CN111764732A - 一种预应力装配式混凝土发电塔 - Google Patents

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辛全明
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佘小康
杨迪
曹洋
褚晓川
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ZHONGJIAN DONGSHE ROCK AND SOIL ENGINEERING Co.,Ltd.
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Abstract

一种预应力装配式混凝土发电塔属于新能源发电技术领域，具体地是涉及一种预应力装配式混凝土发电塔。本发明可有效替代现有的钢制风电塔产品，利用预应力高性能混凝土技术，可有效降低产品截面尺寸、节省材料，耐久性好、使用寿命长、免维护，避免了噪音污染，更加环保。本发明包括预制塔杆、预制基础，其特征在于：所述预制塔杆为空心圆柱结构，所述预制塔杆的主体内部固定设置有主体配筋，所述预制塔杆的上端设置有上端头板，所述预制塔杆的下端设置有下端头板，所述预制塔杆下端与所述预制基础连接，所述预制塔杆上设置有至少一个缩颈，所述缩颈外部设置有抱箍，所述预制塔杆的主体和所述预制基础的主体均为混凝土结构。

Description

一种预应力装配式混凝土发电塔
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体地是涉及一种预应力装配式混凝土发电塔。
背景技术
在全球气候变暖、国家节能减排政策的背景下，作为减排温室气体和延缓气候变化的重要手段，风电和光伏发电成为新能源发展的重要趋势，是对国家火力发电、水利发电的重要补充，也是对国家经济发展和民生的重要保障，推动我国相关产业链的发展和技术进步，同时也将山区、滩涂、库区、农村等闲置土地利用起来，可将风电与光伏发电结合，不同高度的空间资源充分利用起来，提升了国土资源的利用率。
现有的钢制风电塔产品造价成本较高，同时耐久性一般，经常需要维护，并且运行过程中会因风电机组与塔身频率相近而产生的共振和噪音，产生噪音污染，因此需要一种成本低、耐久性好、免维护，并可以避免风电机组运行过程中因与塔身频率相近而产生噪音污染的更环保的发电塔。
发明内容
本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种预应力装配式混凝土发电塔；本发明可有效替代现有的钢制风电塔产品，节省材料，且混凝土构件宜预制加工、生产效率高，使用寿命长、免维护、安装便捷，避免了风电机组运行过程中因与塔身频率相近而产生的共振和噪音污染。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明提供一种预应力装配式混凝土发电塔，包括预制塔杆、预制基础，其特征在于：所述预制塔杆为空心圆柱结构，所述预制塔杆的主体内部固定设置有主体配筋，所述预制塔杆的上端设置有上端头板，所述预制塔杆的下端设置有下端头板，所述预制塔杆下端与所述预制基础连接，所述预制塔杆上设置有至少一个缩颈，所述缩颈外部设置有抱箍，所述预制塔杆的主体和所述预制基础的主体均为混凝土结构。
优选地，所述主体配筋包括至少两个预应力钢棒、至少两个非预应力筋和箍筋，所述预应力钢棒与所述非预应力筋均沿所述预制塔杆的轴向设置，所述预应力钢棒与所述非预应力筋同心同圆间隔交替分布，所述箍筋设置在所述预应力钢棒和所述非预应力筋的外部，沿所述预制塔杆环向螺旋分布，所述预应力钢棒的两端均设置有镦头。
优选地，所述上端头板为圆环结构，所述上端头板的外径与所述预制塔杆的外径相同，所述上端头板的内径小于所述预制塔杆的内径，所述上端头板设置有环向分布的钢棒上锚孔和环向分布的风电机组固定孔。
优选地，所述下端头板为圆环结构，所述下端头板的外径和内径分别与所述预制塔杆的外径和内径相同，所述下端头板设置有环向分布的钢棒下锚孔。
优选地，所述预制塔杆与所述预制基础连接通过法兰盘固定连接，所述法兰盘包括上翼缘、下翼缘和加强肋，所述下翼缘设置有至少六个翼缘螺栓孔，所述加强肋为每两个一组并沿所述法兰盘周边均匀对称分布。
进一步地，所述预制基础为立方体结构，内部设置有基础配筋，所述基础配筋为上下多层网状分布排列，所述预制基础设置有与所述翼缘螺栓孔相配合的预埋螺栓，所述预制基础的上部设置有吊钩，所述预制基础的内部设置有贯穿所述预制基础的预留孔道。
优选地，所述预制基础包括扩大基础、短柱、杯口和定位凸隼，所述扩大基础、所述短柱和所述杯口均为方形截面，所述定位凸隼与所述预制塔杆相配合，所述预制塔杆通过插入所述定位凸隼与所述预制基础连接，所述预制基础内部设置有基础受力筋，所述短柱和所述定位凸隼内部同时设置有贯穿所述预制基础的预留孔道。
优选地，所述缩颈的内径与所述预制塔杆内径相同，所述缩颈的外径小于所述预制塔杆的外径。
本发明的有益效果。
本发明可有效替代现有的钢制风电塔产品，利用预应力高性能混凝土技术，可有效降低产品截面尺寸、节省材料，且混凝土构件宜预制加工、生产效率高，同等产品可降低30%-50%的造价成本；混凝土构件具有耐久性好、使用寿命长、免维护特点，有效降低后期大量维护成本和资源，运行经济性好；作为装配式预制构件，具有安装便捷、快速投入使用的特点；且混凝土构件振动模态特性与钢制构件区别明显，避免了风电机组运行过程中因与塔身频率相近而产生的共振和噪音污染，更加环保。
附图说明
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明通过法兰式连接在工作中的整体装配图。
图2是本发明的预制塔杆横截剖面示意图。
图3是本发明的上端头板的示意图。
图4是本发明的上端头板沿A-A方向侧剖示意图。
图5是本发明的下端头板的示意图。
图6是本发明的下端头板沿B-B方向侧剖示意图。
图7是本发明预应力钢棒的示意图。
图8是本发明的法兰盘的上翼缘的示意图。
图9是本发明的法兰盘的下翼缘的示意图。
图10是本发明法兰式安装时的预制基础俯视图。
图11是本发明杯口直插式安装时的预制基础俯视图。
图12是本发明杯口直插式的底部安装示意图。
图13是本发明组合成的单光伏发电塔示意图。
图14是本发明组合成的单风力发电塔示意图。
图15是本发明组合成的单风力和光伏联合发电塔示意图。
图16是本发明组合成的两（多）塔组成光伏发电塔示意图。
图17是本发明组合成的两（多）塔组成光伏与风力联合发电塔示意图。
图中标记：1为预制塔杆、2为预制基础、3为上端头板、4为下端头板、5为缩颈、6为抱箍、7为预应力钢棒、8为非预应力筋、9为箍筋、10为镦头、11为钢棒上锚孔、12为风电机组固定孔、13为钢棒下锚孔、14为法兰盘、15为上翼缘、16为下翼缘、17为加强肋、18为翼缘螺栓孔、19为基础配筋、20为预埋螺栓、21为吊钩、22为预留孔道、23为扩大基础、24为短柱、25为杯口、26为定位凸隼、27为基础受力筋、28为风力发电机组、29为光伏横杆、30为光伏板、31为防护砂浆、32为素混凝土垫层、33为控制箱。
具体实施方式
结合附图所示，包括预制塔杆1、预制基础2，其特征在于：预制塔杆1为空心圆柱结构，预制塔杆1的主体内部固定设置有主体配筋，预制塔杆1的上端设置有上端头板3，预制塔杆1的下端设置有下端头板4，预制塔杆1下端与预制基础2连接，预制塔杆1上设置有两个缩颈5，缩颈5的内径与预制塔杆1内径相同，缩颈5的外径小于预制塔杆1的外径，缩颈5外部设置有抱箍6，预制塔杆1的主体和预制基础2的主体均为混凝土结构。
主体配筋包括至少两个预应力钢棒7、至少两个个非预应力筋8和箍筋9，预应力钢棒7与非预应力筋8均沿预制塔杆1的轴向设置，预应力钢棒7与非预应力筋8同心同圆间隔交替分布，箍筋9设置在预应力钢棒7和非预应力筋8的外部，沿预制塔杆1环向螺旋分布，预应力钢棒7的两端均设置有镦头10。
预应力钢棒7与非预应力筋8分布直径为Dp；箍筋9在前述两种钢筋组成的环形笼体外部沿预制塔杆1环向螺旋全长分布，螺距40-80mm。预应力钢棒7的两端制作镦头10，镦头10直径是预应力钢棒7直径的1.7-2.0倍，镦头10的厚度为预应力钢棒7直径的0.75-1.0倍。
预制塔杆1参数采用钢筋自动焊接、全自动泵送注浆、离心成型、高温高压养护等标准化、自动化工艺生产的预制构件，标准化、自动化生产能保障构件质量稳定可靠。
预制塔杆1的主体采用C80及以上高性能混凝土，并严格控制水灰比等相关参数，根据截面尺寸及长度预先计算混凝土用量，采用先进的布料泵送工艺，严格控制混凝土料在模具中的分布均匀性和数量偏差，布料时混凝土不外露，过程自动化控制，既环保又高效，且从根本上消除了合缝漏浆等常见质量缺陷。采用离心成型工艺，在强大的离心力作用下，混凝土的密实度得到提高，而人工搅拌、振捣混凝土工艺是难以实现的；成型后的构件经过180℃、10个大气压条件下的高温高压蒸压养护，并仅需静置10个小时，混凝土就可以达到设计强度的100%，极大提升了生产效率；为便于光伏发电设备的安装，在预制塔杆1主体的外表面的不同高度设置2-4个（根据发电塔的整体高度和光伏发电需求调整）L2长度的缩颈5，以防抱箍6滑落；预制塔杆1正常尺寸处的保护层厚度c不小于40mm，缩颈5处保护层厚度不小于35mm，且缩颈5处距地面以上不小于3.0m，缩颈5长度L2的范围在200-500mm；相邻两个缩颈5位置中心间距L1应满足太阳照射角α时上下光伏板30不相互遮挡的要求。对于腐蚀环境，可在混凝土中添加钢筋阻锈剂和抗硫酸根离子（SO4-2）、氯离子（Cl-1）的外加剂、矿物掺和料等抗腐蚀剂，并优化构件生产工艺，同时配合外部刷防腐涂层等手段，从而达到提高防腐性能的目地。
Figure 93047DEST_PATH_IMAGE001
。
其中，N为所处纬度，S为太阳直射纬度。
预制塔杆1构造特征参数包括外径D、内径d、长度L、缩颈5处外直径D1、纵向主筋（包括预应力钢棒7和非预应力筋8）分布直径Dp、保护层厚度c，混凝土抗压强度设计值fc、抗拉强度设计值ft、抗压强度标准值fck、抗拉强度标准值ftk、弹性模量Ec；预应力钢棒7抗拉强度设计值fpy、抗压强度f~py、抗拉强度标准值fptk、预应力钢棒7的弹性模量Es；非预应力筋8抗拉强度标准值fyk、设计值fy；
Figure 534393DEST_PATH_IMAGE003
为受压区混凝土面积与全截面面积之比；
Figure 459623DEST_PATH_IMAGE004
为受拉区纵向预应力筋与全部预应力筋面积之比；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为预应力筋合力点处砼法向应力等于零时的预应力筋应力；A为预制塔杆1横截面积；
Figure 480669DEST_PATH_IMAGE006
为与混凝土强度等级相关的修正系数；
Figure 542166DEST_PATH_IMAGE007
混凝土有效预压应力；
Figure 154413DEST_PATH_IMAGE008
为截面抵抗矩；t为预制塔杆1的壁厚；I为截面对中心轴的惯性矩；
Figure 566940DEST_PATH_IMAGE009
为截面对中心轴的面积矩；
Figure 63780DEST_PATH_IMAGE010
为混凝土抗拉强度变异性调整系数；AD为预制塔杆1外直径截面等效矩形截面积；Ad为预制塔杆1内孔截面等效矩形截面积；Asv为同一截面的箍筋9截面面积；S为螺旋箍筋9螺距。对预制塔杆1的性能应按以下公式进行计算，并满足发电机组的相关需求。
抗弯承载力设计值M：
Figure 573259DEST_PATH_IMAGE011
。
极限抗弯承载力Mu：
Figure 762932DEST_PATH_IMAGE012
。
正常使用开裂弯矩Mcr：
Figure 256230DEST_PATH_IMAGE013
Figure 822340DEST_PATH_IMAGE013
。
抗剪承载力设计值V（双重验算）：
Figure 327271DEST_PATH_IMAGE014
Figure 687845DEST_PATH_IMAGE015
。
抗剪承载力极限值
Figure 402860DEST_PATH_IMAGE016
（双重验算）：
Figure 366137DEST_PATH_IMAGE017
Figure 256733DEST_PATH_IMAGE018
。
上端头板3是圆环形截面的金属板构件，并且在圆环的同心圆分布两圈预留孔，分别为钢棒上锚孔11和风电机组固定孔12。上端头板3外径同预制塔杆1外直径D，且与预制塔杆1圆环同心；具有跟预应力钢棒7相同数量、角度位置的长条形钢棒上锚孔11，钢棒上锚孔11的分布直径同钢筋笼纵向筋的直径Dp；钢棒上锚孔11一端直径大，可穿过预应力钢棒7端部的镦头10，另一端直径小可锚住预应力钢棒7端部的镦头10，便于张拉时对预应力钢棒7施加预应力；上端头板3内径d1小于预制塔杆1内径d；预留一定数量的风电机组固定孔12，其分布直径dp根据机组固定孔角度和数量预留，且不小于四个，钢棒上锚孔11中心距上端头板3内边缘的净距不小于30mm，d1<dp<d；上端头板3的厚度为20-50mm。
下端头板4为圆环结构，下端头板4的外径和内径分别与预制塔杆1的外径D和内径d相同，下端头板4设置有环向分布的钢棒下锚孔13。
下端头板4除内径与预制塔杆1的内径相同，且除了不配置风电机组固定孔12外，其余特征与上端头板3相同。
预制塔杆1和预制基础2可以通过两种方式连接，分别为法兰式连接和杯口直插式连接。
（1）法兰式连接。
当使用法兰式连接时，法兰盘14是实现预制塔杆1与预制基础2相连接的构件，内直径同预制塔杆1外直径D，法兰盘14的外径Df是内径D的2.5-5倍；法兰盘14具有上翼缘15、下翼缘16和竖向的加强肋17；法兰盘14内壁厚度10-50mm，上翼缘15、下翼缘16的厚度10-30mm，加强肋17厚度取10-30mm；在下翼缘16预留螺栓孔，数量不宜少于六个，对称均匀分布，孔距不小于螺栓孔径的六倍；加强肋17沿法兰盘14周边均匀对称分布，数量与螺栓孔合理匹配且不少于4组，每组2块，呈30°夹角指向法兰盘14的圆心；法兰盘14与预制塔杆1在端板位置采用圆周满焊连接方式，焊接质量符合相关标准，法兰盘14的相关尺寸参数应根据发电设备的荷载水平、预制塔杆1尺寸等影响验算，加工过程中避免残余应力。法兰盘应采取必要的防腐措施（如涂层、不锈钢材料、特殊处理工艺等）。
此时的预制基础2采用钢筋混凝土预制结构。其构造包括基础配筋19、预埋螺栓20、吊钩21、预留孔道22。预留孔道22贯穿预制基础2用于穿过电线，预制基础2采用方形截面，边长为A，厚度（高度）为B，受力筋到基础边缘的距离为as。预埋螺栓20的数量和分布应与法兰盘14的下翼缘16螺栓孔的数量和分布一致；将预制塔杆1通过法兰盘14与预制基础2相连接固定。预制基础2的混凝土强度不低于C30，基础配筋19包括受力主筋和构造配筋，受力主筋采用HRB400级，构造配筋采用HPB300级，混凝土保护层厚度c不小于40mm。基础配筋19采用上下双层（多层）钢筋网的形式，主受力钢筋直径选用10-32mm，间距100-200mm。基础上下两层钢筋网通过梅花形布置的拉结筋连接。预制基础2底部应铺设100-150mm厚的不低于C10的素混凝土垫层32。
基础的尺寸A应满足如下要求：
Figure 257050DEST_PATH_IMAGE019
Figure 865886DEST_PATH_IMAGE020
。
其中，
Figure 632854DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 643535DEST_PATH_IMAGE023
为标准组合时基础底面边缘的最大和最小压力值，F为标准组合时发电机组、塔杆等上部结构的竖向力，G为基础和基础上部土体的自重；M为发电机组安装和风压等造成的对基础底面的标准组合力矩；fa为地基承载力特征值；W为基础底面的抵抗矩。
对于基础的厚度B应进行冲切破坏验算、受剪切承载力验算及局部受压承载力验算；对于基础的受力配筋应进行受弯承载力验算，且满足最小配筋率不低于0.15%。基础的埋置深度应满足地基承载力要求，同时考虑当地冻胀、湿陷性、膨胀土等不良地质特征，满足长期稳定运行要求。
有抗震设防要求的地区，对于预制塔杆1和预制基础2的尺寸、基础配筋19及力学性能，应进行抗震组合验算。
（2）杯口插入式连接。
采用杯口插入式的预制基础2，预制塔杆1底部不需要法兰盘14（其余配置均相同）。杯口插入式预制基础2包括底部的扩大基础23、中部的短柱24、上部的杯口25和杯内圆形的定位凸隼26，预制塔杆1通过插入凸隼与预制基础2连接，短柱24、突隼中预留贯穿预制基础2的预留孔道22。用于穿过电线；下部扩大基础23、短柱24和杯口25均采用方形截面，且短柱24和杯口25同一截面尺寸。杯口插入式预制基础2的混凝土强度不低于C30，下部扩大基础23底部配双向基础受力筋27，杯口25侧壁环向配竖向和水平的基础受力筋27，基础受力筋27采用HRB400级，直径选用10-32mm，间距100-200mm；混凝土保护层厚度c不小于40mm。基础底部应铺设100-150mm厚的不低于C10的混凝土垫层。
安装方法如下。
（1）法兰式连接安装方法。
在发电塔所在位置开挖地基到目标深度，铺设所需厚度的素混凝土垫层32，将预制基础2吊装到坑底并调平，将组装法兰盘14的预制塔杆1通过基础上的预埋螺栓20进行固定；将顶部风力发电机组28吊装到塔杆顶部并与上端头板3通过螺栓连接，相关电线穿过预制塔杆1内腔并从预制基础2内部的预留孔道22穿出；预制塔杆1的缩颈5处用抱箍6连接固定光伏横杆29，光伏板30固定在光伏横杆29上；光伏横杆29长度可根据场地情况调整，可单预制塔杆1塔与光伏横杆29组合，也可以多预制塔杆1与光伏横杆29组合。通过调节光伏板30的角度，实现光伏发电效率最大化，并合理设置竖向缩颈5间距，以避免相邻光伏板30相互遮挡光线；上部的风力发电机组28具有根据风向自动调节朝向功能，以实现发电效率的最大化。最下部的缩颈5处固定安装控制箱33，用于控制发电机组（广泛、风电）等，比如接通、断开等。
（2）杯口插入式安装方法。
除预制基础2的安装和预制塔杆1的连接外，其他安装与法兰式相同，预制基础2开挖到目标深度后，铺一层100-150mm厚的素混凝土垫层32，吊装预制基础2并调平，将预制塔杆1吊装到杯口25内对准杯内的定位凸隼26，在预制塔杆1与杯壁之间浇筑C40微膨胀细石混凝土封堵；在封堵混凝土达到75%强度之前应采取措施防止预制塔杆1倾倒；预制基础2的埋置深度应满足地基承载力要求，同时考虑当地冻胀、湿陷性、膨胀土等不良地质特征，满足长期稳定运行要求。
预制基础2回填前，将法兰盘14用不低于C10的防护砂浆31浇筑，并到达75%强度时才可回填压实。
本发明可以有多种组合方式：单光伏发电塔（图13）、单风力发电塔（图14）、单风力和光伏联合发电塔（图15）、两（多）塔组成光伏发电塔（图16）、两（多）塔组成光伏与风力联合发电塔（图17）。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预应力装配式混凝土发电塔，包括预制塔杆（1）、预制基础（2），其特征在于：所述预制塔杆（1）为空心圆柱结构，所述预制塔杆（1）的主体内部固定设置有主体配筋，所述预制塔杆（1）的上端设置有上端头板（3），所述预制塔杆（1）的下端设置有下端头板（3），所述预制塔杆下端（3）与所述预制基础（2）连接，所述预制塔杆（1）上设置有至少一个缩颈（5），所述缩颈（5）外部设置有抱箍（6），所述预制塔杆（1）的主体和所述预制基础（2）的主体均为混凝土结构。
2.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述主体配筋包括至少两个预应力钢棒（7）、至少两个非预应力筋（8）和箍筋（9），所述预应力钢棒（7）与所述非预应力筋（8）均沿所述预制塔杆（1）的轴向设置，所述预应力钢棒（7）与所述非预应力筋（8）同心同圆间隔交替分布，所述箍筋（9）设置在所述预应力钢棒（7）和所述非预应力筋（8）的外部，沿所述预制塔杆（1）环向螺旋分布，所述预应力钢棒（7）的两端均设置有镦头（10）。
3.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述上端头板（3）为圆环结构，所述上端头板（3）的外径与所述预制塔杆（1）的外径相同，所述上端头板（3）的内径小于所述预制塔杆（1）的内径，所述上端头板（3）设置有环向分布的钢棒上锚孔（11）和环向分布的风电机组固定孔（12）。
4.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述下端头板（4）为圆环结构，所述下端头板（4）的外径和内径分别与所述预制塔杆（1）的外径和内径相同，所述下端头板（4）设置有环向分布的钢棒下锚孔（13）。
5.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述预制塔杆（1）与所述预制基础（2）连接通过法兰盘（14）固定连接，所述法兰盘（14）包括上翼缘（15）、下翼缘（16）和加强肋（17），所述下翼缘（16）设置有至少六个翼缘螺栓孔（18），所述加强肋（17）为每两个一组并沿所述法兰盘（14）周边均匀对称分布。
6.根据权利要求5所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述预制基础（2）为立方体结构，内部设置有基础配筋（19），所述基础配筋（19）为上下多层网状分布排列，所述预制基础（2）设置有与所述翼缘螺栓孔（18）相配合的预埋螺栓（20），所述预制基础（2）的上部设置有吊钩（21），所述预制基础（2）的内部设置有贯穿所述预制基础的预留孔道（22）。
7.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述预制基础（2）包括扩大基础（23）、短柱（24）、杯口（25）和定位凸隼（26），所述扩大基础（23）、所述短柱（24）和所述杯口（25）均为方形截面，所述定位凸隼（26）与所述预制塔杆（1）相配合，所述预制塔杆（1）通过插入所述定位凸隼（26）与所述预制基础（2）连接，所述预制基础（2）内部设置有基础受力筋（27），所述短柱（24）和所述定位凸隼（26）内部同时设置有贯穿所述预制基础的预留孔道（22）。
8.根据权利要求1所述的一种预应力装配式混凝土发电塔，其特征在于：所述缩颈（5）的内径与所述预制塔杆（1）内径相同，所述缩颈（5）的外径小于所述预制塔杆（1）的外径。
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