CN115750219A - 一种装配式预应力中空夹层钢管-uhpc格构式风电塔架及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式预应力中空夹层钢管‑UHPC格构式风电塔架，包括肢件，设置于肢件间的格构式连接件，设置于肢件上下端的刚性法兰。相邻肢件通过预埋螺栓与格构式连接件连接，上下肢件通过刚性法兰连接。所述肢件为锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢，内外钢管间设置有预应力钢绞线，夹层混凝土采用超高性能混凝土。所述格构式连接件由连接钢板，塔架横撑和塔架斜撑焊接而成。本发明采用中空夹层钢管混凝土结构，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，采用超高性能混凝土，节省混凝土用量，减轻自重，便于运输和吊装。格构式塔架采用全装配的方式，工厂标准化生产，现场干式连接，施工简便，能显著提高施工效率，具有广阔的工程应用前景。

Description

一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架及施 工方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架及施工方法。

背景技术

塔架作为风电机组中的重要承载构件，起到连接机舱和基础的作用，将风力发电机支撑到有利高度以达到最经济安全的能量利用。随着大兆瓦级风电机组应用的必然趋势，塔架安全的重要性愈来愈明显。

传统风机塔架以锥式钢塔筒为主，其最大优点是现场安装方便，施工时间短，但钢塔筒稳定性较差，承载力较低，一旦发生倒塌，将带来巨大的经济损失。风力发电机组单机容量越来越大，为了高效利用风能，需要不断提高塔筒的高度，但传统钢塔筒的不足之处也逐渐体现，其截面尺寸和壁厚将显著增加，大大提高了建造成本和运输成本，难以满足大兆瓦级风电机组的发展要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架及施工方法，以解决现有技术中钢塔筒稳定性差、承载力低的问题，并降低建造成本、运输成本，提高施工效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，包括若干肢件、若干格构式连接件和若干刚性法兰；

所述肢件为锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢，各所述肢件的截面沿塔架高度方向逐渐减小，塔架的截面沿高度方向逐渐减小；

所述格构式连接件设置于左右相邻的两个肢件间，通过预埋螺栓与肢件连接；

所述刚性法兰设置于肢件的上下端，用于连接上下相邻的两个肢件。

在一个实施例中，同一高度上，各肢件的中心点的连线组成的形状为三角形，四边形或六边形。

在一个实施例中，所述锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢包括：

外钢管；

内钢管；

设置于外钢管和内钢管间且与塔架高度方向平行的若干波纹管；

设置于波纹管内的预应力钢绞线；

设置于外钢管端部的预埋螺栓；

以及，

填充于外钢管和内钢管间的夹层混凝土。

在一个实施例中，所述外钢管和内钢管的横截面为矩形、圆形或椭圆形；所述夹层混凝土采用超高性能混凝土；所述预应力钢绞线穿过预埋波纹管内部，预应力钢绞线为直线型或抛物线型，采用后张法张拉至设计值。

在一个实施例中，所述格构式连接件包括贴附连接在左右相邻柱肢的外钢管外侧的连接钢板，以及焊接于相邻连接钢板间的塔架横撑和塔架斜撑。

在一个实施例中，所述连接钢板端部设置有对应预埋螺栓的预留孔，所述预埋螺栓穿过预留孔，完成肢件与格构式连接件的连接。

在一个实施例中，所述塔架横撑和塔架斜撑为空心钢管、角钢、H型钢或钢管混凝土。

在一个实施例中，所述刚性法兰包括上法兰盘、下法兰盘和高强螺栓；所述下法兰盘的上方或所述上法兰盘的下方连接空心钢管，环绕所述空心钢管布置有顶紧肋板，且顶紧肋板与高强螺栓相间布置，上法兰盘和下法兰盘分别焊接于上下相邻的两个肢件的下端和上端，用于实现两个肢件的连接。

本发明还提供了该装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架的施工方法，包括：

1)在工厂，完成肢件、格构式连接件和刚性法兰的加工，并将刚性法兰与肢件组装；

2)在现场，左右相邻肢件通过预埋螺栓与格构式连接件连接，上下相邻肢件通过刚性法兰连接。

在一个实施例中，所述肢件的加工方法如下：

在外钢管端部焊接预埋螺栓，将外钢管和内钢管进行定位固定，布置波纹管和预应力钢绞线，浇筑夹层混凝土，并根据施工要求进行张拉预应力钢绞线；

所述格构式连接件的加工方法如下：

在连接钢板端部完成预留孔的加工，之后焊接连接钢板、塔架横撑和塔架斜撑；

所述刚性法兰的加工方法如下：

将空心钢管和顶紧肋板焊接于下法兰盘顶部或上法兰盘底部，上法兰盘和下法兰盘分别焊接于上下肢件端部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)施工便捷

装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架结构形式简单，相邻肢件通过预埋螺栓与格构式连接件连接，上下肢件通过法兰连接，安装便捷，连接可靠。肢件为锥形中空夹层钢管混凝土柱肢，内外钢管充当浇筑混凝土的模板，简化施工工序，缩短施工周期。所有构件均在工厂标准化生产，现场干式连接，施工性能将大为提高。

2)性能提升

装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架肢件采用中空夹层钢管混凝土结构，内外钢管和夹层混凝土互为约束，夹层混凝土可有效防止钢管屈曲，具有承载力高、整体刚度大、稳定性能好等优势。夹层混凝土采用超高性能混凝土，提高肢件的耐久性能和抗震性能。施加预应力提高肢件的施工阶段刚度和抗裂性能，同时使肢件全截面受压，充分发挥混凝土的抗压性能。

3)造价低廉

装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架采用中空夹层钢管混凝土柱肢，充分利用材料的强度，有效降低肢件配钢率，浇筑超高性能混凝土，节省混凝土用量，减轻了肢件自重利于抗震，也节约了材料用量，便于运输和吊装，降低工程造价，具有良好的经济效益。

总体来说，装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架肢件采用中空夹层钢管混凝土结构，具有承载力高、整体刚度大、稳定性能好等优势。采用超高性能混凝土，提高肢件的耐久性能和抗震性能，节省混凝土用量，减轻肢件自重。施加预应力提高肢件的施工阶段刚度和抗裂性能。本发明采用全装配的方式，工厂标准化生产部件，现场干式连接，施工简便，显著提高施工效率，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架的整体示意图。

图2是本发明中肢件的整体示意图

图3是本发明中肢件的截面示意图。

图4是本发明中格构式连接件的整体示意图。

图5是本发明中节点连接的整体示意图。

图6是本发明中刚性法兰的整体示意图。

图标：1-肢件；2-格构式连接件；3-刚性法兰；4-锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢；5-外钢管；6-内钢管；7-波纹管；8-预应力钢绞线；9-预埋螺栓；10-夹层混凝土；11-预留孔；12-连接钢板；13-塔架横撑；14-塔架斜撑；15-上法兰盘；16-下法兰盘；17-高强螺栓；18-空心钢管；19-顶紧肋板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

如前所述，现有的风机塔架主要是钢塔筒结构，其组装方便，但为了满足当前越来越大的单机容量机组的稳定性和承载力需求，其钢管的截面尺寸和壁厚不断增加，导致产品成本和施工成本均大幅上升。

为此，本发明提供了一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架及其施工方法，包括肢件，设置于肢件间的格构式连接件，设置于肢件上下端的刚性法兰。相邻肢件通过预埋螺栓与格构式连接件连接，上下肢件通过刚性法兰连接。其中肢件采用中空夹层钢管混凝土结构，为锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢，内外钢管间设置有预应力钢绞线，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，夹层混凝土采用超高性能混凝土，节省混凝土用量，减轻自重，便于运输和吊装。塔架采用全装配的方式，工厂标准化生产，现场干式连接，显著提高施工效率，具有广阔的工程应用前景。

具体如图1～图6所示，本发明的装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，塔架的截面沿高度方向逐渐减小，塔架主要包括若干肢件1、若干格构式连接件2和若干刚性法兰3。

其中，各肢件1的截面沿塔架高度方向逐渐减小。

格构式连接件2设置于左右相邻的两个肢件1间，用于实现左右相邻的两个肢件1的连接，并提高承载力和稳定性，格构式连接件2可通过预埋螺栓9等结构与肢件1连接，便于安装施工且能够保证连接的可靠性。

刚性法兰3设置于肢件1的上下端，用于连接上下相邻的两个肢件1，通过法兰结构，同样便于安装施工且能够保证连接的可靠性。

根据不同地区地形、风机机组的结构等，在同一高度上，本发明各肢件1的中心点的连线组成的形状为三角形，四边形或六边形。也即塔架的整体截面为三角形，四边形或六边形。

在本发明中，肢件1为锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢4，也即本发明“预应力中空夹层钢管-UHPC”结构，参考图2和图3，单个锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢4包括：一个外钢管5、一个内钢管6、若干波纹管7、若干预应力钢绞线8、若干预埋螺栓9以及夹层混凝土10。

其中，外钢管5和内钢管6构成嵌套结构，二者的截面形状相同，且跟随高度变化，最好应该具有相同的截面积变化率。各波纹管7设置于外钢管5和内钢管6之间，且显然优选等间距分布，波纹管7为竖直方向，也即与塔架高度方向平行，也可随外钢管5具有一定的倾斜角度。每个波纹管7内布置有一个预应力钢绞线8，预应力钢绞线8用于施加预应力，其穿过预埋波纹管7内部，可选择直线型或抛物线型，采用后张法张拉至设计值，提高格构式塔架的施工阶段刚度和抗裂性能。预埋螺栓9是预先安装固定于外钢管5端部的构件，用于与格构式连接件2连接。在本发明中，可在外钢管5的端部开孔，将预埋螺栓9穿入该孔，并焊接于外钢管5的内表面，以提高稳固程度。夹层混凝土10则填充于外钢管5和内钢管6之间。

在本发明的进一步优选或可选方案中，外钢管5和内钢管6的横截面一般可为矩形、圆形或椭圆形，这些结构常见，容易取材，且能够满足稳定性和承载力需求。夹层混凝土10采用超高性能混凝土，进一步提高稳定性和承载力。

在本发明的一个实施例中，如图4和图5所示，格构式连接件2包括两个连接钢板12，若干塔架横撑13和若干塔架斜撑14。其中两个连接钢板12分别贴附连接在左右相邻柱肢的外钢管5外侧，各塔架横撑13和塔架斜撑14均焊接于两个连接钢板12之间。其中，塔架横撑13和塔架斜撑14可以为空心钢管、角钢、H型钢或钢管混凝土。

本实施例中，为了实现与肢件1的连接，在连接钢板12端部设置有预留孔11，预留孔11的尺寸、位置与预埋螺栓9对应，通过预埋螺栓9穿过预留孔11，即可完成肢件1与格构式连接件2的连接。

在本发明的一个实施例中，如图5和图6所示，刚性法兰3包括上法兰盘15、下法兰盘16和高强螺栓17。在下法兰盘16的上方或上法兰盘15的下方连接空心钢管18，环绕空心钢管18布置有顶紧肋板19，且顶紧肋板19与高强螺栓17相间布置，上法兰盘15和下法兰盘16分别焊接于上下相邻的两个肢件1的下端和上端，用于实现两个肢件1的连接。其中，顶紧肋板19还可对称地设置在下法兰盘16的下方和/或上法兰盘15的上方，以提高连接处的稳固性。

本发明风电塔架的施工方法，包括：

1、在工厂，完成肢件1、格构式连接件2和刚性法兰3的加工，并将刚性法兰3与肢件1组装。

具体地：

1)在工厂，外钢管5端部焊接预埋螺栓9，将外钢管5和内钢管6进行定位固定，布置波纹管7和预应力钢绞线8，浇筑夹层混凝土10，并根据施工要求进行张拉预应力钢绞线8，完成肢件1加工。

2)在工厂，连接钢板12端部完成预留孔11的加工，然后焊接连接钢板12、塔架横撑13和塔架斜撑14，完成格构式连接件2加工。

3)在工厂，将空心钢管18和顶紧肋板19焊接于下法兰盘16顶部或上法兰盘15底部，上法兰盘15和下法兰盘16分别焊接于上下肢件1端部。

2、在现场，左右相邻肢件1通过预埋螺栓9与格构式连接件2连接，上下相邻肢件1通过刚性法兰3连接。

综上，本发明公开了一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架及制造方法，相邻肢件通过预埋螺栓与格构式连接件连接，上下肢件通过刚性法兰连接。肢件内外钢管间设置有预应力钢绞线，夹层混凝土采用超高性能混凝土。装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架肢件采用中空夹层钢管混凝土结构，具有承载力高、整体刚度大、稳定性能好等优势。采用超高性能混凝土，提高肢件的耐久性能和抗震性能，节省混凝土用量，减轻肢件自重。施加预应力提高肢件的施工阶段刚度和抗裂性能。本发明采用全装配的方式，工厂标准化生产部件，现场干式连接，施工简便，显著提高施工效率，具有广阔的工程应用前景。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，包括若干肢件(1)、若干格构式连接件(2)和若干刚性法兰(3)；

所述肢件(1)为锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢(4)，各所述肢件(1)的截面沿塔架高度方向逐渐减小，塔架的截面沿高度方向逐渐减小；

所述格构式连接件(2)设置于左右相邻的两个肢件(1)间，通过预埋螺栓(9)与肢件(1)连接；

所述刚性法兰(3)设置于肢件(1)的上下端，用于连接上下相邻的两个肢件(1)。

2.根据权利要求1所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，在同一高度上，各肢件(1)的中心点的连线组成的形状为三角形，四边形或六边形。

3.根据权利要求1或2所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述锥形预应力中空夹层钢管混凝土柱肢(4)包括：

外钢管(5)；

内钢管(6)；

设置于外钢管(5)和内钢管(6)间且与塔架高度方向平行的若干波纹管(7)；

设置于波纹管(7)内的预应力钢绞线(8)；

设置于外钢管(5)端部的预埋螺栓(9)；

以及，

填充于外钢管(5)和内钢管(6)间的夹层混凝土(10)。

4.根据权利要求3所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述外钢管(5)和内钢管(6)的横截面为矩形、圆形或椭圆形；所述夹层混凝土(10)采用超高性能混凝土；所述预应力钢绞线(8)穿过预埋波纹管(7)内部，预应力钢绞线(8)为直线型或抛物线型，采用后张法张拉至设计值。

5.根据权利要求3所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述格构式连接件(2)包括贴附连接在左右相邻柱肢的外钢管(5)外侧的连接钢板(12)，以及焊接于相邻连接钢板(12)间的塔架横撑(13)和塔架斜撑(14)。

6.根据权利要求5所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述连接钢板(12)端部设置有对应预埋螺栓(9)的预留孔(11)，所述预埋螺栓(9)穿过预留孔(11)，完成肢件(1)与格构式连接件(2)的连接。

7.根据权利要求5所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述塔架横撑(13)和塔架斜撑(14)为空心钢管、角钢、H型钢或钢管混凝土。

8.根据权利要求1所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架，其特征在于，所述刚性法兰(3)包括上法兰盘(15)、下法兰盘(16)和高强螺栓(17)；所述下法兰盘(16)的上方或所述上法兰盘(15)的下方连接空心钢管(18)，环绕所述空心钢管(18)布置有顶紧肋板(19)，且顶紧肋板(19)与高强螺栓(17)相间布置，上法兰盘(15)和下法兰盘(16)分别焊接于上下相邻的两个肢件(1)的下端和上端，用于实现两个肢件(1)的连接。

9.一种如权利要求1至8任一项所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架的施工方法，其特征在于，包括：

1)在工厂，完成肢件(1)、格构式连接件(2)和刚性法兰(3)的加工，并将刚性法兰(3)与肢件(1)组装；

2)在现场，左右相邻肢件(1)通过预埋螺栓(9)与格构式连接件(2)连接，上下相邻肢件(1)通过刚性法兰(3)连接。

10.根据权利要求1所述装配式预应力中空夹层钢管-UHPC格构式风电塔架的施工方法，其特征在于，在工厂，所述肢件(1)的加工方法如下：

在外钢管(5)端部焊接预埋螺栓(9)，将外钢管(5)和内钢管(6)进行定位固定，布置波纹管(7)和预应力钢绞线(8)，浇筑夹层混凝土(10)，并根据施工要求进行张拉预应力钢绞线(8)；

所述格构式连接件(2)的加工方法如下：

在连接钢板(12)端部完成预留孔(11)的加工，之后焊接连接钢板(12)、塔架横撑(13)和塔架斜撑(14)；

所述刚性法兰(3)的加工方法如下：

将空心钢管(18)和顶紧肋板(19)焊接于下法兰盘(16)顶部或上法兰盘(15)底部，上法兰盘(15)和下法兰盘(16)分别焊接于上下肢件(1)端部。

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