CN114263570A - 一种装配式uhpc风机塔架的薄壁节段、整环uhpc筒节段及风机塔架的施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，包括预制弧形构件，以及设于预制弧形构件上的环向钢接头和竖向钢接头，环向钢接头设于预制弧形构件的上下两端的内侧，且超出端面一段距离，竖向钢接头设于预制弧形构件的左右两端的内侧，且超出端面一段距离；整环UHPC筒节段由薄壁节段沿环形拼接而成，环向钢接头和竖向钢接头超出端面部分设置为UHPC现浇接缝，预制弧形构件内布置加强钢筋，相邻预制弧形构件延伸出的加强钢筋呈交错布置。本发明还公开了整环UHPC筒节段及风机塔架的施工方法。本发明便于运输与现场吊装，极大减少了UHPC浇筑及试件养护，有效提高了施工效率；构造简单，轻质高强，装配率高，耐久性优异，可大幅减少运输及现场施工成本，具有很高的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及风机塔架，具体涉及一种装配式UHPC风机塔架的薄壁节段、整环UHPC筒节段及风机塔架的施工方法。
背景技术
为了更高效利用风能，大容量（≥5MW）风力发电机已成为全球风电市场发展趋势，其塔架高度通常大于80m；相比于陆地风电场，海上风电场具有风速高、风力稳定和空间广阔等优势，建设大规模的海上超大容量（≥10MW）风机及超高风机塔架（≥100m）具备巨大的发展潜能。
风机塔架作为风力发电机的主要承重结构，承受往复风荷载、自重、风机轮毂运行时产生的压力和弯矩等组合作用，处于极为复杂的受力状态，需要保证其具有足够的强度、刚度、稳定性、抗扭性及抗疲劳性能；目前，国内外研究及应用较多的风机塔架结构为薄壁圆钢筒和预应力混凝土圆塔筒，主要通过若干预制构件经螺栓和预应力筋连接成整体。随着风机容量及塔架高度的不断增加，往往需要通过增大塔筒横截面、壁厚度或配筋率来保证结构安全；然而受限于材料性能、制造工艺及运输条件，若超高风机塔架沿用现有材料及结构形式，可能导致预制构件制备困难、现场施工复杂且周期长、耐久性及经济性低等弊端；同时，海上风机塔架由于长期暴露于海洋环境中，其钢结构的防腐或混凝土的防渗处理，增大了后期维护费用。此外，预制构件间的连接螺栓和预应力筋腐蚀也增加了后期维护费用，降低了塔架的服役寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种便于运输与现场吊装，极大减少现场浇筑及养护工序，有效提高施工效率，可大幅减少运输及现场施工成本的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段、整环UHPC筒节段及风机塔架的施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，包括预制弧形构件，以及设于预制弧形构件上的环向钢接头和竖向钢接头，所述环向钢接头设于预制弧形构件的上下两端的内侧，且超出端面一段距离，所述竖向钢接头设于预制弧形构件的左右两端的内侧，且超出端面一段距离。
进一步的，所述预制弧形构件内布置加强钢筋，所述加强钢筋延伸出预制弧形构件四周端面，所述预制弧形构件的四周端面均匀设有凹凸相间的倒楔形键齿。
进一步的，所述预制弧形构件和倒楔形键齿均为UHPC材料，所述UHPC材料中掺有纤维。
进一步的，所述预制弧形构件四周端面粗糙，且露出部分纤维。
进一步的，所述纤维体积掺量≥2.0%，所述UHPC材料的轴拉强度在8.0MPa以上、轴拉极限应变在0.2%以上、抗压强度在100 MPa以上。
进一步的，所述预制弧形构件的弧度为120°或180°，高度为3.0～5.0m，壁厚为0.1～0.3m；所述倒楔形键齿的高度为0.05～0.2m，上底长0.2～0.6mm，下底长0.1～0.4m，相邻的两个所述倒楔形键齿之间的间距为0.6～1.8m；所述加强钢筋延伸出预制弧形构件四周端面的长度0.4～0.6m。
进一步的，所述环向钢接头的内侧均匀布置梯形钢加劲肋；所述环向钢接头和竖向钢接头的外表面都均匀布置栓钉。
进一步的，所述栓钉直径为10～25mm，焊后长度为50～300mm，间距为100～250mm，所述环向钢接头和竖向钢接头与所述预制弧形构件连接处的栓钉排数均≥3排，伸出所述预制弧形构件主体部分的栓钉排数均≥2排。
进一步的，所述环向钢接头的高度为0.4～0.8m，所述竖向钢接头的宽度为0.3～0.6m，所述环向钢接头和竖向钢接头预埋在预制弧形构件内的高度均为0.2～0.5m，伸出预制弧形构件的高度均为0.2～0.3m。
一种装配式UHPC风机塔架的整环UHPC筒节段，所述整环UHPC筒节段由所述薄壁节段沿环形拼接而成，所述环向钢接头和竖向钢接头超出端面部分设置为UHPC现浇接缝，所述预制弧形构件内布置加强钢筋，相邻预制弧形构件延伸出的加强钢筋呈交错布置。
进一步的，所述环向钢接头和竖向钢接头连接端面上都均匀布置螺栓孔，通过螺栓栓接螺栓孔形成所述UHPC现浇接缝的接缝凹槽，所述螺栓孔和螺栓的直径为25～100mm。
一种装配式UHPC风机塔架的施工方法，包括以下步骤：
S1：预制所述装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，将配套的多个薄壁节段的竖向钢接头连接面上的螺栓孔左右对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成竖向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具，形成整环UHPC筒节段；
S2：将相邻的整环UHPC筒节段的环向钢接头连接面上的螺栓孔上下对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成环向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具；
S3：重复S2，直至所有整环UHPC筒节段上下连接完毕，形成UHPC风机塔身结构。
本发明的有益效果是：
① 在结构受力方面，UHPC具有超高的抗压性能、优异的抗拉及抗疲劳性能，能够提高风机塔架的整体强度、刚度和抗疲劳性能；此外，预制构件间采用螺栓固接并现浇UHPC进行连接，加强了接缝的强度（强于预制段），避免出现接缝局部破坏，使得各个预制构件间协同受力，进一步保证了风机塔架结构的整体性能；
② 在结构耐久性方面，UHPC具有超高的致密性，能够有效防止水及氯离子渗透，避免内部钢筋及预应力索的锈蚀与腐蚀；同时，接缝处现浇UHPC，提高界面性能，避免接缝界面开裂，保护内部钢接头；同时，UHPC在海洋环境下的使用寿命远大于普通混凝土和钢结构，可提高现有海上风机塔架的使用寿命；
③ 在装配化方面，相比于预应力混凝土风机塔架，本发明的塔架结构可大幅减少横截面尺寸、壁厚及配筋率，不仅简化预制节段的制备，还减小预制节段自重，便于运输与现场吊装；此外，本发明提供的节段间连接构造形式简单，在施工时可以先利用钢接头临时连接多段预制节段，然后再一起现浇UHPC接缝，极大减少UHPC浇筑及养护试件，有效提高了施工效率；
④ 在经济性方面，本发明构造简单，轻质高强，装配率高，可大幅减少运输及现场施工成本；此外，本发明避免了服役阶段风机塔架的局部开裂及防水问题，有效减少风机塔架使用成本，有很高的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的薄壁节段的结构示意图；
图2是本发明的预制弧形构件的结构示意图；
图3是本发明的环向钢接头的结构示意图；
图4是本发明的竖向钢接头的结构示意图；
图5是本发明的薄壁节段装配的结构示意图。
附图中：1、预制弧形构件，101、倒楔形键齿，102、竖向加强钢筋，103、环向加强钢筋，2、环向钢接头，201、梯形钢加劲肋，202、螺栓孔，203、栓钉，3、竖向钢接头。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：
如图1-图5所示，一种装配式UHPC风机塔架的薄壁节段的实施例，包括预制弧形构件1，以及设于预制弧形构件1上的环向钢接头2和竖向钢接头3，预制弧形构件1的四周端面均匀设有凹凸相间的倒楔形键齿101，环向钢接头2设于预制弧形构件1的上下两端的内侧，且超出端面一段距离，竖向钢接头3设于预制弧形构件1的左右两端的内侧，且超出端面一段距离。通过预制弧形构件1可在短时间内完成装配，超出的这段距离用于预留给装配后的现浇，不仅提高了工作效率，而且提高了整体性能。
预制弧形构件1内布置加强钢筋，加强钢筋延伸出预制弧形构件1四周端面，相连的两块预制弧形构件1延伸出的加强钢筋呈交错布置。通过加强钢筋可提高预制弧形构件的整体性和牢固性。加强钢筋包括竖向加强钢筋102和环向加强钢筋103，竖向加强钢筋102和环向加强钢筋103均延伸出预制弧形构件1四周端面长度0.4～0.6m。
预制弧形构件1和倒楔形键齿101均为UHPC材料，UHPC材料中掺有纤维，纤维体积参量≥2.0%。UHPC材料的轴拉强度在8.0MPa以上、轴拉极限应变在0.2%以上、抗压强度在100 MPa以上。使用掺入有纤维的UHPC材料，可大大加强预制弧形构件1和倒楔形键齿101强度和韧度。
预制弧形构件1四周端面粗糙，且露出部分纤维。粗糙的端面，可保证装配后的现浇接缝结合的紧密性。
预制弧形构件1的弧度为120°或180°，高度为3.0～5.0m，壁厚为0.1～0.3m；倒楔形键齿101的高度为0.05～0.2m，上底长0.2～0.6mm，下底长0.1～0.4m，相邻的两个倒楔形键齿101之间的间距为0.6～1.8m。
环向钢接头2的内侧均匀布置梯形钢加劲肋201；环向钢接头2和竖向钢接头3的外表面都均匀布置栓钉203，栓钉203直径为10～25mm，焊后长度为50～300mm，间距为100～250mm。环向钢接头2和竖向钢接头3连接端面上都均匀布置螺栓孔202，螺栓孔202和螺栓直径为25～100mm。
环向钢接头2的高度为0.4～0.8m，竖向钢接头3的宽度为0.3～0.6m，环向钢接头2和竖向钢接头3预埋在预制弧形构件1内的高度均为0.2～0.5m，伸出预制弧形构件1的高度均为0.2～0.3m，钢板厚度为10～50mm。
环向钢接头2和竖向钢接头3与预制弧形构件1连接处的栓钉203排数均等于或大于3排，伸出预制弧形构件1主体部分的栓钉203排数均等于或大于2排。
一种装配式UHPC风机塔架的施工方法，包括以下步骤：
S1：预制装配式UHPC风机塔架的薄壁节段；将配套的二个或三个预制弧形构件1的竖向钢接头3连接面上的螺栓孔202左右对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成竖向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具，形成整环UHPC筒节段；
S2：将相邻的整环UHPC筒节段的环向钢接头2连接面上的螺栓孔202上下对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成环向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具；
S3：重复S2，直至所有整环UHPC筒节段连接完毕，形成UHPC超高锥形风机塔身结构。
说明书中未详细说明的内容属于本领域技术人员熟知的现有技术。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，包括预制弧形构件、以及设于预制弧形构件上的环向钢接头和竖向钢接头，所述环向钢接头设于预制弧形构件的上下两端的内侧，且超出端面一段距离，所述竖向钢接头设于预制弧形构件的左右两端的内侧，且超出端面一段距离。
2.根据权利要求1所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述预制弧形构件内布置加强钢筋，所述加强钢筋延伸出预制弧形构件四周端面，所述预制弧形构件的四周端面均匀设有凹凸相间的倒楔形键齿。
3.根据权利要求2所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述预制弧形构件和倒楔形键齿均为UHPC材料，所述UHPC材料中掺有纤维。
4.根据权利要求3所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述预制弧形构件四周端面粗糙，且露出部分纤维。
5.根据权利要求4所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述纤维体积掺量≥2.0%，所述UHPC材料的轴拉强度在8.0MPa以上、轴拉极限应变在0.2%以上、抗压强度在100 MPa以上。
6.根据权利要求4所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述预制弧形构件的弧度为120°或180°，高度为3.0～5.0m，壁厚为0.1～0.3m；所述倒楔形键齿的高度为0.05～0.2m，上底长0.2～0.6mm，下底长0.1～0.4m，相邻的两个所述倒楔形键齿之间的间距为0.6～1.8m；所述加强钢筋延伸出预制弧形构件四周端面的长度0.4～0.6m。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述环向钢接头的内侧均匀布置梯形钢加劲肋；所述环向钢接头和竖向钢接头的外表面都均匀布置栓钉。
8.根据权利要求7所述的装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述栓钉直径为10～25mm，焊后长度为50～300mm，间距为100～250mm，所述环向钢接头和竖向钢接头与所述预制弧形构件连接处的栓钉排数均≥3排，伸出所述预制弧形构件主体部分的栓钉排数均≥2排。
9.根据权利要求1-6中任一项所述装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，其特征在于，所述环向钢接头的高度为0.4～0.8m，所述竖向钢接头的宽度为0.3～0.6m，所述环向钢接头和竖向钢接头预埋在预制弧形构件内的高度均为0.2～0.5m，伸出预制弧形构件的高度均为0.2～0.3m。
10.一种装配式UHPC风机塔架的整环UHPC筒节段，其特征在于，所述整环UHPC筒节段由权利要求1-6中任一项所述的薄壁节段沿环形拼接而成，所述环向钢接头和竖向钢接头超出端面部分设置为UHPC现浇接缝，所述预制弧形构件内布置加强钢筋，相邻预制弧形构件延伸出的加强钢筋呈交错布置。
11.根据权利要求10所述的装配式UHPC风机塔架的整环UHPC筒节段，其特征在于，所述环向钢接头和竖向钢接头连接端面上都均匀布置螺栓孔，通过螺栓栓接螺栓孔形成所述UHPC现浇接缝的接缝凹槽，所述螺栓孔和螺栓直径为25～100mm。
12.一种装配式UHPC风机塔架的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预制权利要求1-6中任一项所述装配式UHPC风机塔架的薄壁节段，将配套的多个薄壁节段的竖向钢接头连接面上的螺栓孔左右对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成竖向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具，形成整环UHPC筒节段；
S2：将相邻的整环UHPC筒节段的环向钢接头连接面上的螺栓孔上下对齐，采用高强螺栓临时连接，连接处形成环向接缝，再外包模板，之后现浇UHPC并进行养护，养护之后拆除模具；
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