CN107476637A - 树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法，所述的风电塔筒包括：外包层和内包层，所述外包层和内包层均由树脂复合材料制成，所述外包层和内包层之间构成空腔，所述空腔中安装有筒形钢筋框架，所述钢筋框架上缠绕有纤维布，腔体中浇注纤维混凝土，所述外包层和内包层的外轮廓呈中空圆台状或者圆柱状。结构简单，可以替代以现有以钢材为主的塔筒，具有耐腐蚀、免维护、强度高、运输和施工方便、整体造价低和可现场安装施工等优势，解决了现有钢结构塔筒造价高、运输不便和需要定期防腐维护的问题。

Description

树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法。
背景技术：
现有风电塔筒多采用一体的钢筒结构或组装的钢架结构，钢材使用量较大，成本高，并且需要定期防腐维护。钢架结构塔架具有刚度小、抗强风能力差的缺点而逐渐被一体钢筒状塔筒所取代。而一体型塔筒常常面临运输、安装困难和安装费用昂贵的问题。随着化石能源逐渐枯竭和环境污染的日益加剧，风力发电技术应用在逐年推广，因此，越来越需要一种耐蚀、高强度、成本低、运输和安装方便、免维修维护的风电塔筒。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有风电塔筒的不足，提供一种耐腐蚀、高强度、低成本、免维护的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，包括：外包层和内包层，所述外包层和内包层均由树脂复合材料制成，所述外包层和内包层之间构成空腔，所述空腔中安装有筒形钢筋框架，所述钢筋框架上缠绕有纤维布，腔体中浇注纤维混凝土，所述外包层和内包层的外轮廓呈中空圆台状或者圆柱状。
所述钢筋框架包括圆环形横梁钢筋、纵向钢筋，所述纵向钢筋沿轴向绕所述圆环形横梁钢筋排成一圈形成筒状结构，在所述筒状结构的内侧和外侧，分别在纵向钢筋上沿径向固接缠绕桩，所述缠绕桩为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述缠绕桩垂直于所述纵向钢筋，且筒状结构内侧和外侧的缠绕桩沿筒状结构的轴向错开，在相邻两根纵向钢筋的上下两根缠绕桩上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧或者外侧的纤维布的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧纤维布的倾斜方向与其外侧相反。
所述圆环形横梁钢筋、纵向钢筋和缠绕桩的直径为10～100mm，所述缠绕桩长度为50～500mm，且所述筒状结构为圆柱状或者圆台状，单个所述筒状结构的高度为0.5～3m。
所述外包层和内包层均为玄武岩纤维布或碳纤维布与树脂形成的复合材料层。
所述复合材料层的厚度为10～200mm。
所述纤维布为玄武岩纤维布或碳纤维布，所述纤维布的纤维直径为3～23μm。
所述纤维混凝土为短切玄武岩纤维混凝土。
上述树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒的施工方法，具体步骤如下：
步骤一：预制钢筋框架
将多根纵向钢筋沿轴向绕所述圆环形横梁钢筋排成一圈形成筒状结构；
步骤二：固定缠绕桩
在所述筒状结构的内侧和外侧，分别在纵向钢筋上沿径向固接缠绕桩，所述缠绕桩为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述缠绕桩垂直于所述纵向钢筋，且筒状结构内侧和外侧的缠绕桩沿筒状结构的轴向错开；
步骤三：缠绕纤维布
在相邻两根纵向钢筋的上下两根缠绕桩上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧或者外侧的纤维布的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧纤维布的倾斜方向与其外侧相反；
步骤四：将步骤三中预制的缠绕有纤维布的钢筋框架作为第一层钢筋框架，将其与地基预留钢筋焊接在一起；
步骤五：在预制钢筋框架上制备外包层和内包层
在预制钢筋外侧和内侧安放可分离为多部分的圆台状或圆柱状铁皮模具，在所述模具表面采用手糊法逐层涂抹纤维布和树脂材料，在上述材料成型后，去掉模具，将树脂复合材料固化干燥；
步骤六：浇注纤维混凝土
所述纤维混凝土组分为纤维2.5kg/m3-15kg/m3，硅酸盐水泥350-550kg/m3，水150-290kg/m3，砂500-700kg/m3，碎石900-1150kg/m3，按照上述各组分的体积分数配比将各组分进行预备，然后将预备好的纤维经过碱洗后取四分之一加入预备好的水中，然后向水中加入预备好的硅酸盐水泥、砂和碎石的四分之一，并混合均匀，重复上述步骤，即每次先加入1/4的短切纤维，再加入1/4的其他组分到水中混合均匀，直至上述组分全部加入水中，完成纤维混凝土的制备，最后，将上述制得的纤维混凝土浇注到内包层和外包层中的空腔；
步骤七：上述步骤一到步骤六完成第一节风电塔筒的制备，然后重复步骤一、二、三、五、六，完成各节风电塔筒的制备，直到制备的各节风电塔筒的高度之和满足使用需求；
步骤八：在风电塔筒的顶端焊接用于安装风机的法兰盘。
所述步骤五中，在预制钢筋框架上制备外包层和内包层时，涂抹完纤维布后，在纤维布上端均预留100～500mm空隙不涂抹树脂，用于和相邻节风电塔筒连接。
所述步骤六中，在内包层和外包层中的空腔上端预留100～500mm不浇注混凝土，用于焊接下一节预制钢筋框架。
所述步骤六中，所述纤维为短切玄武岩纤维，其直径为8～25μm，长径比为5～20。
本发明树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒及施工方法的有益效果：本发明的塔筒结构是由内外包层构成筒状空腔，在空腔内安装有由纵向钢筋和圆环形横梁钢筋焊接形成的圆柱形或圆台形钢筋框架，在纵向钢筋朝向塔筒外侧和内侧方向分别焊接有缠绕桩，在缠绕桩上缠绕纤维布，结构简单，可以替代以现有以钢材为主的塔筒，具有耐腐蚀、免维护、强度高、运输和施工方便、整体造价低和可现场安装施工等优势，解决了现有钢结构塔筒造价高、运输不便和需要定期防腐维护的问题。
附图说明：
图1为本发明树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒的截面示意图；
图2为钢筋框架的结构示意图；
图3为缠绕纤维布后的钢筋框架的结构示意图；
1-外包层，2-内包层，3-圆环形横梁钢筋，4-纵向钢筋，5-外缠绕桩，6-内缠绕桩，7-短切玄武岩纤维混凝土，8-外侧缠绕的纤维布，9-内侧缠绕的纤维布。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
根据图1所示，一种树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，包括：外包层1和内包层2，所述外包层1和内包层2均由树脂复合材料制成，所述外包层1和内包层2之间构成空腔，所述空腔中安装有钢筋框架，所述钢筋框架上缠绕有纤维布，其作为增强体置于内包层2和外包层1形成的空腔中，然后在腔体中浇注纤维混凝土，所述纤维混凝土为短切玄武岩纤维混凝土7，所述外包层1和内包层2的外轮廓呈中空圆台状或者圆柱状，即形成中空圆台状或者圆柱状的风电塔筒结构；所述外包层1和内包层2均为玄武岩纤维布或碳纤维布与树脂形成的复合材料层，且上述复合材料层的厚度为10～200mm。
根据图2所示，所述钢筋框架为筒状结构，单个所述筒状结构的高度为0.5～3m，其包括圆环形横梁钢筋3、纵向钢筋4，具体来说，其可以是上端直径小下端直径大的圆台状结构，即纵向钢筋4围绕上下直径不同的两个或者多个圆环形横梁钢筋3焊接而成，上层圆环形横梁钢筋3直径比其下层直径小，随着施工高度增加，预制钢筋框架直径逐渐减小，制造的塔筒为圆台状，也可以是上下端直径一样大的圆柱状结构，即纵向钢筋4围绕上下等直径的两个或者多个圆环形横梁钢筋3焊接而成，随着施工高度增加，预制钢筋框架直径不变化，制造的风电塔筒为圆柱状，且制造的风电塔筒还可以是圆台与圆柱的组合体，两个相邻所述圆环形横梁钢筋3间距为200～1000mm，两个相邻纵向钢筋4间距则为50～300mm。
根据图3所示，在所述筒状结构的外侧和内侧，分别在纵向钢筋4上沿径向固接外缠绕桩5和内缠绕桩6，在同一根纵向钢筋同侧的相邻两个外缠绕桩5或者内缠绕桩6的间距为100～500mm，所述外缠绕桩5和内缠绕桩6均为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述外缠绕桩5和内缠绕桩6均垂直于所述纵向钢筋4，所述圆环形横梁钢筋3、纵向钢筋4、外缠绕桩5和内缠绕桩6的直径为10～100mm，所述外缠绕桩5和内缠绕桩6长度均为50～500mm，且筒状结构外侧的外缠绕桩5和内侧的内缠绕桩6沿筒状结构的轴向错开，在相邻两根纵向钢筋4的上下两根外缠绕桩5或者内缠绕桩6上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧缠绕的纤维布9或者外侧缠绕的纤维布8的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧缠绕的纤维布9的倾斜方向与其外侧缠绕的纤维布8倾斜方向相反，使得筒状结构内侧缠绕的纤维布9和外侧缠绕的纤维布8呈交叉状分布，在浇注纤维混凝土之后，能让纤维混凝土形成网络状，形成整体，进而起到强化效果，所述纤维布为玄武岩纤维布或碳纤维布，所述纤维布的纤维直径为3～23μm，在玄武岩纤维布缠绕之前，需要将玄武岩纤维布在质量分数为5～70％的碱性溶液中粗化处理1～3小时。
上述树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒的施工方法，具体步骤如下：
步骤一：预制钢筋框架
将多根纵向钢筋4沿轴向绕所述圆环形横梁钢筋3排成一圈形成筒状结构；
步骤二：固定外缠绕桩5和内缠绕桩6
在所述筒状结构的内侧和外侧，分别在纵向钢筋4上沿径向固接内缠绕桩6和外缠绕桩5，所述内缠绕桩6和外缠绕桩5均为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述内缠绕桩6和外缠绕桩5均垂直于所述纵向钢筋4，且筒状结构内侧和外侧的内缠绕桩6和外缠绕桩5沿筒状结构的轴向错开；
步骤三：缠绕纤维布
在相邻两根纵向钢筋4的上下两根内缠绕桩6或者外缠绕桩5上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧缠绕的纤维布9或者外侧缠绕的纤维布8的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧缠绕的纤维布9的倾斜方向与其外侧缠绕的纤维布8的倾斜方向相反，在本实施例中，筒状结构外侧缠绕的纤维布8自上而下缠绕，统一向左侧倾斜，筒状结构内侧缠绕的纤维布9也是自上而下缠绕，但是统一向右侧倾斜，筒状结构内侧缠绕的纤维布9和外侧缠绕的纤维布8呈交叉状分布，形成网络结构，且筒状结构内侧的内缠绕桩6和外侧的外缠绕桩5沿筒状结构的轴向错开，使得筒状结构内侧缠绕的纤维布9和外侧缠绕的纤维布8的交叉并不规则，进而使焊接接头错开，避免焊接接头集中，强度降低，并使得网络结构更加密集；
步骤四：将步骤三中预制的缠绕有纤维布的钢筋框架作为第一层钢筋框架，将其与地基预留钢筋焊接在一起；
步骤五：在预制钢筋框架上制备外包层1和内包层2
在预制钢筋外侧和内侧安放可分离为多部分的圆台状或圆柱状铁皮模具，在作业完成后方便拆卸，同时还可以重复利用，节能环保，在所述模具表面采用手糊法逐层涂抹纤维布和树脂材料，在上述材料成型后，去掉模具，将树脂复合材料固化干燥，其厚度为10～200mm；
进一步地，在预制钢筋框架上制备外包层1和内包层2时，涂抹完纤维布后，在纤维布上端均预留100～500mm空隙不涂抹树脂，用于和相邻节风电塔筒连接。
步骤六：浇注纤维混凝土
所述纤维混凝土组分为纤维2.5kg/m3-15kg/m3，硅酸盐水泥350-550kg/m3，水150-290kg/m3，砂500-700kg/m3，碎石900-1150kg/m3，所述纤维为短切玄武岩纤维，其直径为8～25μm，长径比为5～20，按照上述各组分的体积分数配比将各组分进行预备，在工程实践中，可以根据需要在范围内进行组分配比的选择，例如在一个实施例中，纤维直径在8微米，长径比为15，各组分的体积分数配比为短切玄武岩纤维7.5kg/m3，硅酸盐水泥450kg/m3，水230kg/m3，砂550kg/m3，碎石950kg/m3，而在另一实施例中，短切玄武岩纤维直径在15微米，长径比为10，各组分的体积分数配比为短切玄武岩纤维12kg/m3，硅酸盐水泥550kg/m3，水250kg/m3，砂580kg/m3，碎石980kg/m3，然后将预备好的纤维经过碱洗后取四分之一加入预备好的水中，然后向水中加入预备好的硅酸盐水泥、砂和碎石的四分之一，并混合均匀，经过碱洗后，碱溶液可与纤维中的氧化物发生化学反应，使其表面产生层状脱落、沟槽或凹陷，增加了纤维与水泥混凝土的接触面积，使水泥更容易进入其表面的沟槽或者凹陷中，形成所谓锚固或钉合的机械结合力，进一步提高了纤维与水泥的界面结合强度，重复上述步骤，即每次先加入1/4的短切纤维，再加入1/4的其他组分到水中混合均匀，直至上述组分全部加入水中，完成纤维混凝土的制备，最后，将上述制得的纤维混凝土浇注到内包层2和外包层1中的空腔；
进一步地，在内包层2和外包层1中的空腔上端预留100～500mm不浇注混凝土，用于焊接下一节预制钢筋框架；
步骤七：上述步骤一到步骤六完成第一节风电塔筒的制备，然后重复步骤一、二、三、五、六，每一节施工完成后，下一节施工方法相同，都是先将预制的钢筋框架焊接到上一节钢筋框架上，然后制备内包层和外包层增强树脂复合材料，固化后浇注短切纤维混凝土，完成各节风电塔筒的制备，直到制备的各节风电塔筒的高度之和满足使用需求；
步骤八：在风电塔筒的顶端焊接用于安装风机的法兰盘。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：包括：外包层和内包层，所述外包层和内包层均由树脂复合材料制成，所述外包层和内包层之间构成空腔，所述空腔中安装有筒形钢筋框架，所述钢筋框架上缠绕有纤维布，腔体中浇注纤维混凝土，所述外包层和内包层的外轮廓呈中空圆台状或者圆柱状。
2.根据权利要求1所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述钢筋框架包括圆环形横梁钢筋、纵向钢筋，所述纵向钢筋沿轴向绕所述圆环形横梁钢筋排成一圈形成筒状结构，在所述筒状结构的内侧和外侧，分别在纵向钢筋上沿径向固接缠绕桩，所述缠绕桩为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述缠绕桩垂直于所述纵向钢筋，且筒状结构内侧和外侧的缠绕桩沿筒状结构的轴向错开，在相邻两根纵向钢筋的上下两根缠绕桩上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧或者外侧的纤维布的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧纤维布的倾斜方向与其外侧相反。
3.根据权利要求2所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述圆环形横梁钢筋、纵向钢筋和缠绕桩的直径为10～100mm，所述缠绕桩长度为50～500mm，且所述筒状结构为圆柱状或者圆台状，单个所述筒状结构的高度为0.5～3m。
4.根据权利要求1所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述外包层和内包层均为玄武岩纤维布或碳纤维布与树脂形成的复合材料层。
5.根据权利要求4所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述复合材料层的厚度为10～200mm。
6.根据权利要求1所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述纤维布为玄武岩纤维布或碳纤维布，所述纤维布的纤维直径为3～23μm。
7.根据权利要求1所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒，其特征在于：所述纤维混凝土为短切玄武岩纤维混凝土。
8.根据权利要求1所述的树脂包层框架及纤维增强混凝土的风电塔筒的施工方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：预制钢筋框架
将多根纵向钢筋沿轴向绕所述圆环形横梁钢筋排成一圈形成筒状结构；
步骤二：固定缠绕桩
在所述筒状结构的内侧和外侧，分别在纵向钢筋上沿径向固接缠绕桩，所述缠绕桩为横向钢筋，用于缠绕纤维布，所述缠绕桩垂直于所述纵向钢筋，且筒状结构内侧和外侧的缠绕桩沿筒状结构的轴向错开；
步骤三：缠绕纤维布
在相邻两根纵向钢筋的上下两根缠绕桩上倾斜缠绕有纤维布，所述筒状结构内侧或者外侧的纤维布的缠绕倾斜方向一致，且所述筒状结构内侧纤维布的倾斜方向与其外侧相反；
步骤四：将步骤三中预制的缠绕有纤维布的钢筋框架作为第一层钢筋框架，将其与地基预留钢筋焊接在一起；
步骤五：在预制钢筋框架上制备外包层和内包层
在预制钢筋外侧和内侧安放可分离为多部分的圆台状或圆柱状铁皮模具，在所述模具表面采用手糊法逐层涂抹纤维布和树脂材料，在上述材料成型后，去掉模具，将树脂复合材料固化干燥；
步骤六：浇注纤维混凝土
所述纤维混凝土组分为纤维2.5kg/m3-15kg/m3，硅酸盐水泥350-550kg/m3，水150-290kg/m3，砂500-700kg/m3，碎石900-1150kg/m3，按照上述各组分的体积分数配比将各组分进行预备，然后将预备好的纤维经过碱洗后取四分之一加入预备好的水中，然后向水中加入预备好的硅酸盐水泥、砂和碎石的四分之一，并混合均匀，重复上述步骤，即每次先加入1/4的短切纤维，再加入1/4的其他组分到水中混合均匀，直至上述组分全部加入水中，完成纤维混凝土的制备，最后，将上述制得的纤维混凝土浇注到内包层和外包层中的空腔；
步骤七：上述步骤一到步骤六完成第一节风电塔筒的制备，然后重复步骤一、二、三、五、六，完成各节风电塔筒的制备，直到制备的各节风电塔筒的高度之和满足使用需求；
步骤八：在风电塔筒的顶端焊接用于安装风机的法兰盘。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤五中，在预制钢筋框架上制备外包层和内包层时，涂抹完纤维布后，在纤维布上端均预留100～500mm空隙不涂抹树脂，用于和相邻节风电塔筒连接，所述步骤六中，在内包层和外包层中的空腔上端预留100～500mm不浇注混凝土，用于焊接下一节预制钢筋框架。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤六中，所述纤维为短切玄武岩纤维，其直径为8～25μm，长径比为5～20。
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