤维增强塑料(Fiber Reinforced Polymer：FRP)构成。
或者，上述复合柱由内侧充填了混凝土的实体型柱构成。
更进一步地，上述复合柱具备圆形截面、三角形截面、四角形截面、五角形截面、六角形截面、八角形截面中的一个截面地构成。
而且，上述撑杆利用钢材、中空夹层钢管复合构件(Double Skinned Composite Tubu lar Member)、钢管混凝土构件(Concrete Filled(Steel)Tubular Member)中的一个构成。
与此同时，上述柱部利用6个上述复合柱及6个上述撑杆构成具备六角形截面的结构。
或者，上述柱部利用4个上述复合柱及4个上述撑杆构成具备四角形截面的结构。
更进一步地，本发明的利用前述风塔结构的风塔施工方法包括下列步骤：制作各个基本单元的步骤；在事先形成的基础部上以按序积叠的方式将各个上述基本单元加以组装而形成柱部的步骤；及把塔部安装在所构建的上述柱部上的步骤；因此即使是大型风塔也能只凭借简单的组装作业就轻易地构建。
【有益效果】
如前所述地，本发明提供一种由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其凭借着在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量，可针对性态主导负荷进行优化设计，制作各塔单元后组装并通过快速施工节约工程费地构成，因此解决了现有单一柱所构成的风塔结构的下列问题，现有技术由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，使得制造成本上升而降低经济性。
而且，本发明提供一种由如前所述的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其大幅降低材料费并且能够适用一般柱、复合柱、中空柱及实体柱而得以实现能够妥当地因应所承受负荷的设计，其在各柱之间以撑杆连接而得以实现能够抵抗翘曲与扭转分量的设计，而且由于撑杆的结构形式可以设计成合成结构、夹层结构及钢材而得以针对性态主导负荷进行优化设计，而且制作各个塔单元后进行组装而得以通过快速施工节约工程费。
【附图说明】
图1是示出本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的整体结构概略图。
图2是示出形成图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的基本单元(segment)的结构概略图。
图3是示出可适用于图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的中空型柱形式及其截面形状的图形。
图4是示出可适用于图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的实体型柱形式及其截面形状的图形。
图5是示出图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的剖视图，图示了柱部具备六角形截面的结构。
图6是示出图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的剖视图，图示了柱部具备四角形截面的结构。
图7是示出图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的各个单元(se gment)的组装方法概略图。
【具体实施方式】
下面结合附图说明本发明由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法的具体实施例。
在此，下面说明的内容仅仅是实施本发明的一个实施例而已，不能将本发明限定于下面所说明的实施例内容。
为了在说明下列本发明实施例时追求说明的简单化，与现有技术的内容相同或相似或者以本领域的技术人员水平能够轻易地理解并实现的部分将省略其详细说明。
而且如后面所述，本发明涉及一种新风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其凭借着在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量并解决由单一柱所构成的现有风塔结构的下列问题，现有技术由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，使得制造成本上升而降低经济性。
而且如后面所述，本发明涉及一种由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风 塔的施工方法，其在各柱之间以撑杆连接而得以抵抗翘曲与扭转分量，大幅降低材料费并且能够适用一般柱、复合柱、中空柱及实体柱以便妥当地因应所承受负荷，与此同时，由于撑杆的结构形式可以设计成合成结构、夹层结构及钢材而得以针对性态主导负荷进行优化设计，制作各个塔单元(tower segment)后进行组装而得以通过快速施工节约工程费地构成。
接着，下面结合附图说明如前所述的本发明由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法的具体实施例的内容。
首先，请参阅图1，图1是示出本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部(10)的整体结构概略图。
亦即，在包括安装风力涡轮机的塔部、支撑上述塔部的柱部及安装上述柱部的基础部地构成的风塔结构中，如图1所示，本发明实施例的风塔结构的柱部(10)包括积叠在基础部上的至少一个以上基本单元(11)地构成。
更具体地说，请参阅图2，图2是示出形成图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的基本单元(11)的结构概略图。
亦即如图2所示，各个单元(11)包括用于形成柱部的多个小口径复合柱(Composite C olumn)(21)、安装在各个复合柱之间并且把各个复合柱加以连接的撑杆(Bracing)(22)地构成。
与此同时，前述复合柱(21)可以适用中空夹层钢管复合柱(Double Skinned Composit e Tubular Colums)、内部约束中空钢筋混凝土柱(Internally Confined Hollow Reinforced Concrete Column)、一般钢筋混凝土柱(Reinforced Concrete Column)、(钢)管混凝土柱(Concrete Filled(Steel)Tubular Column)等。
更具体地说，请参阅图3，图3是示出可适用于图1所示本发明实施例的由复合柱与 撑杆所构成的风塔结构的柱部的中空型柱形式及其截面形状的图形。
而且，请参阅图4，图4是示出可适用于图1所示本发明实施例的由复合柱与撑杆所构成的风塔结构的柱部的实体型柱形式及其截面形状的图形。
亦即如图3及图4所示，形成风塔柱部的各个复合柱(21)可以由内部充填混凝土并具备圆形、四角形、六角形、八角形之类的截面的中空型或实体型柱构成。
此时，中空型如图3所示地在各柱的内面插入内管(inner tube)，该管则可以使用钢材或纤维增强塑料(Fiber Reinforced Polymer：FRP)等构成。
更进一步地，前述撑杆(22)可以使用钢材或中空夹层钢管复合构件(Double Skinned Composite Tubular Member)、(钢)管混凝土构件(Concrete Filled(Steel)Tubular Membe r)构成。
而且，请参阅图5及图6，图5是示出图1所示本发明实施例的风塔结构的柱部(10)的剖视图，各自图示了柱部(10)具备六角形截面的结构、柱部(10)具备四角形截面的结构。
亦即如图5及图6所示，本发明实施例的柱部(10)可以如如图5所示地利用6个复合柱(21)及6个撑杆(22)构成具备六角形截面的结构，也可以如图6所示地利用4个复合柱(21)及4个撑杆(22)构成具备四角形截面的柱结构。
在此，前述本发明的实施例结合图1到图6说明了本发明风塔的柱部及形成该风塔柱部(10)的复合柱(21)及撑杆(22)按照如前所述的结构构成的情形，但不得因此将本发明局限于前述实施例所记载的结构，亦即，只要适合形成风塔的柱部，本发明的复合柱(21)及撑杆(22)就可以根据需要而利用任何其它形态或材质构成。
而且，本发明实施例的柱部(10)除了如图5及图6所示的六角形或四角形结构以外，还能形成为具有三角形或五角形或八角形形态的截面的结构，本发明不必局限于前述 实施例所记载的结构，可以根据需要而进行各种变形及修改。
因此，可以将如前所述地构成的各个复合柱(21)与撑杆(22)加以组合后形成本发明的风塔的柱部(10)。
接着请参阅图7，图7是示出利用如前所述的本发明实施例的风塔结构的风塔的施工方法概略图。
更具体地说，首先，本发明的风塔施工方法如图7所示地按照所需数量制作图2所示的各个基本单元(21)后，在事先形成的基础部(71)上以按序各自积叠的方式将基本单元(21)组装后形成柱部(10)。
接着，在如前所地构成的柱部(10)上安装包括风力涡轮机及叶片等在内的塔部后完成风塔。
因此，如前所述地实行就能实现本发明由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，也可以凭此通过简单的组装作业就能构建大型风塔。
而且，本发明实现一种如前所述地由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，本发明能够提供一种由复合柱与撑杆所构成的风塔结构，其在各柱之间以撑杆(bracing)连接而得以抵抗翘曲与扭转分量，可针对性态主导负荷进行优化设计，制作各塔单元后组装并通过快速施工节约工程费地构成，因此解决了现有单一柱所构成的风塔结构的下列问题，现有技术由具备大口径的一个柱构成而在针对弯曲负荷进行安全设计时容易造成轴向负荷方面的过度设计，使得制造成本上升而降低经济性。
而且，本发明提供一种如前所述地由复合柱与撑杆构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法，其大幅降低材料费并且能够适用一般柱、复合柱、中空柱及实体柱而得以实现能够妥当地因应所承受负荷的设计，其在各柱之间以撑杆连接而得以实现能够 抵抗翘曲与扭转分量的设计，而且由于撑杆的结构形式可以设计成合成结构、夹层结构及钢材而得以针对性态主导负荷进行优化设计，而且制作各个塔单元后进行组装而得以通过快速施工节约工程费。
前文通过前述本发明实施例说明了本发明的本发明由复合柱与撑杆所构成的风塔结构及利用它的风塔的施工方法的详细内容，但本发明并不限定于前述实施例所记载的内容，因此本发明可以由具备本发明所属技术领域通常知识者为了设计上的需要或其它各种原因而尽心各种修改、变形、结合及置换等。
<主要图形标记的说明>
10：柱部
11：基本单元
21：复合柱(Composite Columns)
22：撑杆
71：基础部
Claims (10)
1.一种风塔结构，包括安装风力涡轮机的塔部、支撑上述塔部的柱部及安装上述柱部的基础部地构成，其特征在于，
上述柱部以上述基础部上至少积叠一个以上基本单元的形态进行安装而构成，上述基本单元则包括用于形成上述柱部的多个复合柱(Composite Columns)及安装在各个上述复合柱之间并连接各个上述复合柱的撑杆(Bracings)地构成；
在最上端的上述基本单元安装上述塔部地构成。
2.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述复合柱由中空夹层钢管复合柱(Double Skinned Composite Tubular Colums)、内部约束中空钢筋混凝土柱(Internally Confined Hollow Reinforced Concrete Column)、一般钢筋混凝土柱(Reinforced Concrete Column)、钢管混凝土柱(ConcreteFilled Steel Tubular Column)之一所构成。
3.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述复合柱由其内面插入内管(inner tube)而上述内管的外侧则由混凝土充填的中空型柱构成。
4.根据权利要求3所述的风塔结构，其特征在于，
上述内管利用钢材或纤维增强塑料(Fiber Reinforced Polymer：FRP)构成。
5.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述复合柱由内侧充填了混凝土的实体型柱构成。
6.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述复合柱具备圆形截面、三角形截面、四角形截面、五角形截面、六角形截面、八角形截面中的一个截面地构成。
7.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述撑杆利用钢材、中空夹层钢管复合构件(Double Skinned Composite TubularMember)、钢管混凝土构件(Concrete Filled(Steel)Tubular Member)中的一个构成。
8.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述柱部利用6个上述复合柱及6个上述撑杆构成具备六角形截面的结构。
9.根据权利要求1所述的风塔结构，其特征在于，
上述柱部利用4个上述复合柱及4个上述撑杆构成具备四角形截面的结构。
10.一种风塔的施工方法，其利用权利要求1到9之任何一项所述的风塔结构，其特征在于，
包括下列步骤：
制作各个基本单元的步骤；
在事先形成的基础部上以按序积叠的方式将各个上述基本单元加以组装而形成柱部的步骤；及
把塔部安装在所构建的上述柱部上的步骤；
因此即使是大型风塔也能只凭借简单的组装作业就轻易地构建。
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