CN111089035A - 一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组体内预应力单层钢板‑混凝土组合塔筒，涉及风力发电技术领域。该体系由上部纯钢塔筒和下部组合塔筒组成，组合塔筒沿环向由6片单层钢板组合壳体通过螺栓连接形成六边形筒体并沿竖向分段组装而成，在组合塔筒预埋的波纹管内张拉体内预应力筋。所述的单层钢板组合壳体外侧为平钢板、内侧为竖向钢筋和水平钢筋组成的钢筋网片，钢筋网片与平钢板之间通过横向短筋连接，然后浇筑混凝土形成整体。所述的单层钢板组合壳体边缘设置分段的加劲区并预留螺栓孔洞，以便通过螺栓拼装形成组合塔筒。该体系稳定性好、承载力高、连接可靠，构件加工简单、运输方便，可实现全装配式施工，施工周期短，综合效益高，具有广阔的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域。
背景技术
随着现代工业的快速发展，人类对能源的需求急剧增加，与此同时气候变化和环境保护问题也日益引起人们的关注和忧虑。风能作为一种可再生资源，具有绿色清洁、价格低廉等优势。风能资源的开发有利于建设资源节约型和环境友好型社会、促进我国能源结构调整。我国风能储量十分丰富，风电产业具有广阔的开发利用前景，近年来我国风力发电产业得到了快速增长。
由于我国风能资源地区分布不均，目前风电开发主要集中于“三北”高风速地区，但当地电网消纳能力有限，导致“弃风限电”问题突出。而我国中东部及南部低风速区接近经济发达地区，可实现风电的就地消纳，因此近年来低风速区风电资源的开发得到了大力支持。为了获得更大的风速、提高发电量，大功率、高塔筒的风电机组成为发展趋势，随着高度的增加对塔筒结构的受力性能也提出了更高的要求。传统的风电塔筒多为纯钢塔筒，由于稳定性较差、承载力较低、钢材用量大和造价高等原因无法满足低风速区风力发电的需求。而混凝土塔筒接缝处需要现场灌浆养护等，以致施工工序较多，安装周期较长。
因此研发一种稳定性好、承载力高、刚度大、抗疲劳性能好，同时施工方便、施工周期短的风电塔筒对于推进风能资源的开发具有重要意义。
发明内容
本发明提出一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒：该体系由上部纯钢塔筒和下部组合塔筒组成。组合塔筒沿环向由6片单层钢板组合壳体通过螺栓连接形成六边形筒体并沿竖向分段组装而成。单层钢板组合壳体外侧为平钢板、内侧为竖向钢筋和水平钢筋组成的钢筋网片，钢筋网片与平钢板之间通过横向短筋连接，然后浇筑混凝土形成整体。单层钢板组合壳体边缘设置分段的加劲区，并预留螺栓孔洞，以便通过螺栓连接进行拼装。单层钢板组合壳体内部预埋波纹管，塔筒拼装完成后在波纹管内张拉体内预应力筋，一端锚固于纯钢塔筒底部法兰板，另一端锚固于塔筒基础内。
该体系充分发挥了组合结构承载力高、稳定性好的受力特性，构件加工简单方便、连接安全可靠，可实现工厂预制、现场组装的全装配式施工，施工周期短，综合效益高，具有广阔的工程应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，该体系包括纯钢塔筒、组合塔筒、单层钢板组合壳体、平钢板、混凝土、外端板、加劲板、内端板、螺栓、预应力筋、预埋钢管、波纹管、竖向钢筋、水平钢筋、横向短筋、吊点附加钢筋、锚具、法兰板。
该体系由上部纯钢塔筒和下部组合塔筒组成，纯钢塔筒下部焊接法兰板与组合塔筒加劲区通过螺栓连接，并将预应力筋锚固于纯钢塔筒法兰板上，使其与组合塔筒紧密连接，该构造连接方式可省去传统混合塔筒中的转接环装置，上部纯钢塔筒的内力可直接传递到下部组合塔筒上，使得传力路径更加直接、受力更为合理。
组合塔筒沿环向由6片单层钢板组合壳体采用螺栓连接拼装形成六边形筒体，并沿竖向分段组装而成，单层钢板组合壳体在工厂完成预制，在现场全装配式施工，施工周期短、运输方便。
单层钢板组合壳体外侧为平钢板，并在平钢板边缘焊接外端板、内端板和加劲板形成分段加劲区，并在外端板相应位置预留螺栓孔，以便通过螺栓进行拼装形成组合塔筒；单层钢板组合壳体内侧为竖向钢筋和水平钢筋组成的钢筋网片，竖向钢筋和水平钢筋两端与外端板或内端板通过焊接连接；钢筋网片与平钢板之间通过横向短筋连接，横向短筋与平钢板之间焊接，另一端设置U形弯钩与钢筋网片相连，横向短筋可起到栓钉的作用，抑制平钢板发生面外鼓曲，同时防止竖向钢筋屈曲；在单层钢板组合壳体内三分点处预埋两道波纹管，以便后期布置体内预应力筋；在单层钢板组合壳体内设置预埋钢管，并在其周围呈“井”字形布置吊点附加钢筋，以便现场施工时吊装；然后浇筑混凝土形成整体。外侧平钢板与内侧钢筋网片对核心区混凝土起到约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的承载能力。同时外侧平钢板与四周端板可以作为现成的模板，在工厂预制时无须设置模板，加工方便。
塔筒现场拼装完成后，在组合塔筒预埋的波纹管内张拉体内预应力筋，一端锚固于纯钢塔筒底部法兰板上，另一端锚固于塔筒基础内。体内预应力筋使组合塔筒处于全截面受压状态，防止弯矩作用下的拉应力使分段的组合塔筒法向分离，增加了组合塔筒的整体性。通过将预应力筋布置在组合塔筒体内，可使预应力直接作用在组合塔筒上，避免了传统混合塔筒预应力筋体外布置的方式需要通过转接环等构造措施将预应力传递到下部塔筒上，另外将预应力筋布置体内还可缓解预应力筋锈蚀。
为了避免预应力筋锚固处应力集中造成单层钢板组合壳体局部受压破坏，在组合塔筒顶部的单层钢板组合壳体设置相应的构造措施：在预应力筋两侧设置两道竖向加劲板，防止局部压力过大造成平钢板鼓曲，同时便于应力的扩散；将预应力筋锚固处周围竖向钢筋、水平钢筋和横向短筋加密，防止混凝土被压溃；将边缘加劲区向内移，同时在螺栓孔处布置波纹管以便拼装时与纯钢塔筒通过螺栓连接，增加螺栓的锚固深度，避免上部纯钢塔筒施加的拉应力造成单层钢板组合壳体两侧角部区域破坏。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)钢塔筒和组合塔筒之间通过螺栓和预应力筋直接连接，省去传统混合塔筒的转接环，传力路径明确、受力方式合理。
(2)预应力筋采用体内布置的方式，可使预应力直接作用在组合塔筒上，避免了传统混合塔筒预应力筋体外布置需要通过转接环等构造措施将预应力传递到下部塔筒上，另外预应力筋采用体内布置的方式还可缓解预应力筋锈蚀。
(3)该组合塔筒由于混凝土和横向短筋的约束作用，充分抑制了平钢板发生面外屈曲，使钢材强度得到充分发挥，同时避免传统组合塔筒需布置大量栓钉的弊端，具有承载力高、稳定性好、施工方便、造价低等优点。
(4)该体系可实现构件工厂预制、现场全装配式施工，施工方便、可大幅缩短施工周期，分片的单层钢板组合壳体便于运输、堆放和吊装。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的组合塔筒截面及其连接方式示意图；
图3为本发明的单层钢板组合壳体整体示意图及其细部构造；
图4为本发明组合塔筒与纯钢塔筒连接示意图；
图5为本发明组合塔筒顶部的单层钢板组合壳体整体示意图及其细部构造；
图中：1-纯钢塔筒、2-组合塔筒、3-单层钢板组合壳体、4-平钢板、5-混凝土、6-外端板、7-加劲板、8-内端板、9-螺栓、10-预应力筋、11-预埋钢管、12-波纹管、13-竖向钢筋、14-水平钢筋、15-横向短筋、16-吊点附加钢筋、17-锚具、18-法兰板
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，该体系由上部纯钢塔筒(1)和下部组合塔筒(2)组成。
如图2所示，组合塔筒(2)沿环向由6片单层钢板组合壳体(3)采用螺栓(9)连接拼装形成六边形筒体并沿竖向分段组装而成。
如图3所示，单层钢板组合壳体(3)外侧为平钢板(4)，并在平钢板(4)边缘焊接外端板(6)、内端板(8)和加劲板(7)形成分段加劲区，并在外端板相应位置预留螺栓孔，以便通过螺栓(9)进行拼装形成组合塔筒(2)；单层钢板组合壳体(3)内侧为竖向钢筋(13)和水平钢筋(14)组成的钢筋网片，竖向钢筋(13)和水平钢筋(14)两端与外端板(6)或内端板(8)通过焊接连接；钢筋网片与平钢板(4)之间通过横向短筋(15)连接，横向短筋(15)与平钢板(4)之间焊接，另一端设置U形弯钩与钢筋网片相连；在单层钢板组合壳体(3)内三分点处预埋两道波纹管(12)，以便后期布置体内预应力筋(10)；在单层钢板组合壳体(3)内设置预埋钢管(11)，并在其周围呈“井”字形布置吊点附加钢筋(16)，以便现场施工时吊装；然后浇筑混凝土(5)形成整体，在工厂内完成单层钢板组合壳体(3)的预制。
如图4所示，纯钢塔筒(1)下部焊接法兰板(18)，并通过螺栓(9)与组合塔筒(2)进行连接，同时在组合塔筒(2)预埋的波纹管(12)内张拉预应力筋(10)，预应力筋(10)一端锚固于纯钢塔筒(1)底部法兰板(18)上，另外一端锚固于塔筒基础内。
如图5所示，为了避免预应力筋(10)锚固处应力集中造成单层钢板组合壳体(3)局部受压破坏，在组合塔筒(2)顶部的单层钢板组合壳体(3)设置相应的构造措施：在预应力筋(10)两侧设置两道竖向加劲板(7)；将预应力筋(10)锚固处周围竖向钢筋(13)、水平钢筋(14)和横向短筋(15)加密；将边缘加劲区向内移，同时在螺栓孔处布置波纹管(12)以便拼装时与纯钢塔筒(1)通过螺栓(9)连接，增加螺栓(9)的锚固深度，避免上部纯钢塔筒(1)施加的拉应力造成单层钢板组合壳体(3)两侧角部区域破坏。
本发明提出了一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，该体系充分发挥了组合结构承载力高、稳定性好的受力特性，构件加工简单方便、连接安全可靠，可实现工厂预制、现场组装的全装配式施工，施工周期短，综合效益高，具有广阔的工程应用前景。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似方式替代，这些也应视作本发明的保护范围。
尽管本文较多地使用了：1-纯钢塔筒、2-组合塔筒、3-单层钢板组合壳体、4-平钢板、5-混凝土、6-外端板、7-加劲板、8-内端板、9-螺栓、10-预应力筋、11-预埋钢管、12-波纹管、13-竖向钢筋、14-水平钢筋、15-横向短筋、16-吊点附加钢筋、17-锚具、18-法兰板等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明的精神相违背的。
Claims (5)
1.一种风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，涉及风力发电技术领域，其特征是：该体系包含纯钢塔筒(1)、组合塔筒(2)、单层钢板组合壳体(3)、平钢板(4)、混凝土(5)、外端板(6)、加劲板(7)、内端板(8)、螺栓(9)、预应力筋(10)、预埋钢管(11)、波纹管(12)、竖向钢筋(13)、水平钢筋(14)、横向短筋(15)、吊点附加钢筋(16)、锚具(17)、法兰板(18)；该体系上部为纯钢塔筒(1)，下部为组合塔筒(2)。
2.根据权利要求1所述的风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，其特征在于：组合塔筒(2)沿环向由6片单层钢板组合壳体(3)采用螺栓(9)连接拼装形成六边形筒体并沿竖向分段组装而成。
3.根据权利要求1所述的风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，其特征在于：单层钢板组合壳体(3)外侧为平钢板(4)，并在平钢板(4)边缘焊接外端板(6)、内端板(8)和加劲板(7)形成分段加劲区，并在外端板相应位置预留螺栓孔，以便通过螺栓(9)进行拼装形成组合塔筒(2)；单层钢板组合壳体(3)内侧为竖向钢筋(13)和水平钢筋(14)组成的钢筋网片，竖向钢筋(13)和水平钢筋(14)两端与外端板(6)或内端板(8)通过焊接连接；钢筋网片与平钢板(4)之间通过横向短筋(15)连接，横向短筋(15)与平钢板(4)之间焊接，另一端设置U形弯钩与钢筋网片相连；在单层钢板组合壳体(3)内三分点处预埋两道波纹管(12)，以便后期布置体内预应力筋(10)；在单层钢板组合壳体(3)内设置预埋钢管(11)，并在其周围呈“井”字形布置吊点附加钢筋(16)，以便现场施工时吊装；然后浇筑混凝土(5)形成单层钢板组合壳体(3)。
4.根据权利要求1所述的风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，其特征在于：纯钢塔筒(1)下部焊接法兰板(18)，并通过螺栓(9)与组合塔筒(2)进行连接，同时在组合塔筒(2)预埋的波纹管(12)内张拉预应力筋(10)，预应力筋(10)一端锚固于纯钢塔筒(1)底部法兰板(18)上，另外一端锚固于塔筒基础内。
5.根据权利要求1所述的风电机组体内预应力单层钢板-混凝土组合塔筒，其特征在于：组合塔筒(2)顶部的单层钢板组合壳体(3)的预应力筋(10)两侧设置两道竖向加劲板(7)，预应力筋(10)锚固处周围竖向钢筋(13)、水平钢筋(14)和横向短筋(15)加密，边缘加劲区向内移同时在螺栓孔处布置波纹管(12)。
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