一種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，包括現澆鋼筋混凝土基礎、一組鋼管混凝土塔段，鋼管混凝土塔段之間通過水平法蘭盤連接成豎直塔筒，同時塔筒底部固定在現澆鋼筋混凝土基礎上，鋼管混凝土塔段包括內鋼管、外鋼管和澆筑在內鋼管外鋼管之間夾層的混凝土層，內鋼管的外壁一周設有第一加勁肋，外鋼管的內壁一周設有第二加勁肋；與現有的鋼制塔架相比，本發明采用中空夾層且管壁帶肋的復式鋼管混凝土結構，在內外鋼管與混凝土接觸的管壁側設置加勁肋，增強了鋼管與混凝土的界面粘結力，提高了塔架的承載力和延性，可以避免或延緩薄壁鋼管過早地發生局部屈曲破壞。
【專利說明】—種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種風力發電設備，具體涉及一種風電塔架。
【背景技術】
[0002]塔架是風力發電機組中的主要支承裝置，隨著風力發電機組的發展，塔架經歷了單管拉線式、桁架拉線式、桁架式塔架和常見的錐筒式塔架等形式，現代大型風力發電機組通常采用鋼制錐筒式塔架。風力機機組單機容量不斷增加，相應的塔架也朝著高聳化發展，尤其是對于高度達到100米以上的塔架，鋼結構塔架鋼板厚度的增加對于卷制鋼板的加工工藝及焊接工藝、運輸、安裝及維護方面都出現了一些不可克服的問題，大大增加了機組的成本；而且隨著塔架高度的增加，產生的空氣動力學和結構動力學問題更加突出，對塔架的強度、剛度和穩定性都提出了新的要求。
[0003]中空夾層復式鋼管混凝土構件作為復式鋼管混凝土構件中的一種新型式，在大跨、高聳等現代工程結構中有著廣闊地應用前景，除了具有普通復式鋼管混凝土構件承載力高、耐火性能好、塑性性能和韌性性能好等特點外，因其特殊的截面形式，具有截面開展、抗彎剛度大、自重輕、抗震性能好、防火性能優越等優點。有文獻表明，其在大彎矩情況下，能使材料的力學性能更好地發揮，在外管尺寸相同情況下，中空夾層混凝土構件的承載力與相同樣式實心鋼管混凝土構件的承載力基本相當，且力學性能類似。
[0004]雖然，中空夾層復式鋼管混凝土構件與鋼制構件或混凝土構件相比，其材料性能和力學性能均有所提高，但是當鋼管壁較薄時，在壓力的作用下其管壁較易產生局部屈曲，這樣就降低了構件的承載力。

【發明內容】

[0005]發明目的:本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種能有效地控制局部屈曲的發展、提高構件的承載力和增大構件延性的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電
ο
[0006]技術方案:本發明提供了一種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，包括現澆鋼筋混凝土基礎、一組鋼管混凝土塔段，所述鋼管混凝土塔段之間通過水平法蘭盤連接成豎直塔筒，同時塔筒底部固定在所述現澆鋼筋混凝土基礎上，所述鋼管混凝土塔段包括內鋼管、外鋼管和澆筑在內鋼管外鋼管之間夾層的混凝土層，所述內鋼管的外壁一周均勻設有縱向的第一加勁肋，所述外鋼管的內壁一周均勻設有縱向的第二加勁肋；在內外鋼管的管壁設置加勁肋，增強鋼管與混凝土層界面的粘結性能，使塔架具有剛度大、承載力高、穩定性好、抗風抗震抗疲勞性能好、塔架受力合理分布和施工運輸方便等優勢。
[0007]進一步，為了防止內外管壁其他部分產生屈曲，所述第一加勁肋和第二加勁肋的橫截面為矩形，所述第一加勁肋的橫截面寬度不大于所述內鋼管的厚度，所述第二加勁肋的橫截面寬度不大于所述外鋼管的厚度。
[0008]優選的，所述第一加勁肋和第二加勁肋的數量分別為4-12個；加勁肋的數量越多，承載力越高，但同時也增加了焊接工作量以及鋼材的用量，因此，在保證所需承載力的基礎上簡化焊接次數及節約鋼材用量，加勁肋的數量沿圓周均勻設置12個；在實際施工中，內外鋼管為正方形或正六邊形截面時可沿每邊均勻設置廣3個。
[0009]優選的，所述鋼管混凝土塔段的數量為3飛段；隨著風電機組功率的增加，根據風場條件，塔架通常達到數十米，甚至100米以上，將塔筒分段制造，便于生產和運輸安裝，同時考慮塔筒的強度、整體剛度以及塔筒的穩定性，在實際設計中，通常優選塔段的數量為3~5段。
[0010]優選的，所述內鋼管和外鋼管的厚度均為l(T40mm，內外鋼管的厚度對塔筒的局部屈曲以及承載力有一定的影響，鋼管厚度太小容易發生局部屈曲，鋼管厚度太大對卷制工藝和設備又有過高的要求，因此本發明優選內鋼管和外鋼管的厚度為l(T40mm。
[0011]優選的，所述內鋼管的橫截面為圓形、正方形或正六邊形，縱剖面為錐形或矩形。
[0012]優選的，所述外鋼管的橫截面為圓形，縱剖面為錐形。
[0013]由材料力學知識可知，在截面面積相等的情況下，正多邊形的截面慣性矩隨著邊數(大于等于4)的增加影響不大，矩形最大，圓形最小，兩者相差約5%;并且截面的彎曲應力還與荷載的方向有關，在不定向荷載作用下，圓形截面抵抗彎矩的能力最佳，同時，相對于方、矩形截面，圓形截面更不易發生局部屈曲，而正多邊形截面管壁平整有利于結點連接。考慮到塔架在外側受到不定向的風荷載作用以及圓形鋼管風阻系數較小，兼顧外形的美觀簡潔，施工的快捷方便，材料的節約等多方面的因素，外鋼管的橫截面優先選用圓形，內鋼管的橫截面優先選用圓形、正方形或正六邊形。
[0014]塔架作為風電機組的支撐結構，它所受到的力很復雜，既有葉片和機艙傳遞的水平軸向力，又有扭矩、離心力和陀螺力等，塔架底部受到的彎矩最大，為了使各個截面的彎曲應力相同，整個塔筒獲得等強度受力的效果，在初選塔筒的結構尺寸時，可將其直徑或壁厚及直徑同時由底向上逐漸減小，形成一定的錐度，可以最大程度的減少筒壁材料用量，達到較好的結構性能和經濟效益。
[0015]進一步，所述內鋼管和外鋼管的橫截面形心重合；內外鋼管截面形心重合可使結構在復雜的荷載作用下保持較好的穩定性和抗扭特性，不易發生彎扭屈曲。
[0016]進一步，所述混凝土層是由現澆混凝土采用分段澆筑振搗方式形成；混凝土的密實度對鋼管混凝土的力學性能有顯著影響，由于混凝土層被內外鋼管包圍，混凝土澆筑方式對混凝土層的密實度又有很大影響，為了提高混凝土的澆筑質量，采用分段澆筑振搗的方式。
[0017]有益效果:1、與現有的鋼制塔架相比，本發明采用中空夾層且管壁帶肋的復式鋼管混凝土結構，在內外鋼管與混凝土接觸的管壁側設置加勁肋，增強了鋼管與混凝土的界面粘結力，提高了塔架的承載力和延性，可以避免或延緩薄壁鋼管過早地發生局部屈曲破壞；2、實心的鋼管混凝土中，靠近截面形心位置的混凝土并不能提供太多的抗彎剛度，對承載力貢獻不大，本發明的塔架由于采用中空夾層技術，截面形式開展，在自重相同的情況下，大大減小了鋼板的厚度，有利于加工制造，便于運輸，并且具有較大的抗彎剛度，在彎矩較大的情況下能更好地發揮材料的力學性能，同時提高了其抗震能力。
【專利附圖】

【附圖說明】[0018]圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為圖1中A-A處相鄰兩段鋼管混凝土塔段連接處的局部放大圖；
圖3為圖2中沿B-B的橫截面示意圖；
圖4為圖3中區域D的局部放大圖；
圖5為圖1中沿C-C的縱剖面示意圖；
圖6為實施例2的橫截面示意圖；
圖7為實施例2的縱剖面示意圖；
圖8為實施例3的橫截面示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0020]實施例:
實施例1:一種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，如圖1所示，包括現澆鋼筋混凝土基礎13、三段鋼管混凝土塔段I ;2 ;3，如圖3所示，每段鋼管混凝土塔段I ;2 ;3包括內鋼管4、外鋼管5和澆筑在內鋼管4外鋼管5之間夾層的混凝土層6，內鋼管4和外鋼管5的厚度為25_，橫截面均為圓形，不易發生屈曲，有良好穩定的承載力，內鋼管4與混凝土層6接觸的外壁一周均勻的焊接有八個第一加勁肋7，外鋼管5與混凝土層6接觸的內壁一周均勻的焊接有八個第二加勁肋8，加勁肋橫截面均為矩形，沿管壁縱向通長方向豎直設置，如圖4所示，第一加勁肋7和第二加勁肋8橫截面尺寸分別為寬度！\、T2和長度U、L2,通過數值計算表明，在風力機塔架中，鋼管的寬厚比都比較大，為了防止屈曲，設置的加勁肋寬度?\、Τ2通常會大于管壁的厚度，但是加勁肋的寬度?\、Τ2過大又會使管壁其他部位發生局部屈曲，增加管壁負擔，因此，第一加勁肋7和第二加勁肋8的寬度Ι\、Τ2宜分別小于等于內鋼管4和外鋼管5的厚度；隨著加勁肋長度LpL2的增加，能有效增強鋼管壁的局部剛度，延緩鋼管壁過早發生局部屈曲，增強鋼管與混凝土界面的粘結力，因此第一加勁肋7和第二加勁肋8橫截面的長度U、L2分別取寬度！\、T2的10-30倍。
[0021]如圖2所示，三段鋼管混凝土塔段I ;2 ；3的內鋼管4和外鋼管5通過對應的內法蘭盤9和外法蘭盤10使用螺栓11和螺母12連接成豎直塔筒，塔筒底部固定在現澆鋼筋混凝土基礎13上，整個塔架從底部到頂部內徑逐漸減小呈錐形，如圖5所示。
[0022]現澆鋼筋混凝土基礎13中預埋有法蘭盤，位置最下的鋼管混凝土塔段I的底部通過法蘭與現澆鋼筋混凝土基礎13中預埋的法蘭盤通過螺栓連接，內鋼管4、外鋼管5與現澆鋼筋混凝土基礎13連接就位后，在位置最下的鋼管混凝土塔段I的頂部、內外鋼管夾層部分現澆混凝土層6，混凝土層6澆筑至鋼管混凝土塔段I的頂部下f 2米處停止澆筑并振搗，再將位置最下的鋼管混凝土塔段I與位于中間的鋼管混凝土塔段2的內鋼管4和外鋼管5對應的法蘭盤使用螺栓和螺母連接，在位于中間的鋼管混凝土塔段2的頂部第二次現場澆筑混凝土層6，同樣澆筑至鋼管混凝土塔段2的頂部下方f 2米處停止澆筑并振搗，采用同樣的方法連接位于中間的鋼管混凝土塔段2和位置最上的鋼管混凝土塔段3后，從位置最上的鋼管混凝土塔段3頂部第三次澆筑混凝土層6，澆筑至頂部，形成整個中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架；采用分段澆筑振搗的方式能提高混凝土的密實度，從而提聞塔架的承載力。
[0023]實施例2:與實施例1大致相同，所不同的是內鋼管4的橫截面為正方形，外鋼管5的橫截面為圓形，如圖6所示，內鋼管4的每邊上對稱設置兩條第一加勁肋7，保證方形鋼管每邊與混凝土的粘結力，因此內鋼管4與混凝土層6的結合穩固緊密，不易發生局部屈曲，提高塔架的承載力；如圖7所示，外鋼管5的直徑由下至上逐漸減小形成錐度。
[0024]實施例3:如圖8所示，與實施例1大致相同，所不同的是內鋼管4的橫截面為正六邊形，正六邊形每邊上設置一條第一加勁肋7，因此內鋼管4 一周平均分為六個方向使第一加勁肋7深入混凝土層6，與混凝土牢牢粘結，增強粘結力，同時正六邊形可以減弱內鋼管4角部的應力集中現象，使截面上的應力分布更加均勻，避免形成薄弱區域，防止內鋼管4的局部屈曲,提高塔架的抗震能力。
[0025]如上，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
【權利要求】
1.一種中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:包括現澆鋼筋混凝土基礎、一組鋼管混凝土塔段，所述鋼管混凝土塔段之間通過水平法蘭盤連接成豎直塔筒，同時塔筒底部固定在所述現澆鋼筋混凝土基礎上，所述鋼管混凝土塔段包括內鋼管、外鋼管和澆筑在內鋼管外鋼管之間夾層的混凝土層，所述內鋼管的外壁一周均勻設有縱向的第一加勁肋，所述外鋼管的內壁一周均勻設有縱向的第二加勁肋。
2.根據權利要求1所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述第一加勁肋和第二加勁肋的橫截面為矩形，所述第一加勁肋的橫截面寬度不大于所述內鋼管的厚度，所述第二加勁肋的橫截面寬度不大于所述外鋼管的厚度。
3.根據權利要求1或2所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述第一加勁肋和第二加勁肋的數量分別為4~12個。
4.根據權利要求1所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述鋼管混凝土塔段的數量為3~5段。
5.根據權利要求1所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述內鋼管和外鋼管的厚度均為10~40mm。
6.根據權利要求1或5所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述內鋼管的橫截面為圓形、正方形或正六邊形，縱剖面為錐形或矩形。
7.根據權利要求1或5所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述外鋼管的橫截面為圓形，縱剖面為錐形。
8.根據權利要求1所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述內鋼管和外鋼管 的橫截面形心重合。
9.根據權利要求1所述的中空夾層管壁帶肋復式鋼管混凝土風電塔架，其特征在于:所述混凝土層是由現澆混凝土采用分段澆筑振搗方式形成。
【文檔編號】E04H12/12GK103573006SQ201310588247
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】蔡新, 顧榮蓉, 潘盼, 朱杰 申請人:河海大學