CN109723079A - 一种超高性能混凝土预制风电基础 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高性能混凝土预制风电基础，属于风力发电装备技术领域。该风电基础由抗压强度不小于130兆帕、抗折强度不小于16兆帕的超高性能混凝土预制基础环和内外现浇混凝土组成；所述预制基础环由钢筒和内外预制混凝土组成，钢筒与内外预制混凝土之间通过若干剪力钉连接，预制基础环具有外延钢筋，所述现浇混凝土具有第一钢筋骨架，所述第一钢筋骨架与外延钢筋连接。本发明技术方案制备的超高性能混凝土预制风电基础解决传统风电基础应力集中的问题，显著提高风电基础的使用寿命，并降低施工周期和施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电装备技术领域，更具体地，涉及一种超高性能混凝土预制风电基础。
背景技术
随着世界能源开发研究的发展，可持续发展作为一种能源开发的基本指导思想，风力发电作为一种新型可持续能源得到世界各国高度重视，我国风电的发展速度也相当迅速。作为一种绿色新能源，风力发电几乎不会排放任何有害气体，对生态环境也没有影响。重要的是我国可开发利用的风能资源储量较为丰富，资源总储量在32.26亿千瓦左右，其中在陆地10米高度层范围内可开发的风能储量约占总储量的7.8%，近海地区可开发风能储量占总储量的2.4%左右，共计10亿千瓦以上。也就是说，只要中国能够开发出20亿千瓦左右的风能资源，就足以满足中国目前每年整体的电力需求。我国这种地区有着十分丰富的风能资源，这些储藏为风能的集中开发利用提供了极大的便利。但目前利用率低，相对而已风力发电的前景是广阔的。为此，大力发展风电、风力发电设施主体土建结构研究受到国家和科技领域研究人员的高度重视。
风力发电是新能源中最具实用性的再生能源，风电塔架是风力发电装备主要组成部分之一，管塔式风电塔架一般由基础环及三段筒节组成，施工时将基础环部分安装调试合格后用混凝土浇筑到基础上，上部安装其他筒节，目前该方法的不足之处在于风电塔架受风向转向影响，风电塔反复拉压，造成风电基础钢筒对周围混凝土进行碾压。由于普通混凝土抗压强度仅为钢的五分之一左右，混凝土压应变小，在受压时不能与钢同步变形，因此钢筒周围的普通混凝土极易破坏，且钢筒与混凝土之间的连接钢筋呈剪断式破坏，导致风电塔倾倒，不能正常运行，日损失达2-3万元以上。
目前关于风电塔架基础的专利技术比较多。例如，申请号为201610827805.2、发明名称为一种预应力混凝土风电机组基础的中国专利公开了一种预应力混凝土风电机组基础的制备方法，但是该技术方案风电基础环与混凝土基础抗剪接触面积小、界面粘结性能不好、易开裂滑移、接触面的应力不能有效传导到混凝土基础中，无法有效解决风电基础环周边混凝土应力集中和混凝土拉裂、压剪破坏等问题。
超高性能混凝土是一种强度介于混凝土与钢之间的新型水泥基复合材料，具有高抗压、高抗弯、高抗拉、体积稳定性好的特点。适当配筋的超高性能混凝土的力学性能接近钢结构，能与钢结构同步变形，不易产生局部压碎。
针对以上现状，可以开发一种可以解决传统混凝土风电基础力学性能差、应力集中、使用寿命低等问题的超高性能混凝土预制风电基础。
发明内容
有鉴于此，本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足，提供一种超高性能混凝土预制风电基础，其不仅力学性能好、施工性能好、使用寿命长、大幅度降低风电基础综合成本，而且适用于大规模推广应用。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种超高性能混凝土预制风电基础，所述风电基础由超高性能混凝土预制基础环和内外现浇混凝土组成；所述预制基础环由钢筒和内外预制混凝土组成，钢筒与内外预制混凝土之间通过若干剪力钉连接，预制基础环具有外延钢筋，所述现浇混凝土具有第一钢筋骨架，所述第一钢筋骨架与外延钢筋连接。
预制基础环由钢筒和内外预制混凝土组成，两者之间通过剪力钉加固结合，提高钢筒与预制混凝土之间的结合强度，而且内外预制混凝土均采用超高性能混凝土，大大提高了预制基础环的力学性能和使用寿命；预制基础环与现浇混凝土之间设有贯穿前述两者的外延钢筋，使得预制混凝土与现浇混凝土之间紧密结合，提高两者之间的结合强度，保证风电基础整体的力学性能、使用寿命。采用本发明所述预制基础环筑造的风电基础相比于传统的风电基础能够大幅度地降低钢筒壁厚，从而降低钢筒的成本，与此同时，超高性能混凝土的使用不仅能降低钢的用量，还能防止局部压碎，防止应力集中，降低成本的同时提高风电基础的使用寿命。
所述钢筒的壁厚为15~25mm，大幅度降低钢筒壁厚，从而大幅度降低钢筒成本。
所述钢筒外侧的预制混凝土的厚度为300~800mm，钢筒内侧的预制混凝土的厚度为100~200mm。
所述预制基础环的外表面呈阶梯状，增大与现浇混凝土的接触面积，降低接触面应力分布。所述预制基础环的外表面设有一级台阶和二级台阶，根据预制风电基础环的弯矩分布分析，所述一级台阶位于钢筒的二分之一高度处，所述二级台阶位于钢筒的四分之三高度处，一级台阶和二级台阶的宽度均大于100mm。
所述钢筒底部设有下法兰圈，所述下法兰圈的外径比钢筒直径大800~1200mm，比传统混凝土风电基础底部法兰圈小10%以上，降低法兰圈成本；所述钢筒与内外预制混凝土之间通过剪力钉连接，从而将传统的由单一法兰圈与混凝土结合变为法兰圈与超高性能混凝土结合及剪力钉与超高性能混凝土结合。
所述钢筒顶部设有上法兰圈，所述上法兰圈由轴心辐射向外依次分为内部、中部和外部，钢筒顶端与上法兰圈中部下表面连接，上法兰圈的内部和外部均设有与风电塔架连接的螺栓连接孔，降低外部或内部螺栓连接因疲劳变形或断裂的风险。
所述外延钢筋采用直径10mm以上、不小于HRB400等级的热轧钢筋，外延钢筋外延部分的长度大于10倍钢筋直径。
所述第一钢筋骨架为筒状钢网，包括若干环向钢筋和若干纵向钢筋，所述环向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于200mm，纵向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于300mm。
所述预制混凝土内部设有与钢筒同轴设置且与剪力钉连接的筒状的第二钢筋骨架，所述外延钢筋一端连接第二钢筋骨架，另一端向外延伸出预制基础环并与第一钢筋骨架连接。
所述预制混凝土内部还设有与第二钢筋骨架同轴且相距设置的筒状的第三钢筋骨架，所述外延钢筋一端连接第二钢筋骨架，另一端连接第三钢筋骨架后向外延伸出预制基础环并与第一钢筋骨架连接。
相邻两个位于钢筒底部到钢筒三分之二高度之间的剪力钉的间距为100~300mm；为增强锚固，相邻两个位于钢筒三分之二高度到钢筒顶部之间的剪力钉的间距为50~100mm。
所述超高性能混凝土的抗压强度不小于130MPa，抗弯拉强度不小于16MPa。
所述超高性能混凝土包括如下重量份的各组分：
平均粒径0~4.75mm的细骨料800份；
强度不低于42.5MPa的水泥300份；
平均粒径5~30μm的掺合料245份；
高性能外加剂14.5份；
水胶比0.2；
长径比50~100的钢纤维95份。
所述预制基础环的制作方法为：将剪力钉尾部焊接在钢筒上，然后将第二钢筋骨架与剪力钉头部焊接，并将外延钢筋与第二钢筋骨架和第三钢筋骨架连接，接着浇筑超高性能混凝土，经热养护72小时后，形成预制的超高性能混凝土预制基础环。
本发明与现有技术相比较有如下有益效果：
1、预制基础环的外表面呈阶梯状，将预制风电基础环与现浇混凝土的接触面由单一接触面变为多个界面，增大与现浇混凝土的接触面，有效的将力扩散到周围混凝土区域，降低风电基础环周边混凝土应力集中，大幅度提高风电基础使用寿命，降低风电塔架综合成本。
2、预制基础环的钢筒壁厚为15-25mm，底部法兰圈外直径比传统小10%以上，大幅度降低风电基础成本。
3、超高性能混凝土抗压强度约为钢的三分之二，不易产生局部压碎；剪力钉与超高性能混凝土结合，增强钢筒与超高性能混凝土的锚固，提高风电基础的使用寿命。
附图说明
图1是预制基础安装施工图。
图2是预制风电基础剖面图。
图3是实施例2预制风电基础剖面图。
附图标记说明：预制基础环100，钢筒110，下法兰圈111，上法兰圈112，螺栓连接孔1121，预制混凝土120，第二钢筋骨架121，第三钢筋骨架122，剪力钉130，外延钢筋140，一级台阶151，二级台阶152，现浇混凝土200。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1~2所示，一种超高性能混凝土预制风电基础，所述风电基础由超高性能混凝土预制基础环100和内外现浇混凝土200组成；所述预制基础环100由钢筒110和内外预制混凝土120组成，钢筒110与内外预制混凝土120之间通过若干剪力钉130连接，预制基础环100具有外延钢筋140，所述现浇混凝土200具有第一钢筋骨架，所述第一钢筋骨架与外延钢筋140连接。
所述钢筒110的壁厚t为15~25mm，大幅度降低钢筒110壁厚，从而大幅度降低钢筒110成本。
所述钢筒110外侧的预制混凝土120的厚度t1为300~800mm，钢筒110内侧的预制混凝土120的厚度t2为100~200mm。
所述预制基础环100的外表面呈阶梯状，增大与现浇混凝土200的接触面积，降低接触面应力分布。所述预制基础环100的外表面设有一级台阶151和二级台阶152，所述一级台阶151位于钢筒110的二分之一高度处，所述二级台阶152位于钢筒110的四分之三高度处，一级台阶151的宽度t3和二级台阶152的宽度t4均大于100mm。
所述钢筒110底部设有下法兰圈111，所述下法兰圈111的外径比钢筒直径大800~1200mm，比传统混凝土风电基础底部法兰减小一半以上，降低法兰圈成本，并将传统的由单一法兰圈与混凝土结合变为法兰圈与超高性能混凝土结合及剪力钉130与超高性能混凝土结合。
所述钢筒110顶部设有上法兰圈112，所述上法兰圈112由轴心辐射向外依次分为内部、中部和外部，钢筒110顶端与上法兰圈112中部下表面连接，上法兰圈112的内部和外部均设有与风电塔架连接的螺栓连接孔1121，降低外部或内部螺栓连接因疲劳变形或断裂的风险。
所述外延钢筋140采用直径10mm以上、不小于HRB400等级的热轧钢筋，外延钢筋140外延部分的长度大于10倍钢筋直径。
所述第一钢筋骨架为筒状钢网，包括若干环向钢筋和若干纵向钢筋，所述环向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于200mm，纵向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于300mm。
所述预制混凝土120内部设有与钢筒110同轴设置且与剪力钉130连接的筒状的第二钢筋骨架121，所述外延钢筋140一端连接第二钢筋骨架121，另一端向外延伸出预制基础环100并与第一钢筋骨架连接。
所述超高性能混凝土的抗压强度不小于130MPa，抗弯拉强度不小于16MPa。
所述超高性能混凝土包括如下重量份的各组分：
平均粒径0~4.75mm的细骨料800份；
强度不低于42.5MPa的水泥300份；
平均粒径5~30μm的掺合料245份；
高性能外加剂14.5份；
水胶比0.2；
长径比50~100的钢纤维95份。
实施例2
作为上述实施例的改进方案，如图3所示，所述预制混凝土120内部还设有与第二钢筋骨架121同轴且相距设置的筒状的第三钢筋骨架122，所述外延钢筋140一端连接第二钢筋骨架121，另一端连接第三钢筋骨架122后向外延伸出预制基础环100并与第一钢筋骨架连接。
相邻两个位于钢筒110底部到钢筒110三分之二高度之间的剪力钉130的间距为100~300mm；为增强锚固，相邻两个位于钢筒110三分之二高度到钢筒110顶部之间的剪力钉130的间距为50~100mm。
所述预制基础环100的制作方法为：将剪力钉130尾部焊接在钢筒110上，然后将第二钢筋骨架121与剪力钉130头部焊接，并将外延钢筋140与第二钢筋骨架121和第三钢筋骨架122连接，接着浇筑超高性能混凝土，经热养护72小时后，形成预制的超高性能混凝土预制基础环100。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述风电基础由抗压强度不小于130兆帕、抗折强度不小于16兆帕的超高性能混凝土预制基础环和内外现浇混凝土组成；所述预制基础环由钢筒和内外预制混凝土组成，钢筒与内外预制混凝土之间通过剪力钉连接，预制基础环具有外延钢筋，所述现浇混凝土内部具有第一钢筋骨架，所述第一钢筋骨架与外延钢筋连接。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述钢筒的壁厚为15~25mm；所述钢筒外侧的预制混凝土的厚度为300~800mm，钢筒内侧的预制混凝土的厚度为100~200mm。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述预制基础环的外表面呈阶梯状。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述预制基础环的外表面设有一级台阶和二级台阶，所述一级台阶位于钢筒的二分之一高度处，所述二级台阶位于钢筒的四分之三高度处，一级台阶和二级台阶的宽度均大于100mm。
5.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述钢筒底部设有下法兰圈，所述下法兰圈的外径比钢筒直径大800~1200mm；所述钢筒顶部设有上法兰圈，所述上法兰圈由轴心辐射向外依次分为内部、中部和外部，钢筒顶端与上法兰圈中部下表面连接，上法兰圈的内部和外部均设有与风电塔架连接的螺栓连接孔。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述外延钢筋为直径10mm以上、不小于HRB400等级的热轧钢筋，外延钢筋外延部分的长度大于10倍钢筋直径。
7.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述第一钢筋骨架为筒状钢网，包括若干环向钢筋和若干纵向钢筋，所述环向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于200mm，纵向钢筋的直径不小于10mm，间距不大于300mm。
8.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述预制混凝土内部设有与钢筒同轴设置且与剪力钉连接的筒状的第二钢筋骨架，所述外延钢筋一端连接第二钢筋骨架，另一端向外延伸出预制基础环并与第一钢筋骨架连接。
9.根据权利要求8所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，所述预制混凝土内部还设有与第二钢筋骨架同轴且相距设置的筒状的第三钢筋骨架，所述外延钢筋一端连接第二钢筋骨架，另一端连接第三钢筋骨架后向外延伸出预制基础环并与第一钢筋骨架连接。
10.根据权利要求1所述的超高性能混凝土预制风电基础，其特征在于，相邻两个位于钢筒底部到钢筒三分之二高度之间的剪力钉的间距为100~300mm，相邻两个位于钢筒三分之二高度到钢筒顶部之间的剪力钉的间距为50~100mm。
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