CN118008707A - 一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒及其制造方法，属于风电塔筒技术领域。所述塔筒中的塔筒分片从外向内主要由外侧混凝土片层、钢板层和内侧混凝土片层组成；外侧混凝土片层主要由高初裂强度低收缩超高性能混凝土与外侧复合钢筋组成；内侧混凝土片层主要由高拉伸应变低收缩超高性能混凝土与内侧复合钢筋组成。旨在为超高性能混凝土预制风电塔筒提供较为全面的裂缝管控技术方案，从增加预应力、减少预应力钢筋断裂、减少超高性能混凝土收缩、增加外侧超高性能混凝土初裂强度、增加内侧超高性能混凝土拉伸应变、连接好各个预制构件以及防止塔筒过快倒塌多方面入手，从而提高超高性能混凝土预制风电塔筒的受力、耐久及安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒及其制造方法，属于风电塔筒技术领域。
背景技术
随着我国风电事业的快速发展，风力发电机中的风电塔筒变得越来越重要。随着风力发电机大型化趋势导致风电塔筒更长、更粗、更重，增加了共振风险和倒塌可能性，因此提高风电塔筒的刚度变得迫切。传统钢结构的风电塔筒成本高、刚度低，100米以上的风电塔筒多采用钢筋混凝土结构。但现浇结构施工周期长，不适合海上、高山等恶劣环境，故预制装配式混凝土风电塔筒的应用日益广泛。
风电塔筒在运行中持续承受巨大风荷载、湍流效应及叶片转动引起的振动。预制装配式混凝土风电塔筒因循环载荷下表面微裂缝易扩展，容易导致水分渗透和钢筋腐蚀，增加结构失效风险。因此，控制表面裂缝的出现概率和宽度对预制装配式混凝土风电塔筒非常重要。
为解决风电塔筒的上述技术问题，目前广泛采用超高性能混凝土，其高抗拉强度能减缓裂缝扩展。但超高性能混凝土在浇筑时因水化热和干缩特性易产生裂缝。面对风电塔筒越来越高以及越来越轻量的要求，传统预应力技术存在局限，如中国专利CN103821677 B和CN 113027692 B，表现为提高普通预应力混凝土构件初裂强度需要向预应力筋施加较大的预应力，而在面对风荷载较大以及湍流较为复杂甚至会出现风暴的环境下，这些风电塔筒中的预应力筋容易断裂破坏从而使整体构件破坏。中国专利CN113027692 B提出在塔筒内预埋钢板骨架，即使预应力钢筋损坏，也能通过钢板骨架防止塔筒过快倒塌，从而增加抢修及撤离的时间，但是钢板骨架终究无法代替预应力筋，尤其在海上等复杂环境下，钢板骨架无法阻止混凝土构件裂缝的扩展，无法阻止预制混凝土风电塔筒再各种组件由于连接强度不够而散架。
因此，目前对于混凝土预制塔筒如何施加合适的预应力，防止预应力钢筋断裂，如何减少表面开裂，如何使得预制塔筒在极大的偶然荷载下依然不倒塌甚至做到可修复，仍然是亟待解决的技术问题。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒及其制造方法。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒由多个塔筒段组成，塔筒段由多个预制组合塔筒分片拼接组成。
所述塔筒分片从外向内主要由外侧混凝土片层、钢板层和内侧混凝土片层组成。
外侧混凝土片层主要由高初裂强度低收缩超高性能混凝土与外侧复合钢筋组成。所述高初裂强度低收缩超高性能混凝土的性能值指标为：初裂抗拉强度≥7MPa，混凝土7d自由收缩≤200μm/m。所述外侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3～1；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值≥1.5，负泊松比钢筋屈服强度≤0.6倍负泊松比钢筋极限抗拉强度；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的钢筋。
内侧混凝土片层主要由高拉伸应变低收缩超高性能混凝土与内侧复合钢筋组成。所述高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的性能值指标为：极限抗拉强度≥7MPa，极限拉伸应变≥0.5％，混凝土7d自由收缩≤300μm/m。所述内侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3～1；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值≥1.5，负泊松比钢筋屈服强度≤0.6倍负泊松比钢筋极限抗拉强度；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的钢筋。
钢板层主要由钢板构成，位于外侧混凝土片层和内侧混凝土片层之间，作为受力层，还包括位于钢板上的锚固构造，用于钢板层与内侧混凝土片层、外侧混凝土片层之间的连接。优选所述锚固构造为铆钉、栓钉以及钢板开孔中的一种以上。
优选外侧混凝土片层中的高初裂强度低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份～0.4份，粉煤灰微珠0.1份～0.3份，细集料1份～1.5份，超吸水聚合物0.002份～0.004份，钢纤维0.1份～0.35份，其他纤维0.015份～0.05份，减水剂0.005份～0.03份，补偿收缩剂0.001份～0.003份，膨胀剂0.01份～0.03份，水0.2份～0.35份。
所述水泥为本领域常规技术所使用的水泥。
所述细集料为本领域常规技术所使用的细集料。
优选所述超吸水聚合物为丙烯酸共聚物、丙烯酰胺共聚物、聚丙烯酸或海藻酸基水凝胶。
所述其他纤维为聚乙烯纤维、超高分子聚乙烯纤维、聚甲醛(POM)纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的至少一种。
所述减水剂为本领域常规技术所使用的减水剂。
所述补偿收缩剂为本领域常规技术所使用的补偿收缩剂。
所述膨胀剂为本领域常规技术所使用的膨胀剂。
一种高初裂强度低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将除钢纤维和其他纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和其他纤维混合均匀，即可制备得到。
优选内侧混凝土片层中的高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份～0.4份，粉煤灰微珠0.1份～0.3份，细集料1份～1.5份，超吸水聚合物0.002份～0.006份，钢纤维0.1份～0.35份，超高分子量聚乙烯纤维0.008份～0.04份，减水剂0.005份～0.03份，补偿收缩剂0.001份～0.003份，膨胀剂0.01份～0.03份，水0.2份～0.4份。
所述水泥为本领域常规技术所使用的水泥。
所述细集料为本领域常规技术所使用的细集料。
优选所述超吸水聚合物为丙烯酸共聚物、丙烯酰胺共聚物、聚丙烯酸或海藻酸基水凝胶；
所述减水剂为本领域常规技术所使用的减水剂。
所述补偿收缩剂为本领域常规技术所使用的补偿收缩剂。
所述膨胀剂为本领域常规技术所使用的膨胀剂。
一种高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维混合均匀，即可制备得到。
优选所述塔筒段通过螺栓连接同分段两个相邻的塔筒分片中的钢板，通过机械连接的方式将两个相邻的塔筒分片的内侧混凝土片层之间用钢筋相连，外侧混凝土片层之间用钢筋相连；所述塔筒段上设有多个凹槽，每两个相邻的塔筒分片之间对应有多对凹槽，每对凹槽之间存在预留管道，预应力钢筋或钢绞线通过所述预留管道进行穿束；在每两个相邻的塔筒分片之间的缝隙处设有后浇带预留位置用于后期浇筑混凝土形成后浇带。
优选所述相邻塔筒段之间通过螺栓或焊接连接两个相邻的塔筒段的钢板、通过机械连接方式将两个相邻的塔筒段内侧混凝土片层之间用钢筋相连，外侧混凝土片层之间用钢筋相连；所述塔筒段上设有多个凹槽，每两个相邻的塔筒段之间对应有多对凹槽，每对凹槽之间存在预留管道，预应力钢筋或钢绞线通过所述预留管道与每对凹槽相连接；在每两个相邻的塔筒段之间的缝隙处设有后浇带预留位置用于后期浇筑混凝土形成后浇带；其中，通过所述钢筋或钢绞线可以施加拉结预应力。
优选后浇带预留位置处浇筑的混凝土的性能指标不低于其所连接的内侧混凝土片层或外侧混凝土片层中的所述超高性能混凝土的性能指标。
优选所述预应力钢筋或钢绞线分为两种类型，一种类型是内侧混凝土片层和外侧混凝土片层内用于施加超高性能混凝土抗裂预应力的预应力钢筋或钢绞线，可根据需求采用普通钢筋、钢绞线或负泊松比钢筋；另一种类型是内侧混凝土片层和外侧混凝土片层之间用于相互连接成为整体的施加预应力的预应力钢筋或钢绞线，该类型预应力钢筋或钢绞线主要采用负泊松比钢筋或负泊松比钢绞线。
一种本发明所述的复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒的制造方法，所述方法包括以下步骤：
(1)根据风电塔筒的设计需求选择合适弧度及大小的钢板作为钢板层，钢板层作为中间的受力骨架，以钢板层作为底模安装其他方向的端模与顶模，并分别布置复合钢筋以及预留管道，如有必要使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，在模具中浇筑一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具。
(2)以步骤(1)制得的一侧混凝土片层与钢板层作为底模安装其他方向端模与顶模，并布置复合钢筋及预留管道，使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，浇筑另一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具；使用后张法施加部分预应力，并继续养护到一个可以运输拼装状态的塔筒分片；根据所需制造风电塔筒的要求，制备若干个塔筒分片。
(3)将若干个塔筒分片运输至风电塔筒施工现场，将相邻塔筒分片放置于紧邻位置；连接塔筒分片，根据设计要求将整个圆周的塔筒分片全部连接后形成塔筒段，在塔筒分片上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋或钢绞线，并施加预应力，制备出一个可用于拼装连接的塔筒段；根据所需制造风电塔筒的高度要求，制备若干个塔筒段。
(4)根据设计要求将塔筒段由下至上逐次连接，在塔筒段上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋或钢绞线，并施加预应力，将各个分段牢固地连接成整体，制造得到风电塔筒。
有益效果
(1)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，旨在为超高性能混凝土预制风电塔筒提供较为全面的裂缝管控技术方案，从增加预应力、减少预应力钢筋断裂、减少超高性能混凝土收缩、增加外侧超高性能混凝土初裂强度、增加内侧超高性能混凝土拉伸应变、连接好各个预制构件以及防止塔筒过快倒塌多方面入手，从而提高超高性能混凝土预制风电塔筒的受力、耐久及安全性能。
(2)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的塔筒分片的外侧混凝土片层选用初裂抗拉强度≥7MPa，混凝土7d自由收缩≤200μm/m的超高性能混凝土作为外侧混凝土片层的混凝土材料，结合由负泊松比钢筋与普通钢筋组成外侧复合钢筋，可以实现提升所施加预应力值与材料抗裂能力，还提升了极限抗拉能力，并使在极限荷载下的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏。
(3)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的塔筒分片的内侧混凝土片层选用极限抗拉强度≥7MPa，极限拉伸应变≥0.5％，混凝土7d自由收缩≤300μm/m的超高性能混凝土作为内侧混凝土片层的混凝土材料，结合由负泊松比钢筋与普通钢筋组成内侧复合钢筋，可以实现提高塔筒构件内侧所施加预应力值与材料的抗裂能力，还提升了极限抗拉能力，并使在极限荷载下的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏；由于塔筒破坏时，内侧材料所受到的拉应力始终小于外侧，所以对材料的需求并不一样，内侧材料无需过高强度，但需要较高的应变能力，从而保证与钢板层和外侧混凝土层协同受力。
(4)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的塔筒分片的外侧混凝土片层采用的高初裂强度低收缩超高性能混凝土通过调整合适的水泥、硅灰、粉煤灰微珠、细集料配比从而达到紧密堆积的效果；使用本专利表述重量配比的补偿收缩剂与膨胀剂可以很好地减少低水胶比超高性能混凝土的自生收缩，防止开裂；使用本专利表述重量配比的超吸水聚合物可以提高超高性能混凝土内养护效果缓解混凝土材料内局部缺水而产生的收缩，并提高超高性能混凝土的抗冻性；采用钢纤维与其他纤维复合添加的方式，尤其是依照本专利优化的钢纤维与玄武岩纤维重量比掺加混杂纤维可以显著提高超高性能混凝土的初裂强度
(5)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的塔筒分片的内侧混凝土片层采用的高拉伸应变低收缩超高性能混凝土采用钢纤维与其他纤维复合添加的方式，尤其是依照本专利优化的钢纤维与超高分子聚乙烯纤维重量比掺加混杂纤维可以显著提高超高性能混凝土的拉伸应变率，但另一方面，整体的抗拉强度虽然有所降低，但更加复合内侧混凝土片层的使用要求。
(6)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的塔筒分片的内、外侧混凝土片层中采用的复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3～1；所述负泊松比钢筋的特点是在拉力作用下会横向膨胀，可以推迟颈缩现象获得更高的均匀伸长率与延展性。断裂伸长率普遍在60％以上，屈强比普遍小于0.45，弹性模量在196GPa以下；而同等强度的普通钢筋断裂伸长率只有15％左右，屈强比大于0.75，弹性模量在220GPa左右。实际上，由于辅助结构的介入，负泊松比钢筋在变得更有延展性，抗拉强度更高的同时，其弹性模量也有较为明显的降低，因此内外侧混凝土片层中的钢筋网可以使用一部分负泊松比钢筋进行替换，以提高整体构件的受力性能，尤其是极限荷载下的受力性能，然而全部使用负泊松比钢筋后也并不可取，负泊松比钢筋弹性模量降低易产生预应力损失，同时会在受力情况下使混凝土产生过大的应变，这会导致构件出现过大的变形或挠度，影响结构的使用性能和稳定性。根据试验数据，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3～1，负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值≥1.4，负泊松比钢筋屈强比小于0.6可以平衡各方面的需求
(7)本发明提供了一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒中的使用负泊松比钢制作预应力钢筋，使用超高性能混凝土做高拉压力抗裂材料，外层超高性能混凝土使用超吸水聚合物和玄武岩纤维，降低干缩，提高初裂强度，预埋钢板骨架，防倒塌，“三道防线”保护超高性能混凝土风电塔筒。设计荷载时，塔筒预应力钢筋与超高性能混凝土协同受力，不会出现裂缝；中等荷载时，塔筒可以出现裂缝，但是钢筋与钢板不会出现屈服现象；极端荷载情况下，塔筒可以出现裂缝，普通钢筋可能断裂，但负泊松比钢筋与钢板层开始发挥作用，钢板层限制塔筒发生大的位移，负泊松比钢筋以其巨大的塑性应力储备拉住各个预应力构件使其不散架。
附图说明
图1为实施例中所述风电塔筒的立体结构示意图。
图2为实施例中连接过程中的风电塔筒段的立体结构示意图。
图3为实施例中塔筒分片连接形成一个塔筒段的立体结构示意图。
图4为实施例中一个塔筒分片的立体结构示意图。
1—风电塔筒，2—塔筒段，3—塔筒分片，301—外侧混凝土片层，302—钢板层，303—内侧混凝土片层，4—后浇带，401—后浇带预留位置，5—钢板，501—锚固构造，6—预应力钢筋，601—凹槽，602—片层内预应力钢筋，603—片层间预应力钢筋
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
以下实施例和对比例中，制作抗折试件，做了缩小版风电塔筒：直径为0.5m，长度为2m。
实施例1
一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，如图1～4所示，所述风电塔筒1由4个塔筒段2组成，每个塔筒段2由4个预制组合塔筒分片3拼接组成。
所述塔筒分片3从外向内主要由65mm厚的外侧混凝土片层301、1mm厚的钢板层302和60mm厚的内侧混凝土片层303组成。
外侧混凝土片层301主要由高初裂强度低收缩超高性能混凝土与外侧复合钢筋组成。
外侧混凝土片层301中的高初裂强度低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份，粉煤灰微珠0.1份，细集料1份，丙烯酸共聚物0.0027份，钢纤维0.1份，玄武岩纤维0.05份，聚羧酸减水剂0.01份，补偿收缩剂0.002份，氧化镁膨胀剂0.02份，水0.24份。
所述水泥为普通硅酸盐水泥(PO52.5)；所述细集料为50目石英砂与80目石英砂与120目石英砂按照质量比1:1:1混合制得；所述补偿收缩剂为南京新义合成科技有限公司的塑性膨胀剂EP-2。
一种高初裂强度低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将除钢纤维和玄武岩纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和玄武岩纤维混合均匀，即可制备得到。
经过超高性能混凝土轴心抗拉与非接触法收缩试验可知：
所述高初裂强度低收缩超高性能混凝土的性能指标为：初裂抗拉强度为7MPa，混凝土7d自由收缩为200μm/m；轴心抗压强度标准值101MPa，轴心抗拉强度标准值10MPa。
所述外侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:1；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值为1.5，负泊松比钢筋极限抗拉强度为1000MPa，负泊松比钢筋屈服强度540MPa，总伸长率为60％；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的HRB400钢筋。
内侧混凝土片层303主要由高拉伸应变低收缩超高性能混凝土与内侧复合钢筋组成。
内侧混凝土片层303中的高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份，粉煤灰微珠0.1份，细集料1份，丙烯酸共聚物0.0024份，钢纤维0.1份，超高分子量聚乙烯纤维0.04份，聚羧酸减水剂0.012份，补偿收缩剂0.002份，氧化镁膨胀剂0.01份，水0.243份。
所述水泥为普通硅酸盐水泥(PO52.5)；所述细集料为100目石英砂与200目石英砂按照质量比2:1混合制得；所述补偿收缩剂为南京新义合成科技有限公司的塑性膨胀剂EP-2。
一种高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维混合均匀，即可制备得到。
经过超高性能混凝土轴心抗拉与非接触法收缩试验可知：
所述高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的性能指标为：极限抗拉强度为7MPa，极限拉伸应变为0.5％，混凝土7d自由收缩为300μm/m。
所述内侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:1；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值为1.5，负泊松比钢筋极限抗拉强度为1000MPa，负泊松比钢筋屈服强度540MPa，总伸长率为60％；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的HRB400钢筋。
钢板层302主要由钢板5构成，位于外侧混凝土片层301和内侧混凝土片层303之间，作为受力层，还包括位于钢板5上的锚固构造501，用于钢板层302与内侧混凝土片层303、外侧混凝土片层301之间的连接；所述锚固构造501为钢板开孔。
所述塔筒段2通过螺栓连接同段两个相邻的塔筒分片3中的钢板5，通过挤压套筒进行连接的方式将两个相邻的塔筒分片3的内侧混凝土片层303之间用钢筋相连，外侧混凝土片层301之间用钢筋相连；所述塔筒段2上设有多个凹槽601，每两个相邻的塔筒分片3之间对应有多对凹槽601，每对凹槽601之间存在预留管道，预应力钢筋6或钢绞线通过所述预留管道进行穿束；在每两个相邻的塔筒分片3之间的缝隙处设有后浇带预留位置401用于后期浇筑混凝土形成后浇带4。
所述相邻塔筒段2之间通过焊接连接两个相邻的塔筒段2的钢板5、通过挤压套筒进行连接的方式将两个相邻的塔筒段2内侧混凝土片层303之间用钢筋相连，外侧混凝土片层301之间用钢筋相连；所述塔筒段2上设有多个凹槽601，每两个相邻的塔筒段2之间对应有多对凹槽601，每对凹槽601之间存在预留管道，预应力钢筋6或钢绞线通过所述预留管道与每对凹槽601相连接；在每两个相邻的塔筒段2之间的缝隙处设有后浇带预留位置401用于后期浇筑混凝土形成后浇带4；其中，通过所述钢筋或钢绞线可以施加拉结预应力100MPa。
后浇带预留位置401处浇筑的混凝土的性能指标与其对应相连接的内侧混凝土片层303或外侧混凝土片层301中所述的超高性能混凝土的性能指标一致。
所述预应力钢筋6分为两种类型，一种类型是内侧混凝土片层303和外侧混凝土片层301内用于施加超高性能混凝土抗裂预应力的片层内预应力钢筋602，采用普通钢筋与负泊松比钢筋的组合；另一种类型是内侧混凝土片层303和外侧混凝土片层301之间用于相互连接成为整体的施加预应力的片层间预应力钢筋603，主要采用负泊松比钢筋。
一种本实施例所述的复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒的制造方法，所述方法包括以下步骤：
(1)根据风电塔筒的设计需求选择合适弧度及大小的钢板作为钢板层，钢板层作为中间的受力骨架，以钢板层作为底模安装其他方向的端模与顶模，并分别布置复合钢筋以及预留管道，如有必要使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，在模具中浇筑一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具。
(2)以步骤(1)制得的一侧混凝土片层与钢板层作为底模安装其他方向端模与顶模，并布置复合钢筋及预留管道，使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，浇筑另一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到另一侧的混凝土片层，然后拆除模具；使用后张法施加部分预应力，并继续养护到一个可以运输拼装状态的塔筒分片；根据所需制造风电塔筒的要求，制备16个塔筒分片。
(3)将16个塔筒分片运输至风电塔筒施工现场，将相邻塔筒分片放置于紧邻位置；连接塔筒分片，根据设计要求将整个圆周的塔筒分片全部连接后形成塔筒段，在塔筒分片上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋，并施加预应力，制备出一个可用于拼装连接的塔筒段；根据所需制造风电塔筒的高度要求，制备4个直径一致的塔筒段。
(4)根据设计要求将塔筒段由下至上逐次连接，在塔筒段上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋，并施加预应力，将各个塔筒段牢固地连接成整体，制造得到风电塔筒。
对本实施例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
开裂风荷载为324.238kPa，顶点位移0.21mm；极限风荷载承载力为578.322kPa，顶点位移176.632mm。
实施例2
一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，如图1～4所示，所述风电塔筒1由4个塔筒段2组成，每个塔筒段2由4个预制组合塔筒分片3拼接组成。
所述塔筒分片3从外向内主要由65mm厚的外侧混凝土片层301、1mm厚的钢板层302和60mm厚的内侧混凝土片层303组成。
外侧混凝土片层301主要由高初裂强度低收缩超高性能混凝土与外侧复合钢筋组成。
外侧混凝土片层301中的高初裂强度低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.4份，粉煤灰微珠0.3份，细集料1.5份，丙烯酰胺共聚物0.004份，钢纤维0.35份，碳纤维0.015份，聚羧酸减水剂0.012份，补偿收缩剂0.002份，氧化镁膨胀剂0.02份，水0.23份。
所述水泥为普通硅酸盐水泥(PO52.5)；所述细集料为50目石英砂与80目石英砂与120目石英砂按照质量比1:1:1混合制得；所述补偿收缩剂为南京新义合成科技有限公司的塑性膨胀剂EP-2。
一种高初裂强度低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将除钢纤维和碳纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和碳岩纤维混合均匀，即可制备得到。
经过超高性能混凝土轴心抗拉与非接触法收缩试验可知：
所述高初裂强度低收缩超高性能混凝土的性能指标为：初裂抗拉强度为7.5MPa，混凝土7d自由收缩为220μm/m。
所述外侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值为1.5，负泊松比钢筋极限抗拉强度为1000MPa，负泊松比钢筋屈服强度540MPa，总伸长率为60％；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的HRB400钢筋。
内侧混凝土片层303主要由高拉伸应变低收缩超高性能混凝土与内侧复合钢筋组成。
内侧混凝土片层303中的高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.4份，粉煤灰微珠0.3份，细集料1.5份，丙烯酰胺共聚物0.004份，钢纤维0.35份，超高分子量聚乙烯纤维0.008份，聚羧酸减水剂0.015份，补偿收缩剂0.003份，氧化镁膨胀剂0.02份，水0.23份。
所述水泥为普通硅酸盐水泥(PO52.5)；所述细集料为100目石英砂与200目石英砂按照质量比2:1混合制得；所述补偿收缩剂为南京新义合成科技有限公司的塑性膨胀剂EP-2。
一种高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的制备方法，所述方法步骤如下：
先将钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维之外的各个原料组组成成分充分混合均匀，然后再加入钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维混合均匀，即可制备得到。
经过超高性能混凝土轴心抗拉与非接触法收缩试验可知：
所述高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的性能指标为：极限抗拉强度为8MPa，极限拉伸应变为0.9％，混凝土7d自由收缩为270μm/m。
所述内侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋组成，负泊松比钢筋配筋量与普通钢筋的配筋量比值为1:0.3；所述负泊松比钢筋要求负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值为1.5，负泊松比钢筋极限抗拉强度为1000MPa，负泊松比钢筋屈服强度540MPa，总伸长率为60％；所述普通钢筋为本领域常规技术采用的HRB400钢筋。
钢板层302主要由钢板5构成，位于外侧混凝土片层301和内侧混凝土片层303之间，作为受力层，还包括位于钢板5上的锚固构造501，用于钢板层302与内侧混凝土片层303、外侧混凝土片层301之间的连接；所述锚固构造501为钢板开孔。
所述塔筒段2通过螺栓连接同段两个相邻的塔筒分片3中的钢板5，通过挤压套筒进行连接的方式连接两个相邻的塔筒分片3的内侧混凝土片层303之间采用钢筋相连，外侧混凝土片层301之间采用钢筋相连；所述塔筒段2上设有多个凹槽601，每两个相邻的塔筒分片3之间对应有多对凹槽601，每对凹槽601之间存在预留管道，预应力钢筋6或钢绞线通过所述预留管道进行穿束；在每两个相邻的塔筒分片3之间的缝隙处设有后浇带预留位置401用于后期浇筑混凝土形成后浇带4。
所述相邻塔筒段2之间通过螺栓连接两个相邻的塔筒段2的钢板5、通过挤压套筒进行连接的方式将两个相邻的塔筒段2内侧混凝土片层303之间用钢筋相连，外侧混凝土片层301之间用钢筋相连；所述塔筒段2上设有多个凹槽601，每两个相邻的塔筒段2之间对应有多对凹槽601，每对凹槽601之间存在预留管道，预应力钢筋6或钢绞线通过所述预留管道与每对凹槽601相连接；在每两个相邻的塔筒段2之间的缝隙处设有后浇带预留位置401用于后期浇筑混凝土形成后浇带4；其中，通过所述钢筋或钢绞线可以施加拉结预应力100MPa。
后浇带预留位置401处浇筑的混凝土的性能指标与其对应相连接的内侧混凝土片层303或外侧混凝土片层301所采用的超高性能混凝土的性能指标一致。
所述预应力钢筋6分为两种类型，一种类型是内侧混凝土片层303和外侧混凝土片层301内用于施加超高性能混凝土抗裂预应力的片层内预应力钢筋602，采用普通钢筋与负泊松比钢筋的组合；另一种类型是内侧混凝土片层303和外侧混凝土片层301之间用于相互连接成为整体的施加预应力的片层间预应力钢筋603，该类型预应力钢筋主要采用负泊松比钢筋。
一种本实施例所述的复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒的制造方法，所述方法包括以下步骤：
(1)根据风电塔筒的设计需求选择合适弧度及大小的钢板作为钢板层，钢板层作为中间的受力骨架，以钢板层作为底模安装其他方向的端模与顶模，并分别布置复合钢筋以及预留管道，如有必要使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，在模具中浇筑一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具。
(2)以步骤(1)制得的一侧混凝土片层与钢板层作为底模安装其他方向端模与顶模，并布置复合钢筋及预留管道，使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，浇筑另一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到另一侧的混凝土片层，然后拆除模具；使用后张法施加部分预应力，并继续养护到一个可以运输拼装状态的塔筒分片；根据所需制造风电塔筒的要求，制备16个塔筒分片。
(3)将16个塔筒分片运输至风电塔筒施工现场，将相邻塔筒分片放置于紧邻位置；连接塔筒分片，根据设计要求将整个圆周的塔筒分片全部连接后形成塔筒段，在塔筒分片上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋，并施加预应力，制备出一个可用于拼装连接的塔筒段；根据所需制造风电塔筒的高度要求，制备4个直径一致的塔筒段。
(4)根据设计要求将塔筒段由下至上逐次连接，在塔筒段上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋，并施加预应力，将各个塔筒段牢固地连接成整体，制造得到风电塔筒。
对本实施例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
开裂风荷载为368.376kPa，顶点位移0.27mm；极限风荷载承载力为650.681kPa，顶点位移211.59mm。
对比例1
一种风电塔筒，所述风电塔筒由4个塔筒段轴向拼接制成，每个塔筒段由4个塔筒分片环向拼接制成。
塔筒分片为厚度为3mm的钢板层，无混凝土层，直径0.5m，长度2m。
对本对比例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
屈服承载力222.868kPa，屈服位移47.63mm；极限承载力为463.1kPa，顶点位移267.79mm。
对比例2
一种风电塔筒，所述风电塔筒由4个塔筒段轴向拼接制成，每个塔筒段由4个塔筒分片环向拼接制成。
塔筒分片由厚度为125mm的C80混凝土浇筑层构成，混凝土层内部设有HRB400钢筋，截面配筋率3％，钢筋为HRB400。
对本对比例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
开裂荷载为74.533kPa，顶点位移0.36mm；极限承载力为162.675kPa，顶点位移1.23mm。
对比例3
一种风电塔筒，所述风电塔筒由4个塔筒段轴向拼接制成，每个塔筒段由4个塔筒分片环向拼接制成。
塔筒分片由厚度为125mm的C80混凝土层构成，混凝土层内部设有HRB500钢筋，配筋率3％，施加100MPa预应力。
对本对比例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
开裂荷载为152.335kPa，顶点位移0.15mm；极限承载力为234.876kPa，顶点位移1.02mm。
对比例4
一种风电塔筒，所述风电塔筒由4个塔筒段轴向拼接制成，每个塔筒段由4个塔筒分片环向拼接制成。
塔筒分片由厚度为125mm的C80混凝土层和厚度为1mm钢板层构成，外层混凝土层65mm厚，内侧混凝土层60mm厚，混凝土层内设有HRB500钢筋配筋率3％，施加100MPa预应力。
对本对比例制得的风电塔筒进行悬臂固定，并施加横向均布荷载代表其遭受的风压荷载，经过试验可知：
开裂荷载为324.238kPa，顶点位移0.21mm；极限承载力为626.527kPa，顶点位移198.76mm。
Claims (10)
1.一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，所述塔筒由多个塔筒段组成，塔筒段由多个预制组合塔筒分片拼接组成，其特征在于：
所述塔筒分片从外向内主要由外侧混凝土片层、钢板层和内侧混凝土片层组成；
外侧混凝土片层主要由高初裂强度低收缩超高性能混凝土与外侧复合钢筋组成；高初裂强度低收缩超高性能混凝土的性能值指标为：初裂抗拉强度≥7MPa，混凝土7d自由收缩≤200μm/m；外侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋按照配筋量比值为1:0.3～1组成；
内侧混凝土片层主要由高拉伸应变低收缩超高性能混凝土与内侧复合钢筋组成；高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的性能值指标为：极限抗拉强度≥7MPa，极限拉伸应变≥0.5％，混凝土7d自由收缩≤300μm/m；内侧复合钢筋由负泊松比钢筋与普通钢筋按照配筋量比值为1:0.3～1组成；
负泊松比钢筋屈服强度/普通钢筋拉应力荷载设计值≥1.5，负泊松比钢筋屈服强度≤0.6倍负泊松比钢筋极限抗拉强度；
钢板层主要由钢板和位于钢板上的锚固构造构成。
2.根据权利要求1所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：外侧混凝土片层中的高初裂强度低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份～0.4份，粉煤灰微珠0.1份～0.3份，细集料1份～1.5份，超吸水聚合物0.002份～0.004份，钢纤维0.1份～0.35份，其他纤维0.015份～0.05份，减水剂0.005份～0.03份，补偿收缩剂0.001份～0.003份，膨胀剂0.01份～0.03份，水0.2份～0.35份；
所述其他纤维为聚乙烯纤维、超高分子聚乙烯纤维、聚甲醛纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：内侧混凝土片层中的高拉伸应变低收缩超高性能混凝土的原料组成成分及其重量份数如下：
水泥1份，硅灰0.2份～0.4份，粉煤灰微珠0.1份～0.3份，细集料1份～1.5份，超吸水聚合物0.002份～0.006份，钢纤维0.1份～0.35份，超高分子量聚乙烯纤维0.008份～0.04份，减水剂0.005份～0.03份，补偿收缩剂0.001份～0.003份，膨胀剂0.01份～0.03份，水0.2份～0.4份。
4.根据权利要求2或3所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：所述超吸水聚合物为丙烯酸共聚物、丙烯酰胺共聚物、聚丙烯酸或海藻酸基水凝胶。
5.根据权利要求1所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：所述锚固构造为铆钉、栓钉以及钢板开孔中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：所述塔筒段通过螺栓连接同分段两个相邻的塔筒分片中的钢板，通过机械连接的方式将两个相邻的塔筒分片的内侧混凝土片层之间用钢筋相连，外侧混凝土片层之间用钢筋相连；所述塔筒段上设有多个凹槽，每两个相邻的塔筒分片之间对应有多对凹槽，每对凹槽之间存在预留管道，预应力钢筋或钢绞线通过所述预留管道进行穿束；在每两个相邻的塔筒分片之间的缝隙处设有后浇带预留位置用于后期浇筑混凝土形成后浇带。
7.根据权利要求1所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：所述相邻塔筒段之间通过螺栓或焊接连接两个相邻的塔筒段的钢板、通过机械连接方式将两个相邻的塔筒段内侧混凝土片层之间用钢筋相连，外侧混凝土片层之间用钢筋相连；所述塔筒段上设有多个凹槽，每两个相邻的塔筒段之间对应有多对凹槽，每对凹槽之间存在预留管道，预应力钢筋或钢绞线通过所述预留管道与每对凹槽相连接；在每两个相邻的塔筒段之间的缝隙处设有后浇带预留位置用于后期浇筑混凝土形成后浇带；其中，通过所述钢筋或钢绞线可以施加拉结预应力。
8.根据权利要求6或7所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：后浇带预留位置处浇筑的混凝土的性能指标不低于其所连接的内侧混凝土片层或外侧混凝土片层中的所述超高性能混凝土的性能指标。
9.根据权利要求6或7所述的一种复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒，其特征在于：所述预应力钢筋或钢绞线分为两种类型，一种类型是内侧混凝土片层和外侧混凝土片层内用于施加超高性能混凝土抗裂预应力的预应力钢筋或钢绞线，采用普通钢筋、钢绞线或负泊松比钢筋；另一种类型是内侧混凝土片层和外侧混凝土片层之间用于相互连接成为整体的施加预应力的预应力钢筋或钢绞线，该类型预应力钢筋或钢绞线采用负泊松比钢筋或负泊松比钢绞线。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的复合材质抗裂高强预制组合风电塔筒的制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)根据风电塔筒的设计需求选择合适弧度及大小的钢板作为钢板层，钢板层作为中间的受力骨架，以钢板层作为底模安装其他方向的端模与顶模，并分别布置复合钢筋以及预留管道，如有必要使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，在模具中浇筑一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具；
(2)以步骤(1)制得的一侧混凝土片层与钢板层作为底模安装其他方向端模与顶模，并布置复合钢筋及预留管道，使用先张法施加部分预应力，而后合紧底模、端模与顶模形成模具，浇筑另一侧混凝土片层中的超高性能混凝土；待所述的超高性能混凝土终凝后养护，得到一侧的混凝土片层，然后拆除模具；使用后张法施加部分预应力，并继续养护到一个可以运输拼装状态的塔筒分片；根据所需制造风电塔筒的要求，制备若干个塔筒分片；
(3)将若干个塔筒分片运输至风电塔筒施工现场，将相邻塔筒分片放置于紧邻位置；连接塔筒分片，根据设计要求将整个圆周的塔筒分片全部连接后形成塔筒段，在塔筒分片上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋或钢绞线，并施加预应力，制备出一个可用于拼装连接的塔筒段；根据所需制造风电塔筒的高度要求，制备若干个塔筒段；
(4)根据设计要求将塔筒段由下至上逐次连接，在塔筒段上的后浇带预留位置上浇筑混凝土，待其终凝养护成型硬化后，穿束连接用预应力钢筋或钢绞线，并施加预应力，将各个分段牢固地连接成整体，制造得到风电塔筒。
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