CN219529203U - 环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，通过钢塔筒内部环向阵列式布置一定数量的附属钢管，与外部钢筒形成空腔，空腔内加压浇筑形成空间预应力钢管混凝土，通过钢管混凝土来增强整个塔筒的刚度和承载能力，从而减少整个塔筒的钢材用量和预制成本。所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒沿高度方向可以设置为若干段，各相邻分段塔筒通过异型法兰盘和螺栓进行连接，各分段塔筒可提前在预制工厂进行钢构件焊接、法兰盘焊接、混凝土浇筑等预制工艺，实现全塔筒装配式快速连接。本实用新型改善了塔筒的结构形式和预制工艺，大大减少了风电塔筒的工程造价以及施工周期。

Description

环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，涉及一种环向阵列式预应力钢管混凝土塔筒。

背景技术

随着陆上和海上风电的规模化发展，风电机组逐渐向大单机容量和大叶轮直径发展，伴随而来的是轮毂高度的抬高以及风机载荷的激增，进而对风机塔筒的安全性、可靠性造成严峻挑战；另一方面，目前风电钢塔筒由于钢材用量较大，单个塔筒的造价成本昂贵，经济型较差。

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钢管混凝土塔筒，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。目前钢管混凝土塔筒绝大多数采用中空夹层钢管混凝土结构，该结构需要内外两层钢管，相对于全钢塔筒，经济性提升幅度有限，且内外层中空钢管的整体连接性不强，承载性能较差，难以实现大规模推广应用。因此，亟需研究和发展一种适应大型风力发电机组的新型塔筒结构，以提高塔筒的经济性和安全性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述存在的问题，提供一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，通过分段塔筒的空间预应力钢管混凝土依次的干式连接，来增强整个塔筒的刚度和承载能力，从而达到减少塔筒钢材用量的目的，减少塔筒的预制成本以及现场装配时间。

为此，本实用新型采用以下技术方案：

一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒包括上下依次相连的多段分段塔筒；

所述分段塔筒包括外部钢筒、异型法兰盘、若干内部附属钢管、预应力混凝土柱；

所述外部钢筒顶底两端分别焊接连接所述异型法兰盘；

所述若干内部附属钢管沿外部钢筒的内壁环向均匀分布并与外部钢筒沿长度方向进行焊接，各内部附属钢管顶底两端分别与异型法兰盘进行焊接；

所述异型法兰盘包括圆环法兰盘与若干在圆环法兰盘内圈分布的内部附属钢管封闭法兰盘；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔，内部附属钢管封闭法兰盘的不与圆环法兰盘相接的周边在与内部附属钢管连接部位之外也设置螺栓连接孔；

所述外部钢筒、若干内部附属钢管、异型法兰盘焊接后形成若干个内部空腔，所述内部空腔内浇筑形成所述预应力混凝土柱，并与其外部钢筒结合成空间预应力钢管混凝土；

分段塔筒之间采用螺栓通过异型式法兰盘进行连接。

各分段塔筒可提前在预制工厂进行钢构件焊接、混凝土加压浇筑等预制工艺，在现场通过螺栓连接，实现全塔筒装配式快速连接，并且预应力混凝土通过法兰盘在塔筒高度方向传力，所述分段钢管混凝土塔筒通过若干阵列排布的空间预应力钢管混凝土柱来加强外部钢筒的刚度和承载能力，从而达到减少塔筒钢材用量的目的，节约成本，解决风电机组钢塔筒造价昂贵的问题。

在采用上述技术方案的基础上，本实用新型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：

内部附属钢管封闭法兰盘设置有混凝土灌浆口和加压注浆孔。

所述内部附属钢管分为上中下三段式结构，中间段为曲面钢板，其截面形状沿外部塔筒轴向不发生变化，上下两部分为渐变过渡段，其截面形状随着渐变过渡段的高度会发生变化，随着渐变过渡段的高度位置靠近异型法兰盘会逐渐缩小，上下渐变过渡段分别与上下异型法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘进行焊接。

渐变过渡段的钢管进行加厚处理，其外侧面与外部钢筒的内壁不接触而有间隔，外部钢筒和渐变过渡段钢管之间设置加劲板，加劲板一侧与外部钢管进行焊接，加劲板另一侧与渐变过渡段钢管进行焊接。

在空腔内部，外部钢筒和内部附属钢管内壁均设置剪力键。

法兰螺栓连接时设置高强度防松动垫块以防止上下相邻分段塔筒脱开。

高强度防松动垫块由两块外形完全相同的钢制构件构成，所述钢制构件中间区域设置孔洞，以供螺栓穿过，螺栓拧紧后高强度垫块始终保持在弹性阶段。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提出的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，可提供一种经济性好、预制程度高的装配式钢管混凝土塔筒结构，不仅结构精致而且承载能力强。

(2)本实用新型提出的环向阵列式排布的空间预应力钢管混凝土塔筒，通过预应力混凝土柱增加塔筒刚度，在保持塔筒整体刚度满足需求的前提下，可以大幅度减少钢材用量，可节约成本高达10-15％，大大提高海上塔筒的经济性。

(3)本实用新型提出的异型法兰盘，可以有效实现上下两段“空间预应力混凝土”塔筒之间预应力混凝土柱的干式连接效果，预应力混凝土柱可提前在工厂进行预制并用钢结构空间保持，实现全塔筒结构的工厂预制以及干式连接，极大地提高了塔筒的施工效率，缩短施工周期；并且，不需要在现场实施预应力操作，使得海上塔筒领域也能够在工程实际运用中采用预应力塔筒。同时，该构造形式的法兰盘相比常规圆环形法兰盘，可以进一步提高分段塔筒连接的安全性和整体性。

(4)本实用新型提出的上中下三段式构造形式的内部附属钢管，可以有效避免混凝土柱所在区域的法兰连接强度问题，能够提高预应力传递效果，通过增加内部附属钢管的上下过渡段段区域的钢管壁厚以及设置加劲板，来弥补混凝土柱横截面减小而带来的刚度损失。

附图说明

图1是环向阵列式空间预应力钢管混凝土分段塔筒的三维效果示意图。

图2是环向阵列式空间预应力钢管混凝土分段塔筒的纵剖图。

图3是异型法兰盘示意图。

图4是图2的B-B剖视图。

图5是相邻分段塔筒之间的法兰盘螺栓连接示意图。

图6是螺栓连接高强度放松动垫块示意图。

具体实施方式

本实施例为一座轮毂高度180m、叶轮直径160m环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1、2所示为上述钢管混凝土塔筒的分段塔筒，该分段塔筒高度为20m，直径为8m，包括异型法兰盘1、外部钢筒2、若干个内部附属钢管3、预应力混凝土柱4、螺栓5和高强度防松动垫块6。外部钢筒2为圆锥形薄壁中空钢管，厚度设置为60mm，内部附属钢管3的厚度设置为12mm，异型法兰盘的厚度为120mm，外部钢管2的上下端与分别与异型法兰盘1进行焊接；内部附属钢管3与外部钢筒2的内壁沿钢筒长度方向进行焊接，内部附属钢管3沿外部钢筒2内壁呈环向阵列式排布；为了增强预应力混凝土柱的抗压及抗拉能力，各内部附属钢管3顶底两端分别与异型法兰盘1进行焊接；外部钢筒2、若干内部附属钢管3、异型法兰盘1焊接后会形成若干个内部空腔，通过注浆加压混凝土，在内部附属钢管3、异型法兰盘1焊接后形成的内部空腔中形成预应力混凝土柱4，在轴向、径向、环向都处于预应力状态，达到“空间预应力混凝土”的效果，经异型法兰盘1连接后形成预应力钢管混凝土塔筒。具备上述“空间预应力混凝土”效果的上下两段塔筒通过用异型法兰盘用螺栓连接，传递和连接预应力，可以有效地实现上下塔筒段混凝土柱的干式连接，同时能极大程度避免混凝土在运输、浇筑、安装过程中的损坏，保证混凝土柱的质量和完整性。

如图3所示，异型法兰盘1由圆环法兰盘101与若干在圆环法兰盘101内圈分布的内部附属钢管封闭法兰盘102焊接所得到，内部附属钢管封闭法兰盘102可实施为与内部附属钢管的端部形状适配的半圆形板，圆环法兰盘101用于固定钢管混凝土塔筒的相邻分段塔筒，圆环法兰盘101的厚度可设置为80-120mm，内部附属钢管封闭法兰盘102的位置对应内部附属钢管3所在的位置，用于与内部附属钢管3的端部焊接，形成所述内部空腔，固定预应力钢管混凝土柱4，考虑到塔筒的经济性，内部附属钢管封闭法兰盘102的厚度可进行适当折减，小于圆环法兰盘101的厚度，设置为40-60mm。异型法兰盘1上的各内部附属钢管封闭法兰盘102均设置有混凝土灌浆口103和加压注浆孔104，混凝土灌浆口103直径设置为70mm，加压注浆孔104的直径小于混凝土灌浆口103的直径，设置为15mm。圆环法兰盘101设置一圈螺栓孔106，内部附属钢管封闭法兰盘102的不与圆环法兰盘101相接的周边在与内部附属钢管3连接部位之外，也设置螺栓连接孔106，相邻分段塔筒的异型法兰盘1之间通过螺栓5不仅在圆环法兰盘101处连接，也在内部附属钢管封闭法兰盘102周边处连接。

如图2所示，内部附属钢管3，为上中下三段式结构，中间部分为曲面钢板301，其长度选择为分段钢管混凝土塔筒高度的70％～90％，该段钢管的外轮廓形状选择240°～270°扇形，该段钢管的其余外侧壁利用外部钢筒2；上下两部分为渐变过渡段钢管302，渐变过渡段钢管302的外轮廓形状类似于椭圆形，且随着渐变过渡段的高度位置越靠近异型法兰盘，其外轮廓形状会逐渐缩小，其外侧面3021与外部钢筒2的内壁不接触而有间隔。该构造形式的内部附属钢管，可以有效避免混凝土柱所在区域的法兰连接强度问题。为了弥补上下过渡段钢管混凝土的刚度，上下过渡段钢管302的厚度进行加厚处理。加劲板105立置于外部钢筒2和上下过渡段钢管302之间，加劲板105一侧与外部钢筒2进行焊接，加劲板另一侧与上下过渡段钢管302进行焊接。内部附属钢管顶底两端分别与异型法兰盘1进行焊接。

如图4所示，外部钢筒、内部附属钢管、异型法兰盘焊接后会形成空腔，在空腔结构内部，外部钢筒和内部附属钢管内壁设置多组剪力键7，加强混凝土柱与钢筒的粘结能力。空腔内部可提前在预制工厂加压浇筑混凝土，混凝土可使用普通混凝土或高性能混凝土，混凝土通过灌浆口103注入空腔，空腔内注满混凝土后，利用活塞堵住灌浆口103，并通过加压注浆孔104持续向空腔内注入混凝土，使混凝土处于受压状态，加压浇筑过程中，持续利用外部振捣器进行振捣，排除混凝土砂浆中的空气，并在保持受压的状态下进行冷却成型，形成预应力混凝土柱4，从而使整个分段塔筒成为预应力钢管混凝土塔筒。各分段预应力钢管混凝土塔筒可提前在预制工厂进行钢构件焊接、混凝土浇筑等预制工艺，方便施工现场进行全塔筒的快速拼装连接。

如图5所示，塔筒在施工现场进行吊装时，各相邻分段塔筒通过异型法兰盘1和螺栓5进行连接，螺栓5与各法兰盘连接时设置高强度防松动垫块6以防止螺栓松动。

如图6所示，特制高强度防松动垫块6由上下两块“盘型”钢制构件601盘口相对形成，“盘型”钢制构件601底部区域设置孔洞602，以方便螺栓5穿过，螺栓5拧紧后高强度防松动垫块处于弹性阶段。本实用新型提出的螺栓高强度放松垫块6可有效地防止螺栓松动时各分段塔筒连接面发生“脱开”现象，保证塔筒的安全性和可靠性。与常见的箱式垫块相比，本实用新型提出的特制高强度防松动垫块6由于结构本身的环向约束，强度更高，抗压性能更突出，螺栓更高不容易出现松动，塔筒结构更安全。

以上实施例仅为本实用新型的一种较优技术方案，而不是对本实用新型进行限制，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒包括上下依次相连的多段分段塔筒；

所述分段塔筒包括外部钢筒、异型法兰盘、若干内部附属钢管、预应力混凝土柱；

所述外部钢筒顶底两端分别焊接连接所述异型法兰盘；

所述若干内部附属钢管沿外部钢筒的内壁环向均匀分布并与外部钢筒沿长度方向进行焊接，各内部附属钢管顶底两端分别与异型法兰盘进行焊接；

所述异型法兰盘包括圆环法兰盘与若干在圆环法兰盘内圈分布的内部附属钢管封闭法兰盘；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔，内部附属钢管封闭法兰盘的不与圆环法兰盘相接的周边在与内部附属钢管连接部位之外也设置螺栓连接孔；

所述外部钢筒、若干内部附属钢管、异型法兰盘焊接后形成若干个内部空腔，所述内部空腔内浇筑形成所述预应力混凝土柱，并与其外部钢筒结合成空间预应力钢管混凝土；

分段塔筒之间采用螺栓通过异型式法兰盘进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，内部附属钢管封闭法兰盘设置有混凝土灌浆口和加压注浆孔。

3.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述内部附属钢管分为上中下三段式结构，中间段为曲面钢板，其截面形状沿外部塔筒轴向不发生变化，上下两部分为渐变过渡段，其截面形状随着渐变过渡段的高度会发生变化，随着渐变过渡段的高度位置靠近异型法兰盘会逐渐缩小，上下渐变过渡段分别与上下异型法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘进行焊接。

4.根据权利要求3所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，渐变过渡段的钢管进行加厚处理，其外侧面与外部钢筒的内壁不接触而有间隔，外部钢筒和渐变过渡段钢管之间设置加劲板，加劲板一侧与外部钢管进行焊接，加劲板另一侧与渐变过渡段钢管进行焊接。

5.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，法兰螺栓连接时设置高强度防松动垫块以防止上下相邻分段塔筒脱开。

6.根据权利要求5所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，高强度防松动垫块由两块外形完全相同的钢制构件构成，所述钢制构件中间区域设置孔洞，以供螺栓穿过，螺栓拧紧后高强度垫块始终保持在弹性阶段。