CN105155572A - 现浇式预应力锚索风机基础系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现浇式预应力锚索风机基础系统及其施工方法，涉及建设工程中大型风力发电机组固定技术领域。本系统包括圆形基坑（1）、高强度混凝土空心柱体（2）、素混凝土圆筒（3）、镀锌波纹钢筒外筒（4）、镀锌波纹钢筒内筒（5）、预应力锚索（6）、基础底环（7）、基础顶环（8）、高强螺母（9）、钢套管（10）、箍筋（11）和回填土（12）；在每根钢套管（10）内设置有预应力锚索（6），在预应力锚索（6）的上下两端分别设置有基础顶环（8）和基础底环（7）。本发明基础牢固，节省工程投资，施工进度快，尤其是预应力锚索（6）可提供更大的预应力，有效预防因弯矩过大引起的风机塔筒倾斜，可保证风机在极端条件下安全运营。

Description

现浇式预应力锚索风机基础系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及建设工程中大型风力发电机组固定技术领域，尤其涉及一种现浇式预应力锚索风机基础系统及其施工方法。

背景技术

风电作为一种新的能源，在安全、经济和环保等方面都具有极为明显的优势。但1997年11月内蒙辉腾锡勒风场安装10台美国Zond550KW风机基础地脚螺栓在人工力矩800Nm、液压应力在2600MPa的条件下断裂，共计7根涉及3基基础。2003年9月2日，13号台风“杜鹃”在广东红海湾西岸的惠东县港口镇登陆，极大风速为57m/s。红海湾风电场共安装有25台V47-660变桨距风力发电机组，其中有13台受到不同程度损坏。2006年8月10日，台风“桑美”登陆浙江省苍南县，台风登陆时中心附近最大风力60m/s，苍南鹤顶山风电场现场测到的极大风速为81.1m/s，受其影响28台风力发电机组全部受损，其中5台倒塌，损失惨重。这些事故给我们敲响了警钟。在飞速发展的进步路上，也许我们不会停下匆忙的脚步，但必须牢记安全是风电电场永恒的主题。随着风电建设从平原转向山区，从陆地转向海洋，对安全提出了更高的要求，而风电基础的安全对风电机组安全运行起着关键性作用。

风力发电机组基础通常要承受360度方向的重复荷载而且具有大偏心受力的特性，塔筒承受的荷载传至基础环，在通过基础环传至基础。目前，对于大型风力发电机多采用现场构造的混凝土重力式支撑基础，或者是锚杆重力式基础，这些基础施工工序冗杂，施工历时长，混凝土和钢筋用量很大，且结构内部材料都是一次性的，结构耐久性差，随着使用时间的加长使安全性大大降低。因此，有必要开发一种兼顾安全、经济和可靠的风机基础系统和施工方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种现浇式预应力锚索风机基础系统及其施工方法，用于固定大型风力发电机组，为陆上风电场安全运营提供技术保障。

本发明的目的是这样实现的：

一、现浇式预应力锚索风机基础系统（简称系统）

本系统包括圆形基坑、高强度混凝土空心柱体、素混凝土圆筒、镀锌波纹钢筒外筒、镀锌波纹钢筒内筒、预应力锚索、基础底环、基础顶环、高强螺母、钢套管、箍筋和回填土；

其位置和连接关系是：

以圆形基坑的中心线为轴，从圆形基坑的内壁向中心线，依次同心设置有素混凝土圆筒、镀锌波纹钢筒外筒、镀锌波纹钢筒内筒和高强度混凝土空心柱体；

在镀锌波纹钢筒外筒和镀锌波纹钢筒内筒之间，环形均匀设置有数根钢套管，在数根钢套管的外壁中间包罗有箍筋；

在每根钢套管内设置有预应力锚索，在预应力锚索的上下两端分别设置有基础顶环和基础底环；在基础顶环的顶面设置有高强螺母，在基础底环的底面设置有高强螺母；

在镀锌波纹钢筒内筒的里面设置有压实回填土。

二、现浇式预应力锚索风机基础系统施工方法（简称方法）

本方法基于上述的现浇式预应力锚索风机基础系统，包括以下步骤：

①开挖圆形基坑，在圆形基坑内同心放置镀锌波纹钢筒外筒和镀锌波纹钢筒内筒，以镀锌波纹钢筒外筒为支撑和工作面，在圆形基坑的坑壁和镀锌波纹钢筒外筒之间由下而上浇筑素混凝土，从而形成素混凝土圆筒；

②将预制好的数根钢套管分别拧入基础底环的螺孔内，将预应力锚索穿过钢套管并伸出基础底环底端一定距离，利用高强螺母将预应力锚索和基础底环固定为一体；又利用箍筋沿数根钢套管的外圆周固定；再整体放置于镀锌波纹钢筒外筒和镀锌波纹钢筒内筒之间；

③在镀锌波纹钢筒外筒和镀锌波纹钢筒内筒之间，由下而上浇筑高强度混凝土，从而形成高强度混凝土圆筒；待混凝土的强度达到要求后将基础顶环8穿过预应力锚索置于高强度混凝土圆筒的顶端且用高强螺母将预应力锚索和基础顶环固定为一体；

④在镀锌波纹钢筒内筒内部，首先浇筑一定高度的高强度混凝土从而形成下圆块，又填入回填土并压实，最后在顶端利用高强度混凝土封顶即形成上圆块；

待高强度混凝土龄期达到要求后，对伸出圆形基坑上端面的预应力锚索进行张拉施加预应力，从而使混凝土受到压力，提高整个基础系统的稳定性。

本发明具有下列优点和积极效果：

①本基础系统建造在开挖好的圆形基坑内，利用预制好的镀锌波纹钢筒作为混凝土浇筑的外围衬砌和工作面，大大加快了施工进度；

②在圆形基坑坑壁与镀锌波纹钢筒外筒之间用低强度素混凝土回填，同时将镀锌波纹钢筒内筒和镀锌波纹钢筒外筒采用同心放置，内筒之中回填土，充分利用了现场开挖的土料，在保证安全的同时降低了施工成本；

③通过高强螺母将预应力锚索、基础底环和基础顶环连为一体，并使用刚套管10将预应力锚索和混凝土分隔开来，以保证预应力锚索的张拉效果；

④用预应力锚索代替一般锚杆对基础结构进行加固处理，可大大降低钢筋的用量，节省工程投资；

预应力锚索可提供更大的预应力，使土质地基和混凝土基础结构紧密贴合在一起，让地基和混凝土基础结构共同承担风机上部结构传来的静力和动力荷载，有效预防因弯矩过大引起的风机塔筒倾斜，可保证风机在极端条件下安全运营。

总之，本发明基础牢固，节省工程投资，施工进度快，尤其是预应力锚索可提供更大的预应力，有效预防因弯矩过大引起的风机塔筒倾斜，可保证风机在极端条件下安全运营。

附图说明

图1是本系统的结构主视图；

图2是本系统的结构俯视图。

其中：

1—圆形基坑；

2—高强度混凝土空心柱体，

2.1—高强度混凝土圆筒，

2.2—高强度混凝土下圆块，

2.3—高强度混凝土上圆块；

3—素混凝土圆筒；

4—镀锌波纹钢筒外筒；

5—镀锌波纹钢筒内筒；

6—预应力锚索；

7—基础底环；

8—基础顶环；

9—高强螺母；

10—钢套管；

11—箍筋；

12—回填土。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细说明。

一、系统

1、总体

如图1、2，本系统包括圆形基坑1、高强度混凝土空心柱体2、素混凝土圆筒3、镀锌波纹钢筒外筒4、镀锌波纹钢筒内筒5、预应力锚索6、基础底环7、基础顶环8、高强螺母9、钢套管10、箍筋11和回填土12；

其位置和连接关系是：

以圆形基坑1的中心线为轴，从圆形基坑1的内壁向中心线，依次同心设置有素混凝土圆筒3、镀锌波纹钢筒外筒4、镀锌波纹钢筒内筒5和高强度混凝土空心柱体2；

在镀锌波纹钢筒外筒4和镀锌波纹钢筒内筒5之间，环形均匀设置有数根钢套管10，在数根钢套管10的外壁中间包罗有箍筋11；

在每根钢套管10内设置有预应力锚索6，在预应力锚索6的上下两端分别设置有基础顶环8和基础底环7；在基础顶环8的顶面设置有高强螺母9，在基础底环7的底面设置有高强螺母9；

在镀锌波纹钢筒内筒5的里面设置有压实回填土12。

2、功能部件

本系统的各功能部件均为常用件或标准部。

1）圆形基坑1

圆形基坑1是一个在整平的土质场地上开挖的圆筒形基坑，直径15m左右，深度15～25m，具体尺寸根据风机型号及现场工程地质情况而定。

其功能是为风机基础施工提供空间。

2）高强度混凝土空心柱体2

高强度混凝土空心柱体2为C35-C40标号的混凝土制成的空心圆柱结构，由高强度混凝土圆筒2.1、高强度混凝土下圆块2.2和高强度混凝土上圆块2.3组成。

其功能是风机基础的主要受力部分。

3）素混凝土圆筒3

素混凝土柱体3为C10-C15标号的低强度混凝土制成的圆筒结构。

其功能是承担上部结构传递下来的荷载，并将荷载分散到周围的地基中。

4）镀锌波纹钢筒外筒4

镀锌波纹钢筒外筒4由3～3.5毫米的镀锌钢板压制而成的圆筒状结构，直径为13m左右，高度与圆形基坑1的深度一致。

其功能是为形成素混凝土圆筒3提供工作面。

5）镀锌波纹钢筒内筒5

镀锌波纹钢筒内筒5由3～3.5毫米的镀锌钢板压制而成的圆筒状结构，直径为11m左右，高度与圆形基坑1的深度一致。

其功能是为形成高强度混凝土空心柱体2提供工作面。

6）预应力锚索6

每根预应力锚索由8～12根、直径13～15毫米的钢绞线压制而成，预应力锚索数量由设计而定；预应力锚索6伸出高强度混凝土空心柱体2的上端面15cm左右，以便后期的张拉和与风机下法兰的拼接。

其功能是用于施加预应力，使混凝土基础结构受到压力，从而抵抗竖向拔力和弯矩引起的基础开裂和变形。

7）基础底环7

基础底环7为金属圆环结构，其圆环上均匀设置有螺孔，螺孔数和预应力锚索6一致，螺孔的直径与预应力锚索6的直径匹配；

埋设于高强度混凝土空心柱体2内。

其功能是用于固定预应力锚索和混凝土结构，使风机基础成为一个整体。

8）基础顶环8

基础顶环8与基础底环7的结构完全一样；

置于高强度混凝土空心柱体2的上面。

其功能是用于固定预应力锚索和混凝土结构，使风机基础成为一个整体。

9）高强螺母9

高强螺母9是利用合金钢或其它优质钢材制成后再经过热处理形成的一种承压型螺母。

其功能是将预应力锚索6和基础底环7及基础顶环8紧紧固定为一个整体。

10）钢套管10

钢套管10内径大于预应力锚索6的外径3毫米以上。

其功能是将预应力锚索6和混凝土分离。

11）箍筋11

箍筋11的材质为普通2级钢筋，环绕呈圆环的钢套管10的周围。

其功能是固定钢套管10。

12）回填土12

回填土12由开挖圆形基坑1的土体回填后充分压实而成，回填土12为一实心圆柱体，底面直径与镀锌波纹钢筒内筒5直径相同，高度约为圆形基坑1深度的2/3。

其功能是作为基础结构的一部分，与混凝土结构共同承担荷载。

3、工作基理：

本发明包括一个土质地基上的圆形基坑1，圆形基坑1内设由钢板压制而成的镀锌波纹钢筒外筒4和镀锌波纹钢筒内筒5，镀锌波纹钢筒外筒4、镀锌波纹钢筒内筒5和圆形基坑1的圆心在同一根轴线上；镀锌波纹钢筒外筒4和镀锌波纹钢筒内筒5可在圆形基坑1挖好后首先放入其中；预应力锚索6和基础底环7以及基础顶环8在圆形基坑1外部组装好之后，整体放入镀锌波纹钢筒外筒4内；在圆形基坑1的侧壁与镀锌波纹钢筒外筒4之间浇筑素混凝土；而在镀锌波纹钢筒外筒4和镀锌波纹钢筒内筒5之间浇筑高强度混凝土，以形成两个同心混凝土空心柱体；待混凝土浇好后，以上所有部件都浇灌在混凝土里，成为现浇式预应力锚索风机基础系统的永久部分；预应力锚索6穿过伸出高强度混凝土空心柱体2上端面一定距离，在混凝土龄期达到要求后进行张拉施加预应力，从而使混凝土受到压力，提高整个基础系统的稳定性；预应力锚索6的伸出端将来和风机塔筒下法兰由高强螺母固定，风机塔筒下法兰是由风机厂商提供，是标准模式，风机厂商都有详细的技术说明和图纸供参考；本发明利用锚索代替一般锚杆，可提供更大的预应力，使土质地基和混凝土基础紧密贴合为一个整体，从而让地基和混凝土基础共同承担风机上部结构传来的静力和动力荷载，有效预防因弯矩过大引起的风机塔筒倾斜，可保证风机在极端条件下安全运营。

Claims (3)

1.一种现浇式预应力锚索风机基础系统，其特征在于：

包括圆形基坑（1）、高强度混凝土空心柱体（2）、素混凝土圆筒（3）、镀锌波纹钢筒外筒（4）、镀锌波纹钢筒内筒（5）、预应力锚索（6）、基础底环（7）、基础顶环（8）、高强螺母（9）、钢套管（10）、箍筋（11）和回填土（12）；

其位置和连接关系是：

以圆形基坑（1）的中心线为轴，从圆形基坑（1）的内壁向中心线，依次同心设置有素混凝土圆筒（3）、镀锌波纹钢筒外筒（4）、镀锌波纹钢筒内筒（5）和高强度混凝土空心柱体（2）；

在镀锌波纹钢筒外筒（4）和镀锌波纹钢筒内筒（5）之间，环形均匀设置有数根钢套管（10），在数根钢套管（10）的外壁中间包罗有箍筋（11）；

在每根钢套管（10）内设置有预应力锚索（6），在预应力锚索（6）的上下两端分别设置有基础顶环（8）和基础底环（7）；在基础顶环（8）的顶面设置有高强螺母（9），在基础底环（7）的底面设置有高强螺母（9）；

在镀锌波纹钢筒内筒（5）的里面设置有压实回填土（12）。

2.按权利要求1所述的现浇式预应力锚索风机基础系统，其特征在于：

所述的高强度混凝土空心柱体（2）为空心圆柱结构，由高强度混凝土圆筒（2.1）、高强度混凝土下圆块（2.2）和高强度混凝土上圆块（2.3）组成。

3.基于权利要求1、2所述系统的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

①开挖圆形基坑（1），在圆形基坑（1）内同心放置镀锌波纹钢筒外筒（4）和镀锌波纹钢筒内筒（5），以镀锌波纹钢筒外筒（4）为支撑和工作面，在圆形基坑（1）的坑壁和镀锌波纹钢筒外筒（4）之间由下而上浇筑素混凝土，从而形成素混凝土圆筒（3）；

②将预制好的数根钢套管（10）分别拧入基础底环（7）的螺孔内，将预应力锚索（6）穿过钢套管（10）并伸出基础底环（7）底端一定距离，利用高强螺母（9）将预应力锚索（6）和基础底环（7）固定为一体；又利用箍筋（11）沿数根钢套管（10）的外圆周固定；再整体放置于镀锌波纹钢筒外筒（4）和镀锌波纹钢筒内筒（5）之间；

③在镀锌波纹钢筒外筒（4）和镀锌波纹钢筒内筒（5）之间，由下而上浇筑高强度混凝土，从而形成高强度混凝土圆筒（2.1）；待混凝土的强度达到要求后将基础顶环（8）穿过预应力锚索（6）置于高强度混凝土圆筒（2.1）的顶端且用高强螺母（9）将预应力锚索（6）和基础顶环（8）固定为一体；

④在镀锌波纹钢筒内筒（5）内部，首先浇筑一定高度的高强度混凝土从而形成下圆块（2.2），又填入回填土（12）并压实，最后在顶端利用高强度混凝土封顶即形成上圆块（2.3）；

待高强度混凝土龄期达到要求后，对伸出圆形基坑（1）上端面的预应力锚索（6）进行张拉施加预应力，从而使混凝土受到压力，提高整个基础系统的稳定性。