CN116971931A - 一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，用于使所述塔筒通过所述连接结构安装在导管架风机基础上；所述连接结构包括底平台、多组支撑腿和顶部异型法兰盘。本发明能够在上端与预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒配合，下端与导管架风机基础配合形成整体，使得上部的预应力钢管混凝土柱加强结构所提供的加强作用能够被底部可靠的连接支撑，有效传递荷载，使得预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒能够有效运用，降低塔筒的建设成本与施工周期。

Description

一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构。

背景技术

随着我国海上风电的不断发展，位于近海的风场已被逐步开发殆尽，深远海风电资源将成为未来海上风电开发聚焦点。

常见的海上风机基础型式有单桩基础、高桩承台基础、导管架基础等型式，其中，导管架基础是以钢管桩(或吸力筒)、导管架结构组成的桁架式基础，具有体型大、受力情况好、基础稳定性强等优点，且其在陆上建造组装的方式降低了海上施工的时间，有效控制海上施工成本。

另一方面，为了更好地利用深远海的风力发电资源，风电塔架的高度日益增加，发电机组的叶轮直径和单机容量也急剧增加。研究表明，对于传统的钢制塔筒，当高度超过一定值后，随着高度的增加受力大幅提高，致使塔筒用钢量激增，整体方案的经济性大打折扣；同时，随着塔筒高度增加，塔架自振频率逐渐降低，容易出现频率穿越、涡激共振等问题，这对塔架的安全性提出了更高要求。

由于混凝土具有刚度大、可塑性强、成本便宜的特点，可以通过引入混凝土与薄壁钢管形成含有预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒，在保证塔筒安全性和可靠性的前提下，尽可能地降低塔筒成本造价。然而，对于这种塔筒，缺乏塔筒与导管架风机基础的有效连接结构，以对预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒提供可靠的连接过渡和支撑。

发明内容

针对上述背景技术中提到的问题，本发明旨在提供一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，以对含有预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒提供一种与导管架风机基础的过渡连接结构，保证可靠的连接过渡和支撑。为此，本发明的通过如下技术方案实现：

一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，用于使所述塔筒通过所述连接结构安装在导管架风机基础上；其特征在于：所述连接结构包括底平台、多组支撑腿和顶部异型法兰盘；

所述异型法兰盘包括圆环法兰盘和若干在圆环法兰盘内圈沿圆周方向分布的内部法兰盘；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔，内部法兰盘的不与圆环法兰盘相接的周边也设置螺栓连接孔；所述圆环法兰盘用于与钢管混凝土塔筒的底端连接法兰盘上的圆环法兰盘配合连接，所述内部法兰盘用于与所述底部连接法兰盘内部附属钢管封闭法兰盘配合连接；各组支撑腿的上端沿内部法兰盘的圆周方向布局，支撑腿的数量和内部法兰盘的数量匹配，各内部法兰盘分别有支撑腿一一对应连接；

所述底平台与导管架风机基础的主腿连接，所述每组支撑腿的底端与底平台连接，其连接位置位于所述底平台与导管架风机基础的主腿连接的部位的上方。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

所述连接结构还包括抗扭支撑架，所述抗扭支撑架设置于各支撑腿连接的端部。

所述底平台为多边形平台，每组支撑腿的底端连接到多边形平台的角部，所述多边形平台的角部与导管架风机基础的主腿连接。

所述底平台与导管架风机基础的主腿连接的部位之上的顶面设置加强墩，同一组支撑腿的底端均连接到同一加强墩上。

所述底平台为正多边形，可以三角形、正方形等，形状与导管架基础的主腿的数量和布置位置相适应，角部作倒圆角处理，上顶面四周可设置栏杆，下底面四周设置底板加强梁，中部根据平台承载需要设置额外的底板加强梁。底板加强梁的截面型式包括但不限于工字形、矩形、L形、T形等，底板加强梁与连接结构底平台间采用焊接或螺栓方式连接。

所述连接结构底平台下底面与下方导管架基础的主腿之间采用焊接的方式连接，连接部位位于底平台的圆角位置处。

每组支撑腿形成顶端斜向下的三角锥支撑，所述三角锥支撑数量与导管架风机基础主腿的数量相等，至少为三组，每组三角锥支撑包括2根支撑腿，每根支撑腿的长度与仰角相同；所述内部法兰盘成组设置，每组有两个内部法兰盘，其沿圆周方向的设置位置，满足每根支撑腿的长度与仰角相同。优选地，各支撑腿的上端沿圆周方向依次均匀分布。

每组三角锥支撑的2根支撑腿下端交于一点，上方分开，分别与同组的2个内部法兰盘分别焊接，与塔筒内钢管混凝土柱的几何方位匹配，每一组支撑腿底端连接加强墩将本组的2根支撑腿固定在一起，用于提高三角锥支撑的整体刚度与抗扭能力，加强墩下表面与连接结构底平台之间采用焊接方式连接。

所述三角锥支撑上端与内部法兰盘之间采用焊接或螺栓连接，下端与加强墩之间采用焊接方式连接，中部与抗扭支撑架之间采用焊接方式连接。进一步地，所述的抗扭支撑设置在三角锥支撑中部，支撑节点间通过额外斜撑的方式加固，抗扭支撑钢管间采用焊接方式连接。

钢管混凝土塔筒底端连接法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘、内部法兰盘的数量能被导管架的主腿数量所整除，而成组设置，每组的数量为两个，各组支撑腿中的支撑腿数量为两跟，以使各组支撑腿中的每根支撑腿的长度与仰角相同。

进一步优选地，所述的三角锥支撑、底平台、抗扭支撑均为钢质。

由于采用本发明的技术方案，本发明能够在上端与预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒配合，下端与导管架风机基础配合形成整体，使得上部的预应力钢管混凝土柱加强结构所提供的加强作用能够被底部可靠的连接支撑，有效传递荷载，使得预应力钢管混凝土柱加强结构的塔筒能够有效运用，降低塔筒的建设成本。

附图说明

图1是阵列式钢管混凝土加强结构的塔筒与常规导管架基础通过本发明的连接结构过渡连接的示意图；

图2是本发明连接结构实施例的示意图；

图3是本发明连接结构实施例底平台上顶面部分的示意图；

图4是本发明连接结构实施例底平台下底面部分的示意图；

图5是本发明连接结构实施例顶部连接法兰的示意图；

图6是本发明连接结构实施例中抗扭支撑的示意图；其中，将钢塔筒壁截去一部分以展现其内部塔筒结构；

图7是本发明实施例中包含阵列式钢管混凝土加强结构的塔筒的示意图，其中为展现其内部结构将塔筒外壁截去一部分；

图8是本发明实施例中包含阵列式钢管混凝土加强结构的塔筒的底端异形法兰盘的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

如图1所示，其显示了一种阵列式钢管混凝土加强结构的塔筒2通过本发明的连接结构1安装在常规导管架基础3的实施例。其中，塔筒2由若干塔筒节依次利用连接法兰盘25通过螺栓在内部连接。塔筒节包括塔筒壁21和位于内部的沿圆周方向阵列式布置的钢管22，钢管22与塔筒壁21之间保持一定距离，中间使用竖向加强筋板23连接，竖向筋板长度方向每隔一定距离可以设置一道或多道水平加强筋板24(也可不具有距离而直接焊接连接)，竖向筋板23、水平筋板24与钢塔筒壁21、钢管22之间采用焊接方式连接，且竖向筋板23的两端分别焊接在钢塔筒21两端的连接法兰盘14上。所述的钢管混凝土塔筒为多段式，每段顶部与底部均设置连接法兰盘25，连接法兰盘25包括圆环法兰盘251和沿圆周方向排列的内部附属钢管封闭法兰盘252，圆环法兰盘251设置一圈螺栓孔，内部附属钢管封闭法兰盘252在不与圆环法兰盘251连接的边缘设置螺栓孔，内部附属钢管封闭法兰盘252还设置灌注孔和混凝土加压灌注孔。在由钢管22、上下端的内部附属钢管封闭法兰盘252组成的空间中浇筑预应力混凝土而形成钢管混凝土柱，通过以上结构构成钢管混凝土塔筒。为便于分组连接，适配与后续与连接结构的上下连接，并保持力的有效传递，所有钢管混凝土柱和内部附属钢管封闭法兰盘252均优选沿钢塔筒内部圆周均匀分布，以与分组三角锥支撑的支撑腿顶端位置对应。

本发明提供的适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，所述连接结构包括底平台11、多组支撑腿12和顶部异型法兰盘14。

所述异型法兰盘14包括圆环法兰盘141和若干在圆环法兰盘内圈沿圆周方向分布的内部法兰盘142；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔143，内部法兰盘142的不与圆环法兰盘141相接的周边也设置螺栓连接孔143；所述圆环法兰盘141与钢管混凝土塔筒的底端连接法兰盘上的圆环法兰盘251配合连接，所述内部法兰盘142与所述底部连接法兰盘内部附属钢管封闭法兰盘252配合连接；支撑腿12的数量和内部法兰盘142的数量匹配，各内部法兰盘142分别有支撑腿12一一对应焊接连接。各组支撑腿中的支撑腿数量优选为两根，钢管混凝土塔筒底端连接法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘252、内部法兰盘142的数量优选为能被导管架的主腿31数量所整除，而成组设置，每组的数量优选为两个，以使各组支撑腿12中的每根支撑腿12的长度与仰角相同。

所述底平台11与导管架风机基础的主腿31连接，所述每组支撑腿12的底端与底平台11连接，其连接位置位于所述底平台11与导管架风机基础的主腿31连接的部位的上方。

所述连接结构还包括抗扭支撑架13，所述抗扭支撑架13设置与各支撑腿连接的端部。

每组支撑腿优选形成顶端斜向下的三角锥支撑，所述三角锥支撑数量与导管架风机基础主腿的数量相等，本实施例为四组，每组三角锥支撑包括2根支撑腿12，每根支撑腿12的长度与仰角相同；所述内部法兰盘142成组设置，每组有两个内部法兰盘142，其沿圆周方向的设置位置，满足每根支撑腿的长度与仰角相同。

每组三角锥支撑的2根支撑腿12下端交于一点，上方分开，分别与同组的2个内部法兰盘分别焊接，每一组支撑腿底端连接加强墩115将本组的2根支撑腿固定在一起，用于提高三角锥支撑的整体刚度与抗扭能力，加强墩115下表面与底平台11之间采用焊接方式连接。

所述三角锥支撑上端与内部法兰盘之间优选采用焊接连接，下端与加强墩115之间采用焊接方式连接，中部与抗扭支撑架13之间采用焊接方式连接，形成一个整体，提升连接结构1的整体受压、受弯、受扭能力。

本实施例中，抗扭支撑架13由6根支撑焊接而成，其中外围4根支撑呈端部交叉的矩形，而产生8个连接端，直接连接在三角锥支撑的各支撑腿12上，中间2根支撑则连接在外围4根支撑的交点处。整个抗扭支撑架13均通过焊接完成，其与三角锥支撑之间也通过焊接的方式固定。

所述底平台11包括底板111、护栏112、加强墩115、底板加强梁114。所述底平台11为形状与导管架基础的主腿的数量和布置位置相适应的多边形平台，在本实施例中为四边形，角部作倒圆角处理。在底板111顶面的四个角部设置4个加强墩115用于提高与三角锥支撑12连接时的节点性能同时在其四周设置护栏112。底板11底面四周设置底板加强梁114，在本实施例中采用工字形截面，在其他实施例中也可采用T形截面、方形截面、L形截面等多种不同型式。底板111中部可根据承载力需要在对角线上补充设置底板加强梁114以进一步提高连接组件1的整体性。底板111与加强墩115采用焊接方式连接，与底板加强梁114可采用焊接或螺栓连接方式固定。

对于上述的钢管混凝土柱，施工时，首先堵住底端连接法兰盘25的混凝土灌注孔和混凝土加压孔，通过上端连接法兰盘25上的混凝土灌注孔向钢管内灌注高强混凝土，并通过从混凝土加压灌注孔加压的方式使混凝土产生沿周向扩张的力，提高混凝土与钢管之间的挤压力与摩擦力，进而提升钢管混凝土柱的整体承载能力。

塔筒2为模块化设计，可根据工程需要组合不同数量的塔筒节，通过螺栓连接的方式固定。其中，最底段的塔筒节底面额外设置一块钢板将其封住，满足内部电气设备摆放需求的同时降低外部环境的影响。同时，塔筒节也可根据需要制作成沿竖向等直径或变直径的型式，满足不同高度下塔架承载力的需求和与顶部风电机舱对接接口的需求。

本实施例中的钢管混凝土柱与钢塔筒壁组合的方式，相比传统的纯钢塔筒型式，刚度大幅提高，因此可有效提高整个塔架的刚度和自振频率，整体抬升涡激共振的风速锁定区间(即流场的风速更难落入锁定区间内)，进而有效降低塔架在复杂风环境下发生涡激共振的概率，大幅提高塔架的安全性。另一方面，由于钢管混凝土柱中存在高压混凝土，使钢管混凝土柱的外壁钢管始终处于向外扩张的状态，即存在环向的拉应力，这一环向拉应力可有效降低钢管在外荷载作用下发生屈曲失稳的可能性，进一步提高塔架安全性。而本发明的连接结构1成功地将该种塔筒2有效、可靠地连接至导管架式风机基础3，风机运行时，其载荷可通过塔筒2中的钢管混凝土柱传递到连接组件2的三角锥支撑中，再通过该支撑传递至导管架基础3。塔筒2中载荷通过钢管混凝土柱传递，塔筒外壁不直接受力，可以减小塔筒壁的厚度，有效降低用钢量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，用于使所述塔筒通过所述连接结构安装在导管架风机基础上；其特征在于：所述连接结构包括底平台、多组支撑腿和顶部异型法兰盘；

所述异型法兰盘包括圆环法兰盘和若干在圆环法兰盘内圈沿圆周方向分布的内部法兰盘；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔，内部法兰盘的不与圆环法兰盘相接的周边也设置螺栓连接孔；所述圆环法兰盘用于与钢管混凝土塔筒的底端连接法兰盘上的圆环法兰盘配合连接，所述内部法兰盘用于与所述底部连接法兰盘内部附属钢管封闭法兰盘配合连接；各组支撑腿的上端沿内部法兰盘的圆周方向布局，支撑腿的数量和内部法兰盘的数量匹配，各内部法兰盘分别有支撑腿一一对应连接；

所述底平台与导管架风机基础的主腿连接，所述每组支撑腿的底端与底平台连接，其连接位置位于所述底平台与导管架风机基础的主腿连接的部位的上方。

2.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：所述连接结构还包括抗扭支撑架，所述抗扭支撑架设置与各支撑腿连接的端部。

3.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：所述底平台为多边形平台，每组支撑腿的底端连接到多边形平台的角部，所述多边形平台的角部与导管架风机基础的主腿连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：所述底平台与导管架风机基础的主腿连接的部位之上的顶面设置加强墩，同一组支撑腿的底端均连接到同一加强墩上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：所述底平台为正多边形，形状与导管架基础的主腿的数量和布置位置相适应，角部作倒圆角处理，下底面四周设置底板加强梁，中部根据平台承载需要设置额外的底板加强梁。

6.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：每组支撑腿形成顶端斜向下的三角锥支撑，所述三角锥支撑数量与导管架风机基础主腿的数量相等，每组三角锥支撑包括2根支撑腿，每根支撑腿的长度与仰角相同；所述内部法兰盘成组设置，每组有两个内部法兰盘，其沿圆周方向的设置位置，满足每根支撑腿的长度与仰角相同。

7.根据权利要求6所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：每组三角锥支撑的2根支撑腿下端交于一点，上方分开，分别与同组的2个内部法兰盘分别焊接，每一组支撑腿底端连接加强墩将本组的2根支撑腿固定在一起，用于提高三角锥支撑的整体刚度与抗扭能力，加强墩下表面与连接结构底平台之间采用焊接方式连接。

8.根据权利要求6所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：所述三角锥支撑上端与内部法兰盘之间采用焊接或螺栓连接，下端与加强墩之间采用焊接方式连接，中部与抗扭支撑架之间采用焊接方式连接。

9.根据权利要求1所述的一种适用于导管架风机基础的钢管混凝土塔筒连接结构，其特征在于：钢管混凝土塔筒底端连接法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘、内部法兰盘的数量能被导管架的主腿数量所整除，而成组设置，每组的数量为两个，各组支撑腿中的支撑腿数量为两根，以使各组支撑腿中的每根支撑腿的长度与仰角相同。