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CN113027692B - 一种用于风电结构的内环预应力装配式uhpc塔筒段 - Google Patents

一种用于风电结构的内环预应力装配式uhpc塔筒段 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，包括若干塔筒段分片和若干预应力组件，塔筒段由若干塔筒段分片边缘的连接键和连接槽拼接，并通过张拉穿过钢管孔道的高性能钢绞线形成的环形预应力形成整体。其中，塔筒段分片是由超高性能混凝土(UHPC)浇筑而成的标准构件，其体内埋有钢骨架。本发明塔筒段力学性能优良、整体性较强，易于标准化设计及工厂预制，便于运输和装配施工；设置在塔筒内侧的预应力组件可方便施工人员在塔筒内直接进行安装操作，实用性强。本发明兼备性能优良、便于施工的特点，具有较好的经济效益和实用价值。

Description

一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段
技术领域
本发明涉及风电结构塔筒技术领域，具体涉及一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段。
背景技术
我国近几十年的社会发展迅猛，目前已成为世界GDP总量第二的国家。然而，高速发展的背后也藏有严重的环境污染问题，如温室效应、雾霾、酸雨等。如今，国际形势竞争激烈，全球化石能源储存已无法满足各国猛烈的发展需求，在这个时代的节点上，发展、利用清洁能源刻不容缓。近年来，风能以其绿色、环保、可持续的特点受到世界各国的大力开发。相比于其他能源，风能可无限再生，且储量丰富；除此，风能还具有分布广、易获得、成本低的特点。目前全球风能储备充足，是可开发利用的水能总量的10倍。事实上，从21世纪开始，全球风电产业装机量连年呈线性增长，而我国风电装机量已位居世界前列。如今，为了进一步提升风能源利用率，风电机正朝着“功率大、塔架高、离岸远”的方向发展，这对新型风电塔的研发提出了更高的要求。
在建造方面，风电机发电效率的逐步提升要求塔筒尺寸不断增加，并且多建址于环境条件严苛的海上或山上，这给风电塔筒的预制、运输、组装都带来了巨大的困难。在结构性能方面，风电机塔筒高耸，塔顶安装有质量较大的旋翼与机舱，运行期间承受强风、海浪甚至强震等复杂环境荷载，这对其刚度和强度都提出了更高的性能要求。装配式预应力混凝土风电塔筒具有运输方便、组装快捷、施工周期短的优势，该结构形式刚度大、稳定性好、抗疲劳性能优越、受力明确，具有较好的应用前景。
现有装配式预应力混凝土风电塔筒结构形式主要表现为：将若干预制塔筒段吊装，并通过各种方式在高度方向上布置预应力构件使其形成整体。然而，该形式中塔筒段为塔筒整体装配中的最小单位，对于尺寸较大的风电塔筒仍存在塔筒段预制、运输、施工不便的问题。
在一些未使用预应力技术的装配式风电塔筒结构形式中，塔筒段被分为若干尺寸匹配的分片，在施工中，若干分片可组装成一个塔筒段，若干塔筒段可组装成一个塔筒。塔筒段分片可进一步降低装配构件的尺寸，便于预制、运输、组装。然而，该形式中分片多使用螺栓进行连接，存在安装繁琐、易出现局部缺陷的问题。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，主要为了开发一种通过预应力将分片组装成整体的新型塔筒段。该塔筒段运输方便、施工便捷、整体性好、传力明确，能够有效解决现有技术的不足。
为本发明采用的技术方案如下：一种用于风电结构的内环预应力装配式 UHPC塔筒段，包括若干塔筒段分片和若干预应力组件。所述塔筒段分片是塔筒段沿横截面周长等分的分段，可等分2片、4片或8片；塔筒段分片包括塔筒段分片壁、连接键、连接槽、锚固管体、开孔钢板、钢管孔道和钢连接片。
所述塔筒段分片壁为塔筒段分片的筒壁部分，其四个边缘截面设有两对连接构件分别用于圆周向及竖向的连接，一对连接构件包括一个连接键和一个连接槽，连接键与连接槽尺寸相匹配，连接键为塔筒段分片壁之间拼接的凸出构件，连接槽为塔筒段分片壁之间拼接的凹进构件，塔筒段分片通过将自身连接键插入相邻塔筒段分片的连接槽中实现拼接。连接键、连接槽的截面形状为坡度较缓的梯形，方便对接、拼装。
所述塔筒段分片壁凹陷侧表面设有若干凸出的锚固管体，所述锚固管体在竖向及同一水平高度的圆周方向皆均匀布置；所述锚固管体靠近塔筒段分片壁侧边缘的一端为对接端，远离的一端为锚固端；锚固管体的对接端管截面与塔筒段分片壁侧边缘截面平齐。
所述开孔钢板是预埋在塔筒段分片壁中间的弯曲钢板，二者沿塔筒段圆周方向的弯曲程度相同；所述开孔钢板的上下边缘设有钢端板，可保护连接键处局部凸出的混凝土，并使来自上部塔筒段的压力均匀传递；所述钢管孔道预埋在锚固管体内，并与开孔钢板通过若干钢连接片焊接；所述开孔钢板、钢管孔道和钢连接片三者连接形成的整体称为钢骨架，钢骨架用于传递高性能钢绞线的预紧力，并提升塔筒的整体力学性能。
所述预应力组件包括高性能钢绞线、螺纹头、高强螺纹锚管；若干所述高性能钢绞线穿过锚固管体中的钢管孔道，使用高强螺纹锚管将高性能钢绞线的两个末端连接，形成箍在塔筒段内侧的环形预应力体系。
进一步，所述塔筒段由相邻塔筒段分片上的连接键与连接槽拼接，并通过锚固管体中穿过的高性能钢绞线预拉力压紧形成整体；所述若干塔筒段沿竖向拼接成风电结构塔筒，并沿竖向通过张拉预应力筋或采用其他方式将若干塔筒段连接成整体。
进一步，所述塔筒段分片壁、连接键、连接槽、锚固管体、开孔钢板、钢管孔道和钢连接片组成的塔筒段分片由超高性能混凝土(UHPC)浇筑为一个整体。
进一步，所述锚固管体是沿塔筒段圆周方向布置的细长弯曲构件，沿管体长度方向尺寸明显大于其截面尺寸；所述钢管孔道是预埋在锚固管体管道截面形心的细长弯曲构件，沿塔筒段圆周方向布置。
进一步，所述高性能钢绞线具有一定柔度，可穿过塔筒段内壁若干锚固管道中的钢管孔道形成环状的预应力体系；所述高性能钢绞线两端固定有螺纹方向相反的螺纹头；所述螺纹头插入高强螺纹锚管中尺寸相匹配的螺纹孔，旋转高强螺纹锚管，可将螺纹头旋进螺纹孔中，并使高性能钢绞线产生预拉力。高性能钢绞线的张拉力大小由螺纹头旋进高强螺纹锚管内螺纹孔的长度决定。
本发明的技术效果是可以预估的，具有以下优点：
1.风电塔筒内壁的环形预应力组件将塔筒分片有效连接成整体，操作方便、快捷，装配所得塔筒段整体性好；
2.UHPC抗压强度高、抗裂性能强，耐久性好；开孔钢板可有效提升塔筒段的抗拉性能和延性；二者组合的塔筒段适用于条件恶劣的海上环境，有利于提高风电结构塔筒的整体性、实用性及安全性；
3.钢管孔道承担高性能钢绞线的预拉力，便于高强预应力钢绞线发挥自身性能；
4.钢端板可保护连接键处局部凸出的混凝土，并使来自上部塔筒段的压力均匀传递；
5.靠近塔筒段分片壁两侧边缘的锚固管体截面可增加塔筒段分片之间的对接面积，拼接稳定性强；
6.塔筒段分片各功能组成部分通过浇筑UHPC形成整体，易于标准化设计及批量生产，方便工厂预制及运输，简化现场装配施工操作工序；
7.高强螺纹锚管可将单根高性能钢绞线连接成环，简单实用；环形预应力组件设在塔筒段内壁，方便施工人员在塔筒内直接进行施工安装，易于操作。
附图说明
图1为风电结构示意图；
图2为由本发明组装的风电结构塔筒的三维示意图；
图3为实施例1中塔筒段的三维示意图；
图4为实施例1中塔筒段的侧视图；
图5为实施例1中塔筒段的顶部俯视图；
图6为实施例1中塔筒段带锚固管体的A-A截面剖视图；
图7为实施例1中塔筒段分片的三维示意图；
图8为实施例1中塔筒段分片的顶部俯视图；
图9为实施例1中塔筒段分片的B-B截面剖视图；
图10为实施例1中预应力组件示意图；
图11为实施例2中塔筒段分片的三维示意图；
图12为实施例3中塔筒段的顶部俯视图；
图13为实施例4中塔筒段的顶部俯视图。
图中：风电结构塔筒1、塔筒段2、塔筒段分片3、塔筒段分片壁301、连接键302、连接槽303、锚固管体304、对接端3041、锚固端3042、钢骨架4、开孔钢板401、钢管孔道402、钢连接片403、钢端板404、预应力组件5、高性能钢绞线501、螺纹头502、高强螺纹锚管503、螺纹孔504、风电机叶片6、风电机舱7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，参见图1，风电结构主要由风电结构塔筒1、风电机叶片6和风电机舱7组成。
参见图2，所述塔筒段2是风电结构塔筒1的分段，包括若干塔筒段分片3 和若干预应力组件5。
参见图3至图9，所述塔筒段分片3为塔筒段2沿横截面周长等分的分段，可等分2片、4片或8片，本例选择分为4片；所述塔筒段分片3包括塔筒段分片壁301、连接键302、连接槽303、锚固管体304、开孔钢板401、钢管孔道 402和钢连接片403。所述塔筒段分片壁301为塔筒段分片3的筒壁部分，其四个边缘截面设有两对连接构件分别用于圆周向及竖向的连接，一对连接构件包括一个连接键302和一个连接槽303，连接键302与连接槽303尺寸相匹配，连接键302为塔筒段分片壁301之间拼接的凸出构件，连接槽303为塔筒段分片壁301之间拼接的凹进构件，塔筒段分片3通过将自身连接键302插入相邻塔筒段分片3的连接槽303中实现拼接。连接键302、连接槽303的截面形状为坡度较缓的梯形，方便对接、拼装。
参见图7，所述塔筒段分片壁301凹陷侧表面设有若干凸出的锚固管体304，所述锚固管体304在竖向及同一水平高度的圆周方向皆均匀布置；所述锚固管体304靠近塔筒段分片壁301侧边缘的一端为对接端3041，远离的一端为锚固端3042；锚固管体304的对接端3041管截面与塔筒段分片壁301侧边缘截面平齐。
参见图7和图9，所述开孔钢板401是预埋在塔筒段分片壁301中间的弯曲钢板，二者沿塔筒段2圆周方向的弯曲程度相同；所述开孔钢板401的上下边缘设有钢端板404，可保护连接键301处局部凸出的混凝土，并使来自上部塔筒段2的压力均匀传递；所述钢管孔道402预埋在锚固管体304内，并与开孔钢板401通过若干钢连接片403焊接；所述开孔钢板401、钢管孔道402和钢连接片403三者连接形成的整体称为钢骨架4，钢骨架4用于传递高性能钢绞线的预紧力，并提升塔筒的整体力学性能。
参见图10，所述预应力组件5包括高性能钢绞线501、螺纹头502、高强螺纹锚管503。若干所述高性能钢绞线501穿过锚固管体304中的钢管孔道402，使用高强螺纹锚管503将高性能钢绞线501的两末端连接，形成箍在塔筒段2 内侧的环形预应力体系。
参见图3，所述塔筒段2由相邻塔筒段分片3上的连接键302与连接槽303 拼接，并通过锚固管体304中穿过的高性能钢绞线(501)预拉力压紧形成整体；所述若干塔筒段2沿竖向拼接成风电结构塔筒1，并沿竖向通过张拉预应力筋或采用其他方式将若干塔筒段2连接成整体。
参见图7，所述塔筒段分片壁301、连接键302、连接槽303、锚固管体304、开孔钢板401、钢管孔道402和钢连接片403组成的塔筒段分片3由UHPC浇筑为一个整体。
参见图3至图9，所述锚固管体304是沿塔筒段3圆周方向布置的细长弯曲构件，沿管体长度方向尺寸明显大于其截面尺寸；所述钢管孔道402是预埋在锚固管体304管道截面形心的细长弯曲构件，沿塔筒段2圆周方向布置。
参见图5、图7和图10，所述高性能钢绞线501具有一定柔度，可穿过塔筒段2内壁若干锚固管道304中的钢管孔道402形成环状的预应力体系。
参见图10，所述高性能钢绞线501两端固定有螺纹方向相反的螺纹头502；所述螺纹头502插入高强螺纹锚管503中尺寸相匹配的螺纹孔504，旋转高强螺纹锚管503，可将螺纹头502旋进螺纹孔504中，并使高性能钢绞线501产生预拉力。高性能钢绞线501的张拉力大小由螺纹头502旋进高强螺纹锚管503内螺纹孔504的长度决定。
本实施例的技术效果是可以预估的，具有以下优点：
1.风电塔筒1内壁的环形预应力组件4将塔筒分片3有效连接成整体，操作方便、快捷，装配所得塔筒段2整体性好；
2.UHPC抗压强度高、抗裂性能强，耐久性好；开孔钢板401可有效提升塔筒段2的抗拉性能和延性；二者组合的塔筒段2适用于条件恶劣的海上环境，有利于提高风电结构塔筒1的整体性、实用性及安全性；
3.钢管孔道402承担高性能钢绞线501的预拉力，便于高强预应力钢绞线 501发挥自身性能；
4.钢端板404可保护连接键302处局部凸出的混凝土，并使来自上部塔筒段2的压力均匀传递；
5.靠近塔筒段分片壁301两侧边缘的锚固管体304截面可增加塔筒段分片3 之间的对接面积，拼接稳定性强；
6.塔筒段分片3各功能组成部分通过浇筑UHPC形成整体，易于标准化设计及批量生产，方便工厂预制及运输，简化现场装配施工操作工序；
7.高强螺纹锚管503可将单根高性能钢绞线501连接成环，简单实用；环形预应力组件5设在塔筒段3内壁，方便施工人员在塔筒内直接进行施工安装，易于操作。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，进一步，参见图11，可沿竖向将所述塔筒段分片3凹陷侧的多个锚固管体304浇筑为整体，根据工程需求计算高性能钢绞线501的预应力大小及布置数量，并据此在锚固管体304中预设钢管孔道402。
所述整体浇筑的锚固管体304可降低预制混凝土塔筒段分片3标准件模板的制作难度。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，参见图12，在单个所述塔筒段分片3上沿圆周方向均匀设置多组锚固管体304。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例1，进一步，参见图13，设置较短的锚固管体 304长度，将若干根较短的高性能钢绞线501穿过两个相邻锚固管体304，张拉所述较短的高性能钢绞线501并直接在锚固管体304的锚固端3042使用锚具505 对其锚固，可形成塔筒段2内侧的分段预应力张拉体系。该实施例操作更为简单、方便，材料用量更少，施工人力要求更低，具有较好的经济效益。

Claims (5)

1.一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，其特征在于：所述塔筒段(2)是风电结构塔筒(1)的分段，包括若干塔筒段分片(3)和若干预应力组件(5)；
所述塔筒段分片(3)为塔筒段(2)沿横截面周长等分的分段；
所述塔筒段分片(3)包括塔筒段分片壁(301)、连接键(302)、连接槽(303)、锚固管体(304)、开孔钢板(401)、钢管孔道(402)和钢连接片(403)；
所述塔筒段分片壁(301)为塔筒段分片(3)的筒壁部分，其四个边缘截面设有两对连接构件分别用于圆周向及竖向的连接，一对连接构件包括一个连接键(302)和一个连接槽(303)，连接键(302)与连接槽(303)尺寸相匹配，连接键(302)为塔筒段分片壁(301)之间拼接的凸出构件，连接槽(303)为塔筒段分片壁(301)之间拼接的凹进构件，塔筒段分片(3)通过将自身连接键(302)插入相邻塔筒段分片(3)的连接槽(303)中实现拼接；
所述塔筒段分片壁(301)凹陷侧表面设有若干凸出的锚固管体(304)，所述锚固管体(304)在竖向及同一水平高度的圆周方向皆均匀布置；所述锚固管体(304)靠近塔筒段分片壁(301)侧边缘的一端为对接端(3041)，远离的一端为锚固端(3042)；锚固管体(304)的对接端(3041)管截面与塔筒段分片壁(301)侧边缘截面平齐；
所述开孔钢板(401)是预埋在塔筒段分片壁(301)中间的弯曲钢板，二者沿塔筒段(2)圆周方向的弯曲程度相同；所述开孔钢板(401)的上下边缘设有钢端板(404)；所述钢管孔道(402)预埋在锚固管体(304)内，并与开孔钢板(401)通过若干钢连接片(403)焊接；所述开孔钢板(401)、钢管孔道(402)和钢连接片(403)三者连接形成的整体称为钢骨架(4)；
所述预应力组件(5)包括高性能钢绞线(501)、螺纹头(502)、高强螺纹锚管(503)；
若干所述高性能钢绞线(501)穿过锚固管体(304)中的钢管孔道(402)，使用高强螺纹锚管(503)将高性能钢绞线(501)的两末端连接，形成箍在塔筒段(2)内侧的环形预应力体系。
2.根据权利要求1所述的一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，其特征在于：所述塔筒段(2)由相邻塔筒段分片(3)上的连接键(302)与连接槽(303)拼接，并通过锚固管体(304)中穿过的高性能钢绞线(501)预拉力压紧形成整体；所述塔筒段(2)沿竖向连接组成风电结构塔筒(1)。
3.根据权利要求1所述的一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，其特征在于：所述塔筒段分片壁(301)、连接键(302)、连接槽(303)、锚固管体(304)、开孔钢板(401)、钢管孔道(402)和钢连接片(403)组成的塔筒段分片(3)由超高性能混凝土(UHPC)浇筑为一个整体。
4.根据权利要求1所述的一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，其特征在于：所述锚固管体(304)是沿塔筒段(3)圆周方向布置的细长弯曲构件，沿管体长度方向尺寸明显大于其截面尺寸；所述钢管孔道(402)是预埋在锚固管体(304)管道截面形心的细长弯曲构件，沿塔筒段(2)圆周方向布置。
5.根据权利要求1所述的一种用于风电结构的内环预应力装配式UHPC塔筒段，其特征在于：所述高性能钢绞线(501)具有一定柔度，可穿过塔筒段(2)内壁若干锚固管道(304)中的钢管孔道(402)形成环状的预应力体系；
所述高性能钢绞线(501)两端固定有螺纹方向相反的螺纹头(502)；所述螺纹头插入高强螺纹锚管(503)中尺寸相匹配的螺纹孔(504)，旋转高强螺纹锚管(503)，可将螺纹头(502)旋进螺纹孔(504)中，并使高性能钢绞线(501)产生预拉力。
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