CN108412700A - 一种超韧性纤维混凝土发电机塔架及其制作安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超韧性纤维混凝土发电机塔架及其制作安装方法，该塔架结构包括桩基、承台和塔身三个部分组成，塔身为UTFC混凝土或UTFC混凝土和不锈钢管组成的竖向锥筒式，在塔身顶部设有风机。采用钻孔灌注桩或打入桩施工法进行桩基施工；塔身采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，各弧形块间横向预应力筋张拉并锚固，并压注UTFC浆，在UTFC混凝土弧形预制块两侧各预留湿接缝连接空间，待湿接缝UTFC终凝后，进行下一节段的施工；竖向各节段间张拉竖向预应力筋锚固，向预应力管道中压浆并进行水平灌浆密封；待塔身拼装完成后，在塔顶安装风机。由于本发明使用了UTFC混凝土，具有结构刚度大、塔身稳定性好、耐久性能好、施工便捷、节省造价等优点。

Description

一种超韧性纤维混凝土发电机塔架及其制作安装方法
技术领域
本发明涉及发电机塔架领域，特别涉及一种超韧性纤维混凝土发电机塔架及其制作安装方法。
背景技术
作为洁净可再生资源，风能具有储备丰富、清洁、分布广泛等优点，具有较大的开发潜力。且海上风电场较陆地有较大优势：(1)与陆地比较海上风速高。(2)陆地因高低不平，对风力、风向、风量均有影响，有时还会引起紊流，对风轮叶片会产生破坏力，引起振动和疲劳断裂。而海上风力稳定，海面平坦，不会引发功率的异常变动和对叶轮的破坏。(3)海洋空间广大，不受地形限制，因而有条件建造规模较大的高塔和超高发电机塔架。因此海上风力发电作为一种新兴产业，在未来将具备巨大的发展优势。
由于塔架是风力发电机组的主要承重结构,尤其是大型风力发电机组,其高度一般都在数十米以上。当风力机运行时,在风载荷、机组自重以及由机组重心偏移引起的偏心力矩等荷载下，塔架受力状态极为复杂。在这些载荷的共同作用于下,塔架会因疲劳而失效，且因塔架顶端产生过大的位移,引起机组的激烈振动,最终导致机组不能正常运行，且在海洋环境下，氯离子含量较高，常用的钢结构塔架容易锈蚀。
风力发电塔架的主要结构形式有桁架式、锥筒式或圆筒式等几种形式。现代大型风力发电机组通常采用锥筒式钢塔架，这类塔架的优点是加工制作安装方便、经济性好、抗弯刚度好、自重轻、抗震性能好。然而普通钢管易生锈，容易和海水中所含的氯离子等侵蚀成份发生化学反应，造成发电塔的寿命短、维护保养成本高。且钢管壁薄、直径小，稳定性能差，抵御地震和船撞等水平荷载的能力较差，因此大大制约了风力发电机的使用范围。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种超韧性纤维混凝土发电塔及其制作安装方法,采用超韧性纤维混凝土(UTFC)和不锈钢管组合作为发电塔架材料，解决现有钢管发电塔容易锈蚀、稳定性差且造价高的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：包括桩基，所述桩基上设有承台，在承台上为塔身，所述塔身为UTFC混凝土弧形预制块或UTFC混凝土弧形预制块和不锈钢管组成的竖向锥筒式，在塔身顶部设有风机。
所述UTFC混凝土塔身由多个节段构成，每节段为2-5米，采用3块120度UTFC混凝土弧形预制块拼装。
所述UTFC混凝土弧形预制块之间设置横向预应力筋.
所述节段间通过竖向预应力钢筋锚固连接。
所述的UTFC海上发电塔外径为2.5-6m，内径为2.1-5.3m，UTFC厚度为0.2-0.35m，塔高100m，底部外径6m，顶部外径2.5m，斜度为1.75％。
基于上述超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基的施工；
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度后，再进行承台的施工；
步骤三：塔身采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块拼装而成，通过搭设支架将三块UTFC混凝土弧形预制块位置固定，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块间横向预应力筋张拉并锚固，待锚固完成后，向预应力筋管道内压注UTFC浆，并在UTFC混凝土弧形预制块两侧各预留6度提供UTFC混凝土弧形预制块间横向湿接缝连接空间，待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架，进行下一节段的施工；
步骤四：竖向各节段间张拉竖向预应力筋锚固，向预应力管道中压浆并进行水平灌浆密封；
步骤五：待塔身拼装完成后，在塔顶安装风机。
基于上述超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基的施工；
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度后，再进行承台的施工；
步骤三：塔身下部采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块拼装而成，通过搭设支架将三块UTFC混凝土弧形预制块位置固定，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块间横向预应力筋张拉并锚固，待锚固完成后，向预应力筋管道内压注UTFC浆，并在UTFC混凝土弧形预制块两侧各预留6度提供UTFC混凝土弧形预制块段间横向湿接缝连接空间，待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架，进行下一节段的施工；
步骤四：竖向各节段间张拉竖向预应力筋并锚固，进行水平灌浆密封；
步骤五：下部塔身完成后，在塔顶安装法兰螺栓，将UTFC混凝土节段与不锈钢管节段连接，然后将钢管片段的焊接，并在钢管间竖向焊缝处涂一层防腐涂料，钢管节段间竖向采用交叉螺栓杆锚固；
步骤六、待不锈钢塔身拼装完成后，在塔顶安装风机。
基于上述一种超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基的施工；
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度后，再进行承台的施工；
步骤三：安装不锈钢管，在钢管上焊接剪力钉；
步骤四：安装模板及普通钢筋，将配置好的UTFC混凝土浇筑于模板内，并对UTFC混凝土进行养护处理；
步骤五：待UTFC混凝土终凝后，拆除模板，再进行下一节段的施工；
步骤六：安装下一节段的不锈钢管，将两节段进行焊接，重复步骤三至五，直至整个塔身完成。
本发明的有益效果：
由于本发明采用的UTFC材料，其抗压强度高，接近钢材，与同等承载力的钢结构相比，UTFC结构更具经济性。且塔身的刚度大和稳定性好，大大提高了塔本身的抗倾覆能力和抵抗地震、船撞和风荷载的能力。由于自身刚度较大，可避免因塔架顶端产生过大的位移,引起机组的激烈振动，以及不会发生钢塔的疲劳破坏。由于UTFC混凝土采用高堆积密实度原理，避免了钢材由于海水介质中的氯离子入侵作用下易锈蚀的缺点，其对内层电力设备起到保护作用。UTFC材料将混凝土的耐腐蚀和钢材的高强度优点充分结合，更好的适应海上发电塔的建造。
由于采用分段吊装施工，可适用于不同海洋及地质环境，施工便捷，海上作业周期短。
附图说明
图1是本发明实例1平面结构示意图。
图2是本发明实例1的塔身块段安装固定示意图。
图3是本发明实例1中使用的UTFC混凝土弧形预制块示意图。
图4是本发明实例1的塔身横截面示意图。
图5是本发明实例1中UTFC混凝土弧形预制块横向锚固示意图。
图6是本发明实例1中预制UTFC混凝土节段间竖向锚固示意图。
图7是本发明实例2平面结构示意图。
图8是发明实例2的钢塔节段与UTFC混凝土节段连接示意图。
图9是发明实例2的钢塔节段间竖向连接示意图。
图10是发明实例3的塔身横截面示意图。
其中：1、风机；2、UTFC混凝土弧形预制块；3、竖向预应力筋；4、横向预应力筋；5、承台；6、桩基；7、支架；8、竖向预应力筋管道；9、弧形预制块间横向湿接缝；10、横向预应力筋的锚固件；11、竖向预应力筋的锚固件；12、波纹管；13、水平灌浆密封；14、不锈钢管；15、钢管间竖向焊缝；16、法兰螺栓；17、交叉螺栓杆；18、剪力钉；19、UTFC混凝土承托；20、普通钢筋；21、UTFC混凝土浇筑层。
具体实施方式
该发明的尺寸拟定优势在于：由风速剖面图可知海面的粗糙度较陆地小，因此风速在海平面变化增长快，通常在安装风机所关注的高度上，风速梯度已较小，故通过增加塔高的方式增加风能的捕获在某种程度不经济。本发明的尺寸既保证了对风能的足够捕获，又能达到经济的效果，横断面尺寸以及斜度使其有足够的刚度，以保证抗风抗震动力可靠度。
若为了加快施工进度，塔身可由两部分组成，下部60m采用预制UTFC混凝土2块拼装而成，上部40m为高强度的不锈钢结构。如果对于海上地质条件相对较差，基础较小，塔高要求较高，为了减小自重和迎风面积以改善发电塔的受力性能，上述UTFC海上发电塔须针对实际情况做进一步的调整，在上述UTFC海上发电塔的内壁加一层不锈钢钢管14，用剪力钉18将不锈钢钢管14和UTFC混凝土2连接起来。
所述UTFC海上发电塔主要由桩基6、承台5和塔身三部分组成，塔身制作工艺采用预制拼装，每五米一段，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块2拼装并张拉横向预应力钢筋4而成，每节段间采用竖向预应力钢筋3锚固连接。
桩基6的选择：海上发电风塔桩基大多采用重力式基础、单桩基础、桩基基础、导管架基础、设置沉箱基础、沉井基础及吸力式筒形基础。为满足基础结构在海洋环境中安全可靠的要求，该塔采用承载力较大，抗水平载荷强的桩基基础。本发明采用小直径钢筋混凝土桩，单桩直径1.5-1.6m，承台5为钢筋混凝土结构。
施工方法：桩基6的施工采用钻孔灌注桩或打入桩施工法；风塔施工为缩短海上作业时间，采用分体吊装方式，将预制好的UTFC混凝土弧形预制块2分段吊装，张拉横向预应力筋4，使各块片形成整体塔筒，在塔筒端头张拉竖向预应力筋3锚固。待塔身施工完成后，再进行风机1机舱叶轮的吊装及安装。
本发明中使用的UTFC混凝土2材料为一专有名词，是指超高强度、高延性、高韧性、高和易性、耐久性好且能适用于海洋等复杂环境下的密实增强复合材料，其是相对普通混凝土、高性能混凝土而言的另一类力学综合性能更加优异的混凝土材料，例如活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土、注浆纤维混凝土、密实配筋复合材料等，但优选为超高性能纤维增强混凝土或注浆纤维混凝土。
实施例1
如图1所示的本发明UTFC海上发电塔结构，该电塔结构包括普通混凝土制作的桩基6基础和承台5及UTFC混凝土塔身，塔身由UTFC混凝土节段拼装而成，UTFC混凝土弧形预制块2通过横向预应力筋4锚固形成整体，竖向各节段采用竖向预应力筋3连接，并在各接缝间灌浆密封。
上述本实施例的UTFC海上发电塔结构具体施工步骤为：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基6的施工。
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度，再进行承台5的施工。
步骤三：塔身采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，如图2图3所示，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块2拼装而成。通过搭设支架7将三块UTFC混凝土弧形预制块2位置固定，如图4图5所示，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块2间横向预应力筋4张拉并通过横向预应力筋的锚固件10进行锚固，待锚固完成后，向竖向预应力筋管道8内喷射UTFC浆，并在UTFC混凝土弧形预制块2两侧各预留6度提供湿接缝9连接空间。待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架7，进行下一节段的施工。
步骤四：如图6所示，竖向各节段间张拉竖向预应力筋3并通过竖向预应力筋的锚固件11进行锚固，向竖向预应力管道8中压浆并进行水平灌浆密封13，有效的防止了氯离子的入侵，有效的保证预应力筋不被锈蚀。
步骤五：待塔身拼装完成后，在塔顶安装风机1。
实施例2
如图7所示的本发明UTFC海上发电塔结构，如图8所示，本实例桩基础6与承台5相同，塔身由两部分组成，下部60m采用UTFC混凝土弧形预制块2拼装而成，上部40m为高强度的不锈钢14塔身。下部混凝土塔身施工与实例1相似，上部不锈钢塔身钢板间采用竖向焊缝15连接，节段间使用横向焊缝连接。如图8所示，混凝土节段与钢管节段采用法兰螺栓16连接。
上述本实施例的UTFC海上发电塔结构具体施工步骤为：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基的施工。
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度，再进行承台的施工。
步骤三：塔身下部采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块2拼装而成。通过搭设支架7将三块UTFC混凝土弧形预制块2位置固定，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块2间横向预应力筋4张拉并锚固，待锚固完成后，向竖向预应力筋管道8内压注UTFC净浆，并在UTFC混凝土弧形预制块2两侧各预留6度提供湿接缝9连接空间。待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架，进行下一节段的施工。
步骤四：竖向各节段间张拉竖向预应力筋3并锚固，灌浆密封，有效的防止了氯离子的入侵。
步骤五：下部塔身完成后，在塔顶安装法兰螺栓16，将UTFC混凝土塔身与不锈钢管14节段连接，然后将钢管片段的焊接，并在焊缝处涂一层防腐涂料，如图9所示，钢管节段间竖向采用交叉螺栓杆17锚固，由于不锈钢材质的耐侵蚀性，不锈钢塔身不会锈蚀。
步骤六：待不锈钢塔身拼装完成后，在塔顶安装风机1。
实施例3
如图10所示，一种超韧性纤维混凝土-不锈钢复合塔身结构。该发电塔为钢混凝土组合构件，不锈钢与混凝土间设置剪力钉18，使得UTFC混凝土与不锈钢14构件共同受力，又保证了不锈钢不被锈蚀，提升了结构的耐久性。该设计发明有效的减小发电塔的截面尺寸、迎风面积及塔身的自重，从而改善了塔身的受力。对于海上地质条件相对较差，基础较小，塔高要求较高的情况下，具有较强的适应性。
上述本实施例的UTFC海上发电塔结构具体施工步骤为：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基6的施工。
步骤二：待桩基强度达到设计强度后，再进行承台5的施工。
步骤三：安装不锈钢管14，在钢管上焊接剪力钉18。
步骤四：安装模板及普通钢筋20，将配置好的UTFC混凝土浇筑于模板内，并对混凝土进行养护处理。
步骤五：待UTFC混凝土层21终凝后，拆除模板，再进行下一节段的施工。
步骤六：安装下一节段的不锈钢管14，将两节段通过焊缝连接。
步骤七：待塔身建设完成后，在塔顶安装风机1。

Claims (8)

1.一种超韧性纤维混凝土发电机塔架，其特征在于，包括桩基(6)，所述桩基(6)上设有承台(5)，在承台(5)上为塔身，所述塔身为UTFC混凝土弧形预制块(2)或UTFC混凝土弧形预制块(2)和不锈钢管(14)组成的竖向锥筒式，在塔身顶部设有风机(1)。
2.根据权利要求1所述的一种超韧性纤维混凝土发电机塔架，其特征在于，所述UTFC混凝土塔身由多个节段构成，每节段为2-5米，采用3块120度UTFC混凝土弧形预制块(2)拼装。
3.根据权利要求2所述的一种超韧性纤维混凝土发电机塔架，其特征在于，所述UTFC混凝土弧形预制块(2)之间设置横向预应力筋(4)。
4.根据权利要求1所述的一种超韧性纤维混凝土发电机塔架，其特征在于，所述节段间通过竖向预应力钢筋(3)锚固连接。
5.根据权利要求1所述的一种超韧性纤维混凝土发电机塔架，其特征在于，所述的UTFC海上发电塔外径为2.5-6m，内径为2.1-5.3m，UTFC厚度为0.2-0.35m。
6.基于上述超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基(6)的施工；
步骤二：待桩基(6)混凝土强度达到设计强度后，再进行承台(5)的施工；
步骤三：塔身采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块(2)拼装而成，通过搭设支架(7)将三块UTFC混凝土弧形预制块(2)位置固定，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块(2)间横向预应力筋(4)张拉并锚固，待锚固完成后，向预应力筋管道(8)内压注UTFC浆，并在UTFC混凝土弧形预制块(2)两侧各预留6度提供UTFC混凝土弧形预制块(2)间横向湿接缝(9)连接空间，待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架(7)，进行下一节段的施工；
步骤四：竖向各节段间张拉竖向预应力筋(3)锚固，向预应力管道中压浆并进行水平灌浆密封(13)；
步骤五：待塔身拼装完成后，在塔顶安装风机(1)。
7.基于上述超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基(6)的施工；
步骤二：待桩基混凝土强度达到设计强度后，再进行承台(5)的施工；
步骤三：塔身下部采用预制UTFC混凝土节段拼装而成，每节段采用三块120度UTFC混凝土弧形预制块(2)拼装而成，通过搭设支架(7)将三块UTFC混凝土弧形预制块(2)位置固定，完成后将各UTFC混凝土弧形预制块(2)间横向预应力筋(4)张拉并锚固，待锚固完成后，向预应力筋管道(8)内压注UTFC浆，并在UTFC混凝土弧形预制块(2)两侧各预留6度提供UTFC混凝土弧形预制块(2)段间横向湿接缝(9)连接空间，待湿接缝UTFC终凝后，拆除支架(7)，进行下一节段的施工；
步骤四：竖向各节段间张拉竖向预应力筋(3)并锚固，进行水平灌浆密封(13)；
步骤五：下部塔身完成后，在塔顶安装法兰螺栓(16)，将UTFC混凝土节段与不锈钢管(14)节段连接，然后将钢管片段的焊接，并在钢管间竖向焊缝(15)处涂一层防腐涂料，钢管节段间竖向采用交叉螺栓杆(17)锚固；
步骤六、待不锈钢塔身拼装完成后，在塔顶安装风机(1)。
8.基于上述一种超韧性纤维混凝土发电塔的制作安装方法，包括以下步骤：
步骤一：采用钻孔灌注桩或打入桩施工法，进行桩基(6)的施工；
步骤二：待桩基(6)混凝土强度达到设计强度后，再进行承台(5)的施工；
步骤三：安装不锈钢管(14)，在钢管上焊接剪力钉(18)；
步骤四：安装模板及普通钢筋(20)，将配置好的UTFC混凝土浇筑于模板内，并对UTFC混凝土进行养护处理；
步骤五：待UTFC混凝土终凝后，拆除模板，再进行下一节段的施工；
步骤六：安装下一节段的不锈钢管(14)，将两节段进行焊接，重复步骤三至五，直至整个塔身完成。
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