CN113374646A - 一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔 - Google Patents

一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔，包括若干段相互拼接的弧形预制塔筒段分片，每片预制塔筒段分片均包括弧形板以及固定安装在弧形板上下两侧的轻钢钢管，轻钢钢管弧形端面上开设便于穿设预应力筋的应力孔，每块弧形板均包括曲型波纹钢板、设置在波纹钢板两侧的钢筋网以及浇筑在钢筋网外侧的混凝土，波纹钢板上开设有便于波纹钢板两侧混凝土相互流通的通孔；相邻的预制塔筒段分片之间固定安装有紧固装置，该预应力组合式风电塔筒段具备可以在现场对塔筒段进行组装浇筑的优点。

Description

一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔
技术领域
本发明涉及风电塔筒结构技术领域，涉及一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔，尤其涉及一种波纹钢骨型轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔。
背景技术
我国近几十年的社会发展迅猛，目前已成为世界GDP总量第二的国家。然而，高速发展的背后也藏有严重的环境污染问题，如温室效应、雾霾、酸雨等。如今，国际形势竞争激烈，全球化石能源储存已无法满足各国猛烈的发展需求，在这个时代的节点上，发展、利用清洁能源刻不容缓。近年来，风能以其绿色、环保、可持续的特点受到世界各国的大力开发。相比于其他能源，风能可无限再生，且储量丰富；除此，风能还具有分布广、易获得、成本低的特点。目前全球风能储备充足，风电产业装机量连年呈线性增长，我国风电产业装机量已位居世界前列。如今，为了进一步提升风能源利用率，风电机正朝着“功率大、塔架高、离岸远”的方向发展，这对新型风电塔的研发提出了更高的要求。
现有装配式预应力混凝土风电塔筒结构形式主要表现为：将若干预制塔筒段吊装，并通过各种方式在高度方向上布置预应力构件使其形成整体。然而，该形式中塔筒段为塔筒整体装配中的最小单位，对于尺寸较大的风电塔筒仍存在塔筒段预制、运输、施工不便的问题，尤其是在海上或者山上对塔筒进行装配时，固定尺寸的塔筒段不仅存在运输不便，同时在复杂地形下也不便于对其进行组装，尤其是在复杂环境中使用，不能够根据环境来设计塔筒的抗风能力和抗震以及抗剪能力，进而缩短了塔筒的使用寿命以及增加了维护和维修的成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段及其风电塔，具备可以在现场对塔筒段进行组装浇筑等优点，解决了固定尺寸的塔筒段不仅存在运输不便，同时在复杂地形下也不便于对其进行组装，尤其是在复杂环境中使用，不能够根据环境来设计塔筒的抗风能力和抗震以及抗剪能力的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，包括若干段相互拼接的弧形预制塔筒段分片，每片预制塔筒段分片均包括弧形板以及固定安装在弧形板上下两侧的轻钢钢管，轻钢钢管弧形端面上开设便于穿设预应力筋的应力孔，每块弧形板均包括曲型波纹钢板、设置在波纹钢板两侧的钢筋网以及浇筑在钢筋网外侧的混凝土，波纹钢板上开设有便于波纹钢板两侧混凝土相互流通的通孔；相邻的预制塔筒段分片之间固定安装有紧固装置。
有益效果：轻钢钢管上开设应力孔，风电塔筒段组装时通过在应力孔内插入合适的预应力筋实现风电塔筒段的纵向拼接，提升塔筒强度且抗疲劳；预制塔筒段分片中的弧形板采用带通孔波纹钢板、钢筋网以及混凝土浇筑的方式进行组装，波纹钢板上开设通孔，便于混凝土浇筑时相互流通，有利于与混凝土的协同工作，提升塔筒的抗剪性能，且也能减少弧形板的重量，方便运输、安装，节能环保且节约制造成本，减小地震作用不利影响；钢筋网的设计能够使得波纹钢板与混凝土更好的粘合。整个组装后的风电塔筒力学性能更加出色，强度和延性也好。
进一步，紧固装置包括分别位于预制塔筒段分片内侧和外侧的内钢模板与外钢模板，外钢模板上固定安装有贯穿内钢模板的螺杆，螺杆上螺纹连接有螺帽。有益效果：内钢模板、外钢模板、螺杆、螺帽的配合便于简单快捷的将预制塔筒段分片组装。
进一步，外钢板模、内钢模板面向预制塔筒段分片的一侧均固定连接有固定杆，轻钢钢管上开设有与固定杆相互适配的固定孔，固定杆的外表面开设有内置槽，内置槽的内部转动连接有卡板，内置槽的内部固定连接有弹簧，弹簧另一端固定连接在卡板上。有益效果：固定杆、卡板、弹簧的配合进一步有助于外钢板模、内钢模板与预制塔筒段分片的组装，实现外钢板模、内钢模板与轻钢钢管之间的固定锁紧，提高风电塔筒段浇筑时的安全，避免外钢板模与预制塔筒段分片脱离，进而保证浇筑效果。
进一步，卡板倾斜设置。有益效果：倾斜状的卡板便于外钢板模、内钢模板与预制塔筒段分片的组装。
进一步，预制塔筒段分片端面为半圆环形、1/3环形或者1/4环形。有益效果：半圆环形、1/3环形或者1/4环形的预制塔筒段分片更加有助于预制塔筒段分片中各部件的运输、吊装。
一种基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，从下到上依次包括相互装配的混凝土基础、下部钢塔筒、若干组相互装配的上述预应力组合式风电塔筒段、上部钢塔筒以及带叶片的机舱。有益效果：下部钢塔筒的设计方便连接预应力组合式风电塔筒段与混凝土基础，同时其内部空间方便预应力锚固操作。
进一步，若干组纵向相互装配的预应力组合式风电塔筒段通过预应力筋纵向连接，混凝土基础上预埋有预埋螺栓，下部钢塔筒上下两端面上均开设有螺栓孔，下部钢塔筒下端面螺栓孔与预埋螺栓相互装配后通过相适配的螺帽进行固定，下部钢塔筒上端面螺栓孔与穿出预应力组合式风电塔筒段最下层单元的预应力筋相互装配后通过相适配的螺帽进行固定。有益效果：通过在混凝土基础上预埋螺栓，相对于直接将预应力筋下端固定至混凝土基础的方式，更加便于下部钢塔筒与混凝土基础的装配。
进一步，下部钢塔筒的内部固定连接有加强肋板。有益效果：加强肋板起到提高下部钢塔筒支撑强度的作用。
进一步，上部钢塔筒下端面开设有螺栓孔，上部钢塔筒下端面螺栓孔与穿出预应力组合式风电塔筒段最上层单元的预应力筋相互装配后通过相适配的螺帽进行固定。
进一步，上部钢塔筒上端通过法兰与机舱连接。
本发明的有益效果在于：
1、该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，组合式风电塔筒段由轻钢钢管、波纹钢板、钢筋网以及混凝土组成，各组装部件运输至现场组装后现场浇筑成型，制造成本以及运输成本都得到了降低，同时也使得组合式风电塔筒段在吊装以及安装时更加方便快捷；通过设置的预应力筋纵向组装预制组合式风电塔筒段，提高组合式风电塔筒段的预应力拉伸，使其力学性能更加出色，同时提高组合式风电塔筒段的强度以及延性，提高其使用过程中的安全性以及稳定性，同时提高其抗风以及抗震的性能。
2、该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，组合式风电塔筒段内部的波纹钢板本身具有的稳定性好，防屈曲性，在波纹钢板上开设圆孔有利于与混凝土的协同工作，提升塔筒抗剪性能，同时钢筋网可使混凝土与波纹钢板更好的粘合，避免混凝土发生脱落的现象，保证塔筒在使用中的稳定性以及牢固性和安全性。
3、该基于该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，下部钢塔筒与混凝土基础上预埋的预埋螺栓螺纹连接，能够方便的连接组合式风电塔筒段与混凝土基础，同时其内部空间方便预应力锚固操作，且各部件自重轻，方便运输、安装，节约劳动力，减小地震作用的不利影响，施工速度快抗震性能好，降低制造成本，也节省运输和组装时的成本。
4、该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，外钢模板与内钢模板使组合式风电塔筒段在进行组装浇筑时更加稳定以及牢固，实现在现场进行浇筑，同时可以不对外钢模板以及内钢模板进行拆卸，提高施工效率；并且通过设置的外钢模板以及内钢模板，使得组合式风电塔筒段的整体强度再次加强，提高其整体强度以及牢固性，进而使其在进行使用时更加稳定，提高其抗风抗震的能力。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔结构示意图；
图2为本发明中预制塔筒段分片结构示意图；
图3为本发明实施例一中预制塔筒段分片装配后结构示意图；
图4为本发明实施例一中四组风电塔筒段通过预应力筋装配图；
图5为本发明实施例二中紧固装置结构示意图；
图6为本发明实施例二中固定杆内部结构示意图；
图7为本发明中下部钢塔筒结构示意图；
图8为本发明实施例三中预制塔筒段分片装配后结构示意图。
附图标记：1混凝土基础、2下部钢塔筒、201螺栓孔、202加强肋板、3预埋螺栓、4预制塔筒段分片、401钢筋网、402轻钢钢管、403预应力筋、404应力孔、405波纹钢板、406混凝土、5上部钢塔筒、6机舱、7叶片、8外钢模板、801螺杆、802内钢模板、803螺帽、804固定杆、805卡板、806内置槽、807弹簧。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1～4所示一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，包括若干段相互拼接的弧形预制塔筒段分片，预制塔筒段分片端面可以为半圆环形，也可以为1/3环形或者1/4环形，本实施例以半圆环形为例，每片预制塔筒段分片4均包括弧形板以及通过焊接方式固定安装在弧形板上下两侧的轻钢钢管402，轻钢钢管402的端面成正方形，且轻钢钢管402弧形端面上开设便于穿设预应力筋403的应力孔404，每块弧形板均包括曲型波纹钢板405、设置在波纹钢板405两侧的钢筋网401以及浇筑在钢筋网401外侧的混凝土406，波纹钢板405上开设有便于波纹钢板405两侧相互流通的通孔，同时开设通孔的波纹钢板405也便于减轻整个预制塔筒段分片的重量，具有轻质环保的效果。波纹钢板405以及两侧的钢筋网401均伸出所属预制塔筒段分片4两自由端，便于与相邻的预制塔筒段分片4进行装配组装。
相邻的预制塔筒段分片4之间固定安装有紧固装置，紧固装置包括分别位于预制塔筒段分片4内侧和外侧的内钢模板802与外钢模板8，外钢模板8上通过焊接方式固定安装有贯穿内钢模板802的螺杆801，螺杆801上螺纹连接有螺帽803，螺杆801与螺帽803的配合便于调节内钢模板802与外钢模板8的夹紧程度。相邻预制塔筒段分片4通过相互配合的波纹钢板405以及钢筋网401装配好后，将带螺杆801的外钢模板8依次穿出波纹钢板405、钢筋网401后套装内钢模板802，然后通过螺帽803紧固内钢模板802，完成预制组合式风电塔筒段的组装，最后将内钢模板802与外钢模板8之间的缝隙通过混凝土浇筑的方式进行填充固定。
每片预制塔筒段分片4为现场浇筑成型，只需要运输轻钢钢管402、钢筋网401以及预应力筋403等配件，降低了制造成本以及运输成本，预制塔筒段分片4相互组装浇筑为预制组合式风电塔筒段单元后，通过在上下相对应预制组合式风电塔筒段单元的应力孔404内插入合适的预应力筋403，能够完成上下相对应预制组合式风电塔筒段单元的装配，通过预应力筋403将其纵向连接为整体，使其预制组合式风电塔筒段装配更加方便快捷。通过设置的预应力筋403，提高了预制组合式风电塔筒段单元的预应力拉伸，以及使其力学性能更加出色，提高装配后预制组合式风电塔筒段的强度以及延展性能，提高其使用过程中的安全性以及稳定性，同时提高其抗风以及抗震的能力。
如图1所示一种基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，从下到上依次包括相互装配的混凝土基础1、下部钢塔筒2、若干组相互装配的预应力组合式风电塔筒段、上部钢塔筒5以及机舱6，机舱6上设置叶片7，机舱6与叶片7均为现有结构在此不做过多赘述。
若干组纵向相互装配的预应力组合式风电塔筒段通过预应力筋403进行纵向连接，混凝土基础1上预埋有预埋螺栓3，下部钢塔筒2上下两端面上均开设有螺栓孔201，下部钢塔筒2下端面螺栓孔201与预埋螺栓3相互装配后通过相适配的螺帽进行固定，下部钢塔筒2上端面螺栓孔201与穿出预应力组合式风电塔筒段最下层单元的预应力筋403相互装配后通过相适配的螺帽进行固定，下部钢塔筒2的内部固定连接有加强肋板202，通过在下部钢塔筒2的内部设置加强肋板202，加大下部钢塔筒2的承重能力，提高其在使用中的稳定性以及牢固性。同理上部钢塔筒5下端面开设有螺栓孔，上部钢塔筒5下端面螺栓孔与穿出预应力组合式风电塔筒段最上层单元的预应力筋403相互装配后通过相适配的螺帽进行固定，上部钢塔筒5上端通过法兰与机舱6连接。
该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段在装配时，包括以下步骤：
S1、预制塔筒段分片；将开设有圆孔的波纹钢板405两侧分别放置钢筋网401，在钢筋网401外表面浇筑混凝土406后制备弧形板，将弧形板焊接固定在两根轻钢钢管402之间；
S2、组装预制塔筒段分片；相邻预制塔筒段分片4通过相互配合的波纹钢板405以及钢筋网401穿插装配，将带螺杆801的外钢模板804依次穿出波纹钢板405、钢筋网401后套装内钢模板802，通过螺帽803紧固内钢模板802，完成预制组合式风电塔筒段的组装，将内钢模板802与外钢模板804之间的缝隙通过混凝土浇筑的方式进行填充固定；
S3、组装预制组合式风电塔筒段；在上下相对应预制组合式风电塔筒段单元的应力孔404内插入合适的预应力筋403，预应力筋403下部自由端与混凝土基座1上固定的下部钢塔筒2固定连接，预应力筋403上部自由端与机舱6上固定安装的上部钢塔筒5固定连接。
实施例二
如图1～7所示一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，实施例三与实施例一的区别在于，外钢板模8、内钢模板802面向预制塔筒段分片4的一侧均固定连接有固定杆804，轻钢钢管402上开设有与固定杆804相互适配的固定孔，固定杆804的外表面开设有内置槽806，内置槽806的内部转动连接有卡板805，内置槽806的内部固定连接有弹簧807，弹簧807不与内置槽806接触的一端固定连接在卡板805上，卡板805为倾斜设置，当外钢板模8与预制塔筒段分片4进行固定时，固定杆804插入轻钢钢管402所开设的固定孔的内部，此时卡板805受力缩入内置槽806的内部，由于轻钢钢管402的内部为中空结构，当固定杆804完全没入轻钢钢管402的内部时，卡板805不在受力，弹簧807释放推力将卡板805弹出，使得卡板805与轻钢钢管402的内壁接触，实现外钢板模8、内钢模板802与轻钢钢管402之间的固定以及锁死，进而提高浇筑时的安全，避免外钢板模8与预制塔筒段分片4脱离，进而保证浇筑效果。
该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段在装配时，包括以下步骤：
S1、预制塔筒段分片；将开设有圆孔的波纹钢板405两侧分别放置钢筋网401，在钢筋网401外表面浇筑混凝土406后制备弧形板，将弧形板焊接固定在两根轻钢钢管402之间；
S2、组装预制塔筒段分片；相邻预制塔筒段分片4通过相互配合的波纹钢板405以及钢筋网401穿插装配，将带螺杆801的外钢模板804依次穿出波纹钢板405、钢筋网401后套装内钢模板802，通过螺帽803紧固内钢模板802，同时固定杆804插入轻钢钢管402所开设的固定孔内部，卡板805受力缩入内置槽806的内部，当固定杆804完全没入轻钢钢管402的内部时，卡板805不在受力，弹簧807释放推力将卡板805弹出，使得卡板805与轻钢钢管402的内壁接触，实现对外钢板模8与轻钢钢管402之间的固定以及锁死，完成预制组合式风电塔筒段的组装，将内钢模板802与外钢模板804之间的缝隙通过混凝土浇筑的方式进行填充固定；
S3、组装预制组合式风电塔筒段；在上下相对应预制组合式风电塔筒段单元的应力孔404内插入合适的预应力筋403，预应力筋403下部自由端与混凝土基座1上固定的下部钢塔筒2固定连接，预应力筋403上部自由端与机舱6上固定安装的上部钢塔筒5固定连接。
实施例三
如图8所示一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，实施例三与实施例一的区别在于，预制塔筒段分片端面为1/4环形。相邻的预制塔筒段分片相互搭接后通过外钢模板、内钢模板与螺帽、螺杆的配合进行固定连接。该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的装配方法与实施例一相同。
实施例四
如图8所示一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，实施例四与实施例二的区别在于，预制塔筒段分片端面为1/4环形。相邻的预制塔筒段分片相互搭接后通过外钢模板、内钢模板与螺帽、螺杆的配合进行固定连接。该轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的装配方法与实施例二相同。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，其特征在于：包括若干段相互拼接的弧形预制塔筒段分片(4)，每片预制塔筒段分片(4)均包括弧形板以及固定安装在弧形板上下两侧的轻钢钢管(402)，轻钢钢管(402)弧形端面上开设便于穿设预应力筋(403)的应力孔(404)，每块弧形板均包括曲型波纹钢板(405)、设置在波纹钢板(405)两侧的钢筋网(401)以及浇筑在钢筋网(401)外侧的混凝土(406)，波纹钢板(405)上开设有便于波纹钢板(405)两侧混凝土相互流通的通孔；相邻的预制塔筒段分片(4)之间固定安装有紧固装置。
2.根据权利要求1所述的轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，其特征在于：所述紧固装置包括分别位于预制塔筒段分片(4)内侧和外侧的内钢模板(802)与外钢模板(8)，外钢模板(8)上固定安装有贯穿内钢模板(802)的螺杆(801)，螺杆(801)上螺纹连接有螺帽(803)。
3.根据权利要求2所述的轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，其特征在于：所述外钢板模(8)、内钢模板(802)面向预制塔筒段分片(4)的一侧均固定连接有固定杆(804)，轻钢钢管(402)上开设有与固定杆(804)相互适配的固定孔，固定杆(804)的外表面开设有内置槽(806)，内置槽(806)的内部转动连接有上下两块卡板(805)，内置槽(806)的内部固定连接有弹簧(807)，弹簧(807)另一端固定连接在卡板(805)上。
4.根据权利要求1所述的轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，其特征在于：所述卡板(805)倾斜设置。
5.根据权利要求1所述的轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段，其特征在于：所述预制塔筒段分片(4)端面为半圆环形、1/3环形或者1/4环形。
6.一种基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，其特征在于：从下到上依次包括相互装配的混凝土基础(1)、下部钢塔筒(2)、若干组相互装配的上述权利要求1～5任一所述预应力组合式风电塔筒段、上部钢塔筒(5)以及带叶片(7)的机舱(6)。
7.根据权利要求6所述基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，其特征在于：若干组纵向相互装配的预应力组合式风电塔筒段通过预应力筋(403)纵向连接，混凝土基础(1)上预埋有预埋螺栓(3)，下部钢塔筒(2)上下两端面上均开设有螺栓孔(201)，下部钢塔筒(2)下端面螺栓孔(201)与预埋螺栓(3)相互装配后通过相适配的螺帽进行固定，下部钢塔筒(2)上端面螺栓孔(201)与穿出预应力组合式风电塔筒段最下层单元的预应力筋(403)相互装配后通过相适配的螺帽进行固定。
8.根据权利要求6所述基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，其特征在于：所述下部钢塔筒(2)的内部固定连接有加强肋板(202)。
9.根据权利要求6所述基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，其特征在于：所述上部钢塔筒(5)下端面开设有螺栓孔，上部钢塔筒(5)下端面螺栓孔与穿出预应力组合式风电塔筒段最上层单元的预应力筋(403)相互装配后通过相适配的螺帽进行固定。
10.根据权利要求6所述基于轻钢混凝土预应力组合式风电塔筒段的风电塔，其特征在于：所述上部钢塔筒(5)上端通过法兰与机舱(6)连接。
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