CN113982845A - 一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构 - Google Patents

一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构，风机塔筒的底部坐落固定在下环梁上，由下环梁承载超高纯钢塔筒结构的重量，并将塔筒结构的重量分摊给钢管基桩围成锥台形空间进行承重，通过增加锥台形空间的尺寸加强竖向结构的稳定性，同时减少使用的材料量，下环梁通过钢管基桩与上环梁连为一体，上环梁从风机塔筒内部或外部对其进行周向支撑，避免风机塔筒上部风机在风力作用下使风机塔筒下部屈服变形。构造简洁，大大方便了构件的安装，结构更安全可靠、减少了钢材用量、降低了工程造价，方便了构件的运输，缩短工期。下方钢管基桩可外挂太阳能板，实现风电和太阳能发电一体化，节约用地空间。

Description

一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构
技术领域
本发明专利涉及风机塔筒过渡段基础领域，具体的说是涉及风机塔筒与钢管基桩在过渡段中的连接结构。
背景技术
如图17给出了不同风切变条件下，风速变化随高度的变化情况，可以看出，在高切变条件下，随着高度的增加，风速的提升非常明显，也就是说，在风切变较大的地区，可以通过增加塔架高度，捕获更多的风能，从而更加有效地提高机组的发电量，提升机组的经济指标。然而根据刘贻雄等人的论文《大型风力机塔筒结构动力学与稳定性分析》的结论，塔筒高耸化时，屈曲是结构的主要破坏形式，屈曲强度会随壳直径与厚度的比的增加急剧下降，随壳高度与直径的比的增加稍许下降，塔筒最可能发生屈曲失稳的部位为底段，轴压载荷下屈曲失效主要有可能发生在最底端塔筒的顶部法兰连接处。
目前，我国风力发电机组塔架结构，当高度为100m以内时，主要采用纯钢筒塔结构；根据新型钢管混凝土塔筒结构设计，上部塔筒与下部钢管混凝土柱的连接节点至关重要。第一方面，当高度达到100米以上时，高度的增加导致了塔架整体刚度减小，因纯钢筒结构太柔，使塔顶侧向位移偏大，会存在叶轮碰撞塔筒的风险，会影响风机结构发电，例如塔筒底段半径为2.5m时，塔顶风机重500吨，塔筒顶部直径4.4米，塔筒高162.5米，塔筒采用的钢材的弹性模量为2.1×1011pa，泊松比为0.3，钢材密度为7800kg/m3，塔顶受到三个方向的荷载分别为Fx＝1000吨，Fy＝1000吨，Fz＝-1000吨时。使用有限元分析软件ABAQUS模拟计算可知塔筒整体结构顶部的侧向位移会达到5.01米，塔顶侧向位移过大，塔筒自有频率0.108Hz。这种超柔性塔架对风场的风频分布以及风力机控制要求较高，当风力机运行至共振区域附近时，需要控制系统快速穿越共振区域，而风速的随机性给风力机控制带来了很大挑战，这也是超柔性塔架应用较少的原因，为了提高塔架刚性，一般的做法是增加塔底截面尺寸或增加塔架的壁厚，而塔底直径受道路运输限宽等因素限制很难增大，在风力机机头的同等载荷下以及塔底直径不变的情况下，塔架重量的增加与塔架高度的增加近似成二次方的关系，这意味着同时增肌塔架高度和塔底截面尺寸、塔架壁厚给塔架的造价带来了大幅提高，第二方面，从经济上看高耸且大塔底截面并增加壁厚导致造价难以承受。
此外风力发电机组除受风、地震和波浪荷载外，风轮自身也处于运动状态中，在风力机运行过程中，湍流及阵风扰动、尾流、风切变、偏航回转，塔影效应等均会引发塔筒振动。当风力机塔架的自振频率与环境荷载或叶轮旋转的谐波频率相重合时，会产生共振，较大的振动将降低风力发电机组性能，导致停机而降低发电效率，为避免出现共振，在设计过程中，如图18，塔筒基频往往会远离叶轮旋转频率(1f)、过桨频率(3f)以及主要的环境荷载频率。传统刚性塔架的设计原则是，为避免出现共振，应按照国家标准GB/T19072-2011，保证塔在运行条件下的固有频率介于转子转频的10％和小于叶片通过频率10％的范围内。第三方面，增加塔筒高度(导致塔架刚度减小)，导致塔架的一阶固有频率下降后与机组风轮旋转一阶频率交叉，致使塔架出现共振现象。
因此，在风机塔筒设计上，本领域的用户期望，塔筒增高来提高机组的发电量，但同时避免增加截面尺寸，降低减少成本，还要具有足够刚度，避免塔顶侧向偏移过大影响安全，且满足风机对塔筒整体结构的一阶固有频率介于风轮转速1阶频率和3阶频率之间的要求。设计宗旨上相互矛盾，给本领域技术人员提出巨大挑战。同时目前，工程上100m高度以上风机塔筒通常采用的是混凝土+纯钢筒和纯预制混凝土筒结构，该类结构形式存在工程量大，吊装困难，施工周期长，成本高、结构可靠性差等缺点。为了不增加塔筒的高度和截面而增加塔架高度，避免塔筒底段屈曲，已公布的风机塔筒过渡段结构中(CN104110039B、CN204608823U)，是将塔筒嵌入过渡段中，钢管桩内的预应力锚索与过渡段进行锚固，这样做可以通过过渡段将风机塔筒的荷载传递到桩基础上，然而钢管桩与塔筒无连接关系，一方面这导致塔筒底段与桩基础连接部位应力集中，而且过渡段为混凝土材质，抗拉强度低，在长期动作荷载作用下，容易产生疲劳裂缝，降低结构强度；另一方面混凝土的过渡段与风机塔筒的钢结构之间刚度差异很大，变形难以协调，在长期动力荷载作用下，二者之间的结合面容易剥离；第三方面塔筒嵌入过渡段中的方案只是在不增加塔筒高度和截面的情况下，增加钢管桩的高度和截面，从而增加塔架高度，提高发电量，但由于过渡段的高度不能大幅增加，因此过渡段对塔筒刚度影响微弱，该塔筒顶端仍存在侧向偏移大，叶轮有可能撞击过渡段。
发明内容
针对上述问题，本发明专利目的在于提供一种结构性能可靠、钢材使用量少、工程造价低，施工运输方便，整体刚度大，频率可调，抗压性能好、联接可靠的新型风机塔架结构。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构，包括多根围绕圆周均匀布置的钢管基桩围成锥台形空间，包含了相互隔开的上环梁和下环梁的过渡段被所有钢管基桩支撑在锥台形空间上端，锥台形空间的底面直径大于过渡段的直径，过渡段连接风机塔筒的底部，所述上环梁和下环梁具有贯通上下端面的中心通道，所述上环梁和下环梁均开设有贯穿上下端面的通孔，其中设于下环梁中的通孔的数量与钢管基桩的数量对应，设于上环梁中的通孔的数量与钢管基桩的数量之比为1：2或1：1所述钢管基桩的上端依次穿过下环梁和上环梁的该通孔，钢管基桩的数量不小于3，钢管基桩的下端嵌入到地基承台中，地基承台下设若干桩基；支撑柱设于所述下环梁和上环梁之间将两者隔开，支撑柱围绕下环梁和上环梁的中心通道沿圆周均匀布置，风机塔筒的下端从上环梁的中心通道穿过后与下环梁连接固定，或上环梁承插在风机塔筒的下端内周，且风机塔筒的下端与下环梁的连接固定。
有利地，风机塔筒的底部坐落固定在下环梁上，由下环梁承载超高而直径较低的纯钢塔筒结构的重量，并将塔筒结构的重量分摊给钢管基桩围成锥台形空间进行承重，通过增加锥台形空间的尺寸加强竖向结构的稳定性，能避免通过增加塔筒截面尺寸提高塔筒屈曲强度，因此减少使用的材料量，下环梁通过钢管基桩与上环梁连为一体，上环梁从风机塔筒内部或外部对其进行周向支撑，避免风机塔筒上部风机在风力作用下使风机塔筒下部屈服变形。同时可以通过增加上下环梁之间的间隔距离，或在上环梁之上多增加基层环梁，同时提高塔筒的刚度和可控的提高自振频率，减小塔筒顶端侧向位移，同时这种调节刚度的方式中，多层环梁为零散件，便于安装运输，提升材料利用效率，塔筒更高时相对的钢用量更少，钢管基桩的布置方式大量节省了基础混凝土方量和钢筋量。
优选地，所述风机塔筒的下端从上环梁的中心通道穿过后与下环梁连接固定，所述风机塔筒的下端外周或内周设有第一支撑结构，第一支撑结构坐落在下环梁上并通过紧固件连接，所述风机塔筒外周靠近上环梁上下端面处固定有第二支撑结构，第二支撑结构与上环梁通过紧固件连接。
优选地，所述上环梁承插在风机塔筒的下端内周，且风机塔筒的下端与下环梁的连接固定，所述风机塔筒的下端外周或内周设有第一支撑结构，第一支撑结构坐落在下环梁上并通过紧固件连接，所述风机塔筒内周靠近上环梁上下端面处固定有第二支撑结构，第二支撑结构与上环梁通过紧固件连接。
有利地，下环梁上的直径与风机塔筒的直径接近，从而风机塔筒上端安装的风机的叶片增加长度到与风机塔筒等长时，也不至于被下环梁阻挡。
优选地，所述风机塔筒包括内层风机塔筒和外层风机塔筒，内层风机塔筒的下端从上环梁的中心通道穿过后与下环梁连接固定，所述内层风机塔筒的下端外周或内周设有第一支撑结构，第一支撑结构坐落在下环梁上并通过紧固件连接，所述内层风机塔筒外周靠近上环梁上下端面处固定有第二支撑结构，第二支撑结构与上环梁通过紧固件连接；
所述上环梁承插在外层风机塔筒的下端内周，且外层风机塔筒的下端与下环梁的连接固定，所述外层风机塔筒的下端外周或内周设有第一支撑结构，第一支撑结构坐落在下环梁上并通过紧固件连接，所述外层风机塔筒内周靠近上环梁上下端面处固定有第二支撑结构，第二支撑结构与上环梁通过紧固件连接；
内层风机塔筒和外层风机塔筒之间通过钢结构连接。
有利地，下环梁上的直径与风机塔筒的直径接近，从而风机塔筒上端安装的风机的叶片增加长度到与风机塔筒等长时，也不至于被下环梁阻挡。且风机塔筒由内层风机塔筒和外层风机塔筒组成后，内层风机塔筒在内部支撑外层风机塔筒，进一步避免风机塔筒上部风机在风力作用下使风机塔筒下部屈服变形，增强风机塔筒底部的抗弯强度，内层风机塔筒的高度可以仅控制在风机塔筒总高度的一小部分，内层风机塔筒与上环梁连成一体，充当了上环梁的延伸部。
优选地，所述上环梁、下环梁、支撑柱由钢壳包裹，钢壳内预置有钢结构支撑，或预置有钢筋骨架、钢筋笼并浇筑混凝土。
优选地，所述钢壳内的钢结构支撑包括若干设有通孔的水平套板，钢管混凝土柱穿过水平套板并被套紧，水平套板间由竖向支撑连接板支撑。
有利地，上环梁、下环梁不浇筑混凝土而仅在内部设置钢结构支撑时，能减轻过渡段的重量。
优选地，所述上环梁和下环梁之间还设有多层被支撑柱和钢管基桩穿过的环梁。
优选地，每条所述钢管基桩包含若干段钢管混凝土管，相邻两段钢管混凝土管之间均通过法兰连接固定，并在连接处内周沿环向内置钢筋。
有利地，钢管基桩分为数段有利于安装和运输。
优选地，所述钢管基桩的上下端设置锚固板，所述钢管基桩内分散设置多组预应力锚索，每组预应力锚索的上端通过锚固板锚固于上环梁顶部，每组预应力锚索的下端通过锚固板与钢管基桩下端固定连接，预应力锚索外包套管，所述钢管基桩为钢管混凝土结构或空心钢管结构，若为钢管混凝土结构，则钢管基桩与套管之间还浇筑混凝土；若为空心钢管结构，则钢管基桩与套管之间设置钢筋或型钢加固。
优选地，所述钢管基桩每两根组成一组，组数不小于3，并按以下方式布置在下环梁下：每组钢管基桩的上端穿过下环梁上端和上环梁的通孔后相互靠近，或每组钢管基桩的上端穿过下环梁上端后在上环梁的通孔中相互靠拢，而每组钢管基桩下端相互远离并与相邻的另一组钢管基桩中邻近的钢管基桩的下端一起连接到地基承台中，地基承台下设若干桩基。
优选地，所述钢管基桩下部之间通过若干根水平拉梁或K/X型支撑体系相连。
优选地，所述钢管基桩上端直径较上环梁下部的钢管基桩的直径扩大。
有利地，钢管基桩上端直径较上环梁下部的钢管基桩的直径扩大避免了上环梁被拔出。
优选地，所述风机塔筒替换为钢管混凝土桁架或钢桁架。
优选地，由所述过渡段下方环向布置的钢管基桩围成锥形面，所述锥形面设置若干钢肋板或钢筋焊点，并铺挂太阳能板。
本发明所述的风机塔筒结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将每条所述钢管基桩所用到的钢管按1m～100m一段的标准分成多段，并在每段钢管端部均焊接上法兰及钢牛腿；
(2)制作所述过渡段的上环梁和下环梁的钢壳，在上环梁和下环梁的钢壳内焊接形成钢结构支撑或钢筋骨架，钢壳上下端开设所述通孔，在下环梁的钢壳上侧沿中心通道竖立空心的支撑柱；
(3)完成每条钢管基桩相应的钢管段的混凝土灌注及养护操作，形成包括所述套管的空心管状结构；
(4)先分别将每条钢管基桩最顶端的钢管段分别预安装在上环梁内，使钢管基桩穿过所述的通孔，钢管基桩的下一段安装在下环梁中穿过所述的通孔；
(5)在地面沿环向进行桩基和地基承台的施工，接着再将每条钢管基桩5的其余钢管混凝土管段通过法兰及高强螺栓自地基承台起，由下至上依次连接固定，吊装安装下环梁，每段钢管基桩通过法兰或焊接方式相连；
(6)当上环梁内径不大于风机塔筒外径时，将上环梁安装到风机塔筒的下端内周，包括将上环梁与设置在风机塔筒内周的第二支撑结构通过紧固件紧固连接，将上环梁和风机塔筒一起吊装安装在下环梁的上方，将风机塔筒内周或外周的第二支撑结构与下环梁通过紧固件紧固连接；
或当上环梁内径不小于风机塔筒外径时，将上环梁安装到风机塔筒的下端外周，包括将上环梁与设置在风机塔筒外周的第二支撑结构通过紧固件紧固连接，将上环梁和风机塔筒一起吊装安装在下环梁的上方，将风机塔筒内周或外周的第二支撑结构与下环梁通过紧固件紧固连接；
或当设有所述内层风机塔筒和外层风机塔筒时，先将上环梁安装到内层风机塔筒的下端外周，包括将上环梁与设置在内层风机塔筒外周的第二支撑结构通过紧固件紧固连接，将上环梁和内层风机塔筒一起吊装安装在下环梁的上方，将内层风机塔筒内周或外周的第二支撑结构与下环梁通过紧固件紧固连接；再将外层风机塔筒的下端套装到上环梁外周，包括将外层风机塔筒一起吊装安装在下环梁的上方，将上环梁与设置在外层风机塔筒内周的第二支撑结构通过紧固件紧固连接，将外层风机塔筒内周或外周的第二支撑结构与下环梁通过紧固件紧固连接，在内层风机塔筒和外层风机塔筒之间焊接钢结构；
(7)然后通过法兰或焊接方式使下环梁内的钢管基桩的钢管混凝土管段与上环梁内的钢管混凝土管段一一对接连接固定，并使预应力锚索穿过所有钢管混凝土管段的套管，实施预应力施工；
(8)在下环梁上端面和上环梁下端面均匀开设对齐支撑柱的浇筑孔，在支撑柱内搭接钢筋笼使其连接下环梁和上环梁内的钢筋骨架，将混凝土浇筑到下环梁、上环梁及支撑柱内。
优选地，若所述上环梁和下环梁的钢壳内焊接了支撑钢壳上下端面的钢结构支撑，则省掉步骤(8)。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点有：
(1)采用本结构设计方案，相比于纯钢管塔筒结构，本发明的塔筒无需增加塔筒截面尺寸，运输和耗钢量上有较大优势，本发明的塔筒还可以替换为钢管混凝土桁架(CN112360697A)或钢桁架，因此便于散件运输；
(2)塔架越高，叶轮直径越大，塔底弯矩越大，过渡段将本发明的塔架分为上部柔性段和下部刚性段，下部钢管基桩有效提高了整塔刚度，避免了上部柔性段太长时多大的塔筒顶端侧向位移，下部刚性段材料利用率更高，更经济，避免使用大量土方和钢筋，也更容易散件运输；
(3)本发明的上部柔性段还由上下环梁提供内侧或外侧的环形支撑，一方面改善了柔性段的刚度和塔筒底段的屈曲强度，另一方面可控的提高了上部柔性段的频率，使塔架的一阶固有频率介于风轮转速1阶频率和3阶频率之间，避免共振；
(4)与现有的将塔筒嵌入过渡段中，钢管桩内的预应力锚索与过渡段进行锚固的方案相比，上下环梁的钢壳与塔筒、钢管基桩的刚度差异小，不易剥离，且通过上下环梁与第一第二法兰一起环向支撑塔筒，抗拉强度大，不易疲劳失效；
(5)所有构件以及连接节点均在工厂内加工成型，现场采用全螺栓连接，安装方便，连接可靠，降低了施工难度，有利于缩短施工周期，与CN101967833B的承台连接结构相比，本发明由于未设置嵌入钢管基桩的十字结构及上下翼板、上下水平环板，减少了垂直腹板与上述结构及钢管基桩与十字结构的大量焊接工作，同时本发明的上下环梁可设于塔筒内周，从而塔筒顶端有小幅侧向位移时，也难以撞击到截面尺寸较大的过渡段，提高了安全性；
(6)本发明的风机塔筒不必嵌于环形梁结构中，因此环形梁结构为常规构件，不必现场组装复杂的内部固定结构对风机塔筒底端进行加固连接，提高其抗剪、抗弯能力，也不必增加设置横向穿过风机塔筒底端的结构件，来提高塔筒抗拔能力，也避免对风机塔筒底端完整结构地破坏。
附图说明
图1为本发明风机塔架结构一种实施例的立体示意图；
图2为本发明风机塔架结构一种实施例的立体示意图；
图3为本发明风机塔架结构实施例的过渡段的剖视图；
图4为本发明风机塔架结构实施例的过渡段另一形式的剖视图；
图5为本发明风机塔架结构实施例的过渡段的优选结构剖视图；
图6为本发明风机塔架结构实施例的过渡段另一形式的优选结构剖视图；
图7为本发明风机塔架结构实施例的过渡段另一形式的优选结构剖视图；
图8为本发明风机塔架结构实施例的上环梁、下环梁立体图；
图9为本发明中风机塔筒套于上环梁外时的立体结构图；
图10为本发明中风机塔筒套于上环梁外时的折算应力图；
图11为本发明中风机塔筒套于上环梁外时的推荐风机转动频率；
图12为本发明中风机塔筒套于上环梁外时的变形云图；
图13为本发明中风机塔筒套于上环梁内时的立体结构图；
图14为本发明中风机塔筒套于上环梁内时的折算应力图；
图15为本发明中风机塔筒套于上环梁内时的推荐风机转动频率；
图16为本发明中风机塔筒套于上环梁内时的变形云图；
图17为不同高度在不同风切变下的风速变化；
图18为坎贝尔图-柔塔频率示意图，风轮额定转速下的1阶频率称为1P，3阶频率为3P。
图中：1、风机塔筒或钢管混凝土桁架或钢桁架；2、过渡段；31、第一支撑结构；32、第二支撑结构；5、钢管基桩；52、锚固板；6、预应力锚索；7、水平拉梁或X型支撑体系；8、支撑柱；9、地基承台；10、桩基；11、上环梁；12、内层风机塔筒；13、外层风机塔筒；14、下环梁。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
实施例1
如图1～图4，一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构，包括过渡段2，过渡段2底部沿圆周布置多根钢管基桩5形成锥台形空间，锥台形空间的底面直径大于过渡段2的直径，过渡段2连接风机塔筒1的底部，过渡段2包括互相平行的上环梁11和下环梁14，上环梁11和下环梁14具有贯通上下端面的中心通道。下环梁14和上环梁11的均开设有贯穿上下端面的通孔，其中设于下环梁14中的通孔的数量与钢管基桩5的数量对应，设于上环梁11中的通孔的数量与钢管基桩5的数量之比为1：2或1：1，钢管基桩5的上端依次穿过下环梁14和上环梁11上下端面的该通孔，钢管基桩5的数量不小于3，钢管基桩5的下端嵌入到地基承台9中，地基承台9下设若干桩基10；支撑柱8设于下环梁14和上环梁11之间将两者隔开，支撑柱8沿上环梁11和下环梁14的中心通道的圆周均匀布置，风机塔筒1的下端从上环梁11的中心通道穿过后与下环梁14连接固定，或上环梁11承插在风机塔筒1的下端内周，且风机塔筒1的下端与下环梁14的连接固定。
作为优选实施方案，风机塔筒1的下端设有第一支撑结构31，如图5，当风机塔筒1的下端从上环梁11的中心通道穿过后与下环梁14连接时，第一支撑结构31设于风机塔筒1的下端外周或内周，并与下环梁14通过紧固件连接，风机塔筒1外周靠近上环梁11上下端面处可增加布置第二支撑结构32，第二支撑结构32与上环梁11通过紧固件连接；第一支撑结构和第二支撑结构可以采用法兰。
如图6，当上环梁11承插在风机塔筒1的下端内周，且风机塔筒1的下端与下环梁14的连接时，第一塔筒法兰31设于风机塔筒1的下端内周或外周，并与下环梁14通过紧固件连接，风机塔筒1内周靠近上环梁11上下端面处可增加布置第二塔筒法兰32，第二塔筒法兰32与上环梁11通过紧固件连接。
如图7，或者风机塔筒1包括内层风机塔筒12和外层风机塔筒13，内层风机塔筒12的下端从上环梁11的中心通道穿过后与下环梁14连接固定，内层风机塔筒12的下端外周或内周设有第一塔筒法兰31，第一塔筒法兰31坐落在下环梁14上并通过紧固件连接，内层风机塔筒12外周靠近上环梁11上下端面处固定有第二塔筒法兰32，第二塔筒法兰32与上环梁11通过紧固件连接；
上环梁11承插在外层风机塔筒13的下端内周，且外层风机塔筒13的下端与下环梁14的连接固定，外层风机塔筒13的下端外周或内周设有第一塔筒法兰31，第一塔筒法兰31坐落在下环梁14上并通过紧固件连接，外层风机塔筒13内周靠近上环梁11上下端面处固定有第二塔筒法兰32，第二塔筒法兰32与上环梁11通过紧固件连接；
内层风机塔筒12和外层风机塔筒13之间通过钢结构连接。
上环梁11、下环梁14、支撑柱8由钢壳包裹，其内预置有钢结构支撑，或钢壳内预置有钢筋骨架、钢筋笼并浇筑混凝土，浇筑混凝土为非必须选项。钢结构支撑包括若干设有通孔的水平套板，钢管混凝土柱穿过水平套板并被套紧，水平套板间由竖向支撑连接板支撑。
如图1和图2，钢管基桩5每两根组成一组按以下方式布置在下环梁14下，组数不小于3：每组钢管基桩5的上端穿过下环梁14上端和上环梁11的通孔后在上环梁11中相互靠近，而下端相互远离并与相邻的另一组钢管基桩5中邻近的钢管基桩5的下端一起连接到地基承台9中，地基承台9下设若干桩基10；地基承台9可以通过打桩预埋在地下，也可通过打桩预埋在海床中。
作为改进，钢管基桩5的上下端设置锚固板52，钢管基桩5内分散设置多组预应力锚索6，每组预应力锚索6的上端通过锚固板52锚固于上环梁11顶部，每组预应力锚索6的下端通过锚固板52与钢管基桩5下端固定连接，预应力锚索6外包套管，钢管基桩5为钢管混凝土结构或空心钢管结构，若为钢管混凝土结构，则钢管混凝土柱5与套管之间还浇筑混凝土；若为空心钢管结构，则钢管基桩5与套管之间设置钢筋或型钢加固。
钢管基桩5上端直径较上环梁11下部的钢管基桩5的直径扩大。
如图1和图2，钢管基桩5下部之间通过若干根水平拉梁7或X型支撑体系7相连。图1的风机塔筒为纯钢整体塔筒，图2的风机塔筒为钢管混凝土衔架或钢结构衔架结构。由过渡段2下方环向布置的钢管基桩5围成锥形面，该锥形面设置若干钢肋板或钢筋焊点，并铺挂太阳能板，用于发电。
优选地，每条所述钢管基桩5包含若干段钢管混凝土管，相邻两段斜钢管混凝土管之间均通过法兰连接固定。风机塔筒1可以为纯钢塔筒或替换为钢管混凝土桁架或钢桁架。
上述实施例中，钢管基桩5也可以一根为一组，每根钢管基桩5的上端依次穿过下环梁14和上环梁11的上下端面的该通孔，每根钢管基桩5的下端连接到地基承台9中，地基承台9下设若干桩基10，钢管基桩5数量大于3，如6根。钢管基桩5还可以每两根组成一组，组数不小于3，并按以下方式布置在下环梁14下：每组钢管基桩5的上端穿过下环梁14上端和上环梁11的通孔后相互靠近，或每组钢管基桩5的上端穿过下环梁14上端后在上环梁11的通孔中相互靠拢，而每组钢管基桩5下端相互远离并与相邻的另一组钢管基桩5中邻近的钢管基桩5的下端一起连接到地基承台9中，地基承台9下设若干桩基10。
本发明专利提供的风机塔筒过渡段基础的具体建造过程如下：
(1)先根据具体风机设备的设计指标确定钢管基桩布置和截面尺寸、确定混凝土强度、确定顶部纯钢塔筒高度和尺寸，确定地基承台及桩基的尺寸；
(2)工厂内，将每条钢管基桩5所用到的钢管按1m～100m一段的标准分成多段，并在每段钢管端部均焊接上法兰及钢牛腿，利于完成相应的钢管混凝土管段与水平拉梁连接节点连接；
(3)制作过渡段2的上环梁11和下环梁14的钢壳，在上环梁和下环梁的钢壳内焊接形成钢结构支撑或钢筋骨架，钢壳上下端开设所述通孔，在下环梁14的钢壳上侧沿中心通道竖立空心的支撑柱8；
(4)在工厂内或工地现场完成每条钢管基桩相应的钢管段的混凝土灌注及养护操作，形成包括套管的空心管状结构；
(5)通过大型运输车辆将工厂内完成的各构件运输至工地现场；
(6)先分别将每条钢管基桩5最顶端的钢管段分别预安装在上环梁11内，使钢管基桩5穿过所述的通孔，钢管基桩5的下一段安装在下环梁14中穿过所述的通孔；
(7)在地面沿环向进行桩基和地基承台的施工，接着再将每条钢管基桩5的其余钢管混凝土管段通过法兰及高强螺栓自地基承台9起，由下至上依次连接固定，吊装安装下环梁14，每段钢管基桩5通过法兰或焊接方式相连；
(8)当上环梁11内径不大于风机塔筒1外径时，将上环梁11安装到风机塔筒1的下端内周，包括将上环梁11与设置在风机塔筒1内周的第二塔筒法兰32通过紧固件紧固连接，将上环梁11和风机塔筒1一起吊装安装在下环梁14的上方，将风机塔筒1内周或外周的第二塔筒法兰32与下环梁14通过紧固件紧固连接；
或当上环梁11内径不小于风机塔筒1外径时，将上环梁11安装到风机塔筒1的下端外周，包括将上环梁11与设置在风机塔筒1外周的第二塔筒法兰32通过紧固件紧固连接，将上环梁(11)和风机塔筒(1)一起吊装安装在下环梁14的上方，将风机塔筒1内周或外周的第二塔筒法兰32与下环梁14通过紧固件紧固连接；
或当设有所述内层风机塔筒12和外层风机塔筒13时，先将上环梁11安装到内层风机塔筒12的下端外周，包括将上环梁11与设置在内层风机塔筒12外周的第二塔筒法兰32通过紧固件紧固连接，将上环梁11和内层风机塔筒12一起吊装安装在下环梁14的上方，将内层风机塔筒12内周或外周的第二塔筒法兰32与下环梁14通过紧固件紧固连接；再将外层风机塔筒13的下端套装到上环梁11外周，包括将外层风机塔筒13一起吊装安装在下环梁14的上方，将上环梁11与设置在外层风机塔筒13内周的第二塔筒法兰32通过紧固件紧固连接，将外层风机塔筒13内周或外周的第二塔筒法兰32与下环梁14通过紧固件紧固连接，在内层风机塔筒12和外层风机塔筒13之间焊接钢结构；
(9)然后通过法兰或焊接方式使下环梁14内的钢管基桩5的钢管混凝土管段与上环梁11内的钢管混凝土管段一一对接连接固定，并使预应力锚索6穿过所有钢管混凝土管段的套管，实施预应力施工；
(10)在下环梁14上端面和上环梁11下端面均匀开设对齐支撑柱8的浇筑孔，在支撑柱8内搭接钢筋笼使其连接下环梁14和上环梁11内的钢筋骨架，将混凝土浇筑到下环梁14、上环梁11及支撑柱8内。
当运输至工地现场的为没有经过混凝土灌注及养护操作的钢管基桩相应的钢管段时，则在步骤(7)中对固定好的钢管基桩的空心钢管进行混凝土灌注并养护操作。
若所述上环梁11和下环梁14的钢壳内焊接了支撑钢壳上下端面的钢结构支撑，则省掉步骤8。
应力检验：
如图5，刚性塔架即过渡段底部沿圆周布置多根钢管基桩5形成锥台形空间的高度为100米，风机塔筒高度65米，上下环梁高度均为0.95米，环梁过渡段高6米，刚性塔架+塔筒总高166米。钢管基桩直径800mm，钢管厚22mm，环梁外壳20mm，塔筒钢材厚度20～30mm。风机塔筒下端套于上环梁外周，空心承台中混凝土为C30，密度2400kg/m3，弹性模量3.15×1011pa，泊松比为0.2；塔筒选用的钢材的弹性模量为2.1×1011pa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。塔顶风机重500吨，塔顶受到三个方向的荷载分别为Fx＝1000吨，Fy＝1000吨，Fz＝-1000吨。采用ABAQUS软件进行计算，计算结果如表1和图9、图10、图11所示。
表1
指标 Mises应力 频率 变形
计算结果 370MPa 0.23 1.12米
本方案中由于上下环梁在塔筒内周的环向支撑，塔筒底段能承受370Mpa的应力，同时上下环梁高6米，有效提高了塔筒的刚度，并且相对于背景技术中的纯钢塔筒，未增加塔筒截面尺寸的前提下提高了整体频率且不与机组风轮旋转一阶频率交叉，避免共振，塔筒顶端侧向位移因此仅有1.12米。本方案中还可增高塔筒高度，虽然按照朱少辉的研究《风力发电机组塔简振动频率的计算》增加塔筒高度使整体频率降低，塔顶侧向位移变大，但可增加上下环梁的间距，调高塔筒的频率和刚度。
如图6，刚性塔架即过渡段底部沿圆周布置多根钢管基桩形成锥台形空间的高度为115米，风机塔筒高度40米，上下环梁高度均为0.95米，环梁过渡段高6米，总高156米。钢管基桩直径800mm，钢管厚22mm，环梁外壳20mm，塔筒钢材厚度20～30mm。风机塔筒下端穿过上环梁内周，空心承台中混凝土为C30，密度2400kg/m3，弹性模量3.15×1011pa，泊松比为0.2；塔筒选用的钢材的弹性模量为2.1×1011pa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。塔顶风机重500吨，塔顶受到三个方向的荷载分别为Fx＝1000吨，Fy＝1000吨，Fz＝-1000吨。采用ABAQUS软件进行计算，计算结果如表2和图13、图14、图15、图16所示。
表2
指标 Mises应力 频率 变形
计算结果 440MPa 0.23 0.9
本方案中由于上下环梁在塔筒外周的环向支撑，塔筒底段能承受440Mpa的应力，同时上下环梁高6米，有效提高了塔筒的刚度，并且相对于背景技术中的纯钢塔筒，未增加塔筒截面尺寸的前提下提高了整体频率且不与机组风轮旋转一阶频率交叉，避免共振，塔筒顶端侧向位移因此仅有0.9米，本方案中还可增高塔筒高度，虽然按照朱少辉的研究《风力发电机组塔简振动频率的计算》增加塔筒高度使整体频率降低，塔顶侧向位移变大，但可增加上下环梁的间距，调高塔筒的频率和刚度。

Claims (16)

1.一种具有上下环梁结构过渡段的风机塔筒结构，包括多根围绕圆周均匀布置的钢管基桩(5)围成锥台形空间，其特征在于，包含了相互隔开的上环梁(11)和下环梁(14)的过渡段(2)被所有钢管基桩(5)支撑在锥台形空间上端，锥台形空间的底面直径大于过渡段(2)的直径，过渡段(2)连接风机塔筒(1)的底部，所述上环梁(11)和下环梁(14)具有贯通上下端面的中心通道，所述上环梁(11)和下环梁(14)均开设有贯穿上下端面的通孔，其中设于下环梁(14)中的通孔的数量与钢管基桩(5)的数量对应，设于上环梁(11)中的通孔的数量与钢管基桩(5)的数量之比为1：2或1：1，所述钢管基桩(5)的上端依次穿过下环梁(14)和上环梁(11)的该通孔，钢管基桩(5)的数量不小于3，钢管基桩(5)的下端嵌入到地基承台(9)中，地基承台(9)下设若干桩基(10)；支撑柱(8)设于所述下环梁(14)和上环梁(11)之间将两者隔开，支撑柱(8)围绕下环梁(14)和上环梁(11)的中心通道沿圆周均匀布置，风机塔筒(1)的下端从上环梁(11)的中心通道穿过后与下环梁(14)连接固定，或上环梁(11)承插在风机塔筒(1)的下端内周，且风机塔筒(1)的下端与下环梁(14)的连接固定。
2.根据权利要求1所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述风机塔筒(1)的下端从上环梁(11)的中心通道穿过后与下环梁(14)连接固定，所述风机塔筒(1)的下端外周或内周设有第一支撑结构(31)，第一支撑结构(31)坐落在下环梁(14)上并通过紧固件连接，所述风机塔筒(1)外周靠近上环梁(11)上下端面处固定有第二支撑结构(32)，第二支撑结构(32)与上环梁(11)通过紧固件连接。
3.根据权利要求1所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述上环梁(11)承插在风机塔筒(1)的下端内周，且风机塔筒(1)的下端与下环梁(14)的连接固定，所述风机塔筒(1)的下端外周或内周设有第一支撑结构(31)，第一支撑结构(31)坐落在下环梁(14)上并通过紧固件连接，所述风机塔筒(1)内周靠近上环梁(11)上下端面处固定有第二支撑结构(32)，第二支撑结构(32)与上环梁(11)通过紧固件连接。
4.根据权利要求1所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述风机塔筒(1)包括内层风机塔筒(12)和外层风机塔筒(13)，内层风机塔筒(12)的下端从上环梁(11)的中心通道穿过后与下环梁(14)连接固定，所述内层风机塔筒(12)的下端外周或内周设有第一支撑结构(31)，第一支撑结构(31)坐落在下环梁(14)上并通过紧固件连接，所述内层风机塔筒(12)外周靠近上环梁(11)上下端面处固定有第二支撑结构(32)，第二支撑结构(32)与上环梁(11)通过紧固件连接；
所述上环梁(11)承插在外层风机塔筒(13)的下端内周，且外层风机塔筒(13)的下端与下环梁(14)的连接固定，所述外层风机塔筒(13)的下端外周或内周设有第一支撑结构(31)，第一支撑结构(31)坐落在下环梁(14)上并通过紧固件连接，所述外层风机塔筒(13)内周靠近上环梁(11)上下端面处固定有第二支撑结构(32)，第二支撑结构(32)与上环梁(11)通过紧固件连接；
内层风机塔筒(12)和外层风机塔筒(13)之间通过钢结构连接。
5.根据权利要求2～4任一一项所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述上环梁(11)、下环梁(14)、支撑柱(8)由钢壳包裹，钢壳内预置有钢结构支撑，或预置有钢筋骨架、钢筋笼并浇筑混凝土。
6.根据权利要求5所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述钢壳内的钢结构支撑包括若干设有通孔的水平套板，钢管混凝土柱穿过水平套板并被套紧，水平套板间由竖向支撑连接板支撑。
7.根据权利要求6所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述上环梁(11)和下环梁(14)之间还设有多层被支撑柱(8)和钢管基桩(5)穿过的环梁。
8.根据权利要求7所述的风机塔筒结构，其特征在于，每条所述钢管基桩(5)包含若干段钢管混凝土管，相邻两段钢管混凝土管之间均通过法兰连接固定，并在连接处内周沿环向内置钢筋。
9.根据权利要求8所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述钢管基桩(5)的上下端设置锚固板(52)，所述钢管基桩(5)内分散设置多组预应力锚索(6)，每组预应力锚索(6)的上端通过锚固板(52)锚固于上环梁(11)顶部，每组预应力锚索(6)的下端通过锚固板(52)与钢管基桩(5)下端固定连接，预应力锚索(6)外包套管，所述钢管基桩(5)为钢管混凝土结构或空心钢管结构，若为钢管混凝土结构，则钢管基桩(5)与套管之间还浇筑混凝土；若为空心钢管结构，则钢管基桩(5)与套管之间设置钢筋或型钢加固。
10.根据权利要求9所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述钢管基桩(5)每两根组成一组，组数不小于3，并按以下方式布置在下环梁(14)下：每组钢管基桩(5)的上端穿过下环梁(14)上端和上环梁(11)的通孔后相互靠近，或每组钢管基桩(5)的上端穿过下环梁(14)上端后在上环梁(11)的通孔中相互靠拢，而每组钢管基桩(5)下端相互远离并与相邻的另一组钢管基桩(5)中邻近的钢管基桩(5)的下端一起连接到地基承台(9)中，地基承台(9)下设若干桩基(10)。
11.根据权利要求9所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述钢管基桩(5)下部之间通过若干根水平拉梁或K/X型支撑体系相连。
12.根据权利要求9所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述钢管基桩(5)上端直径较上环梁(11)下部的钢管基桩(5)的直径扩大。
13.根据权利要求9所述的风机塔筒结构，其特征在于，所述风机塔筒(1)替换为钢管混凝土桁架或钢桁架。
14.根据权利要求9所述的风机塔筒结构，其特征在于，由所述过渡段(2)下方环向布置的钢管基桩(5)围成锥形面，所述锥形面设置若干钢肋板或钢筋焊点，并铺挂太阳能板。
15.如权利要求6～14任一一项所述风机塔筒结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将每条所述钢管基桩(5)所用到的钢管按1m～100m一段的标准分成多段，并在每段钢管端部均焊接上法兰及钢牛腿；
(2)制作所述过渡段(2)的上环梁(11)和下环梁(14)的钢壳，在上环梁(11)和下环梁(14)的钢壳内焊接形成钢结构支撑或钢筋骨架，钢壳上下端开设所述通孔，在下环梁(14)的钢壳上侧沿中心通道竖立空心的支撑柱(8)；
(3)完成每条钢管基桩(5)相应的钢管段的混凝土灌注及养护操作，形成包括所述套管的空心管状结构；
(4)先分别将每条钢管基桩(5)最顶端的钢管段分别预安装在上环梁(11)内，使钢管基桩(5)穿过所述的通孔，钢管基桩(5)的下一段安装在下环梁(14)中穿过所述的通孔；
(5)在地面沿环向进行桩基(10)和地基承台(9)的施工，接着再将每条钢管基桩(5)的其余钢管混凝土管段通过法兰及高强螺栓自地基承台(9)起，由下至上依次连接固定，吊装安装下环梁(14)，每段钢管基桩(5)通过法兰或焊接方式相连；
(6)当上环梁(11)内径不大于风机塔筒(1)外径时，将上环梁(11)安装到风机塔筒(1)的下端内周，包括将上环梁(11)与设置在风机塔筒(1)内周的第二支撑结构(32)通过紧固件紧固连接，将上环梁(11)和风机塔筒(1)一起吊装安装在下环梁(14)的上方，将风机塔筒(1)内周或外周的第二支撑结构(32)与下环梁(14)通过紧固件紧固连接；
或当上环梁(11)内径不小于风机塔筒(1)外径时，将上环梁(11)安装到风机塔筒(1)的下端外周，包括将上环梁(11)与设置在风机塔筒(1)外周的第二支撑结构(32)通过紧固件紧固连接，将上环梁(11)和风机塔筒(1)一起吊装安装在下环梁(14)的上方，将风机塔筒(1)内周或外周的第二支撑结构(32)与下环梁(14)通过紧固件紧固连接；
或当设有所述内层风机塔筒(12)和外层风机塔筒(13)时，先将上环梁(11)安装到内层风机塔筒(12)的下端外周，包括将上环梁(11)与设置在内层风机塔筒(12)外周的第二支撑结构(32)通过紧固件紧固连接，将上环梁(11)和内层风机塔筒(12)一起吊装安装在下环梁(14)的上方，将内层风机塔筒(12)内周或外周的第二支撑结构(32)与下环梁(14)通过紧固件紧固连接；再将外层风机塔筒(13)的下端套装到上环梁(11)外周，包括将外层风机塔筒(13)一起吊装安装在下环梁(14)的上方，将上环梁(11)与设置在外层风机塔筒(13)内周的第二支撑结构(32)通过紧固件紧固连接，将外层风机塔筒(13)内周或外周的第二支撑结构(32)与下环梁(14)通过紧固件紧固连接，在内层风机塔筒(12)和外层风机塔筒(13)之间焊接钢结构；
(7)然后通过法兰或焊接方式使下环梁(14)内的钢管基桩(5)的钢管混凝土管段与上环梁(11)内的钢管混凝土管段一一对接连接固定，并使预应力锚索(6)穿过所有钢管混凝土管段的套管，实施预应力施工；
(8)在下环梁(14)上端面和上环梁(11)下端面均匀开设对齐支撑柱(8)的浇筑孔，在支撑柱(8)内搭接钢筋笼使其连接下环梁(14)和上环梁(11)内的钢筋骨架，将混凝土浇筑到下环梁(14)、上环梁(11)及支撑柱(8)内。
16.如权利要求15所述风机塔筒结构的施工方法，其特征在于，若所述上环梁(11)和下环梁(14)的钢壳内焊接了支撑钢壳上下端面的钢结构支撑，则省掉步骤(8)。
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