一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架

本发明属于土木工程领域，涉及一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架。

背景技术：

环境污染和资源短缺一直以来都是亟待解决的全球性问题，风电能源作为一种清洁能源受到越来越多的重视，塔架作为风电机组的支撑结构，其承载能力和受力性能直接影响风电机组在运行过程中的安全性和稳定性。我国大多数城市处于地震带上，风电机组塔架的抗震性能受到严峻考验，传统的格构式塔架主要通过杆件的塑形变形消耗地震能量，一方面，这种耗能方式不便于准确定位损伤位置，难以对结构的损伤情况进行评估；另一方面，震后的维修成本较高，往往需要更换整个杆件；此外，杆件在发生塑性变形后会存在残余变形，对结构整体的受力性能也会产生不利影响。

在此背景下，可恢复功能结构应运而生，这种结构在震后无需修复或稍加修复即可恢复使用功能。将可恢复功能结构运用到风电机组格构式塔架中，将在不显著增加建造成本的前提下极大地改善格构式塔架的耗能能力。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架，用于解决现有技术中建筑物构件在震后产生严重变形而难于恢复的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架，包括塔架主杆、塔架横支杆、塔架斜支杆、连接端板和至少两个结构单元，该结构单元包括两个t型钢，两个t型钢相互平行且能够相互竖向移动，每个t型钢均与塔架横支杆端部进行焊接，两个t型钢的同向腹板两侧设有两个与其滑动摩擦的摩擦外板，且两个摩擦外板通过弹性复位组件与t型钢连接。

进一步的，所述塔架横支杆包括两个边横支杆和一个中横支杆，边横支杆的一端预留有横支杆螺栓孔，所述塔架斜支杆的一端预留有斜支杆螺栓孔。

进一步的，所述连接端板包括l1形端板、l2形端板、矩形端板和五边形端板，所述l1形端板和l2形端板分别在其两肢上预留有l1螺栓孔和l2螺栓孔；所述矩形端板上预留有第一端板螺栓孔；所述五边形端板上预留有第二端板螺栓孔。

进一步的，所述横支杆螺栓孔与l1螺栓孔进行螺栓连接，所述l1形端板与塔架主杆进行焊接，以使边横支杆与塔架主杆连接；所述斜支杆螺栓孔与l2螺栓孔进行螺栓连接，所述l2形端板与塔架主杆进行焊接，以使塔架斜支杆与塔架主杆连接；所述第一端板螺栓孔与第二端板螺栓孔进行螺栓连接，所述矩形端板和五边形端板分别与塔架斜支杆和边横支杆进行焊接，以使塔架斜支杆与边横支杆连接。

进一步的，所述弹性复位组件包括高强螺栓和碟形垫片，所述高强螺栓将两个摩擦外板连接于t型钢的腹板上，所述碟形垫片由高强螺栓压紧在摩擦外板上。

进一步的，所述t型钢的腹板上间隔开设有多个竖向滑槽，所述摩擦外板上对应设置有多个外板螺栓孔，所述弹性复位组件连接在所述外板螺栓孔和横向滑槽上。

进一步的，所述t型钢的腹板两侧设置有第一摩擦面，所述摩擦外板与t型钢腹板相对的一侧设置有第二摩擦面，所述第一摩擦面和第二摩擦面相互交错嵌合；所述第一摩擦面与第二摩擦面均具有摩擦坡面段和摩擦平面段，所述t型钢与摩擦外板的摩擦系数值小于摩擦坡面段倾斜角度的正切值。

进一步的，多个所述结构单元在竖直方向上依次连接边横支杆和中横支杆，所述边横支杆共用一个塔架主杆。

如上所述，本发明的一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架，具有以下有益效果：

(1)本发明便于震后的维修和安全性评估。传统的风电机组格构式塔架结构通过杆件的塑性变形消耗地震能量，由于塑性变形不集中，不仅给震后的安全性评估工作造成困难，而且增加了维修费用。本发明通过t型钢和摩擦外板之间的摩擦滑动来耗能，将塔架的变形集中于摩擦耗能段，从而保证塔架上其他区域不产生损伤或损伤较小。

(2)本发明在不显著增加支杆用钢成本的前提下，有效增强了塔架整体的耗能功能和可恢复功能。并且，支杆内采用“三段式”变形机制，即通过两个边横支杆和一个中横支杆之间的相互错动变形来代替横支杆中部的剪切变形，在弹性复位组件的弹性变形能力得到保证的前提下，本发明所采用的变形方式具有很大的弹性变形范围。

(3)本发明通过t型钢的腹板与摩擦外板之间的摩擦滑动起到耗能的作用，通过弹性复位组件的弹性恢复力实现自复位功能。本发明通过将横支杆中部的剪切变形转化为四个t型钢的相互错动，摩擦外板和t型钢的摩擦力可以通过弹性复位组件中高强螺栓的个数和预紧力，以及摩擦坡面段的角度和摩擦系数来改变，自复位能力可以通过多个碟形垫片的串联和并联来调整，实现了耗能功能和可恢复功能可控。

(4)本发明适合工业化生产和制造，且现场安装简单。本发明的所有构件都没有涉及较为复杂的加工工艺，便于批量生产，从而有效地降低了生产成本，具有良好的经济效益。所有构件通过螺栓连接和焊接组装，方便施工的同时也提高了施工质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架的正视图；

图3a和图3b为图2中的某一层塔架的立体结构图和正视图；

图4a、图4b、图4c和图4d分别为图3a中l1形端板、l2形端板、矩形端板和五边形端板的立体结构图；

图5a、5b和5c分别为图3a中边横支杆、中横支杆和塔架斜支杆的立体结构图；

图6为图3b中a-a剖面图；

图7a和图7b为图6中t型钢的立体结构图和正视图；

图8a和图8b为图6中摩擦外板的立体结构图和左视图；

图9为本发明中某一层塔架向左位移时的工作示意图；

图10为本发明中某一层塔架向右位移时的工作示意图；

图11为图9中横支杆的正视图；

图12为图10中横支杆的正视图；

图13为图11的b-b剖面图；

图14为图12的c-c剖面图。

附图标记说明

1-风电机组；2-塔架主杆；3-塔架横支杆；31-边横支杆；311-横支杆螺栓孔；32-中横支杆；4-塔架斜支杆；41-斜支杆螺栓孔；

5-连接端板；51-l1形端板；511-l1螺栓孔；52-l2形端板；521-l2螺栓孔；53-矩形端板；531-第一端板螺栓孔；54-五边形端板；541-第二端板螺栓孔；

6-t型钢；61-第一摩擦面；611-第一摩擦平面段；612-第一摩擦坡面段；62-竖向滑槽；

7-摩擦外板；71-第二摩擦面；711-第二摩擦平面段；712-第二摩擦坡面段；72-外板螺栓孔；

8-弹性复位组件；81-高强螺栓；82-蝶形垫片。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请结合图1至图8b所示，本发明提供了一种可恢复耗能能力增强的风电机组格构式塔架，本实施例中，塔架共有八层，每层塔架包括四个塔架主杆2、四个塔架横支杆3、八个塔架斜支杆4、多个连接端板5和八个结构单元，该结构单元包括两个t型钢6，两个t型钢6相互平行且能够相互竖向移动，每个t型钢6均与塔架横支杆3端部进行焊接，两个t型钢6的同向腹板两侧设有两个与其滑动摩擦的摩擦外板7，且两个摩擦外板7通过弹性复位组件8与t型钢6连接。

具体的，通过t型钢6的腹板与摩擦外板7之间的摩擦滑动来吸收能量起到耗能的作用，并通过弹性复位组件8的弹性恢复力实现自复位功能。并且，本发明通过采用“三段式”变形机制，即通过两个边横支杆31和中横支杆32三者之间的相互错动来实现横支杆3中部的剪切变形，提高了横支杆的变形能力。

本实施例中，所述塔架横支杆3包括两个边横支杆31和一个中横支杆32，边横支杆31的一端预留有横支杆螺栓孔311，所述塔架斜支杆4的一端预留有斜支杆螺栓孔41。

本实施例中，所述连接端板包括l1形端板51、l2形端板52、矩形端板53和五边形端板54，所述l1形端板51和l2形端板52分别在其两肢上预留有l1螺栓孔511和l2螺栓孔521；所述矩形端板53上预留有第一端板螺栓孔531；所述五边形端板54上预留有第二端板螺栓孔541。

其中，所述横支杆螺栓孔311与l1螺栓孔511进行螺栓连接，所述l1形端板51与塔架主杆2进行焊接，以使边横支杆31与塔架主杆2连接；所述斜支杆螺栓孔41与l2螺栓孔521进行螺栓连接，所述l2形端板52与塔架主杆2进行焊接，以使塔架斜支杆4与塔架主杆2连接；所述第一端板螺栓孔521与第二端板螺栓孔541进行螺栓连接，所述矩形端板53和五边形端板54分别与塔架斜支杆4和边横支杆31进行焊接，以使塔架斜支杆4与边横支杆31连接。

所述弹性复位组件8包括高强螺栓81和碟形垫片82，所述高强螺栓81将两个摩擦外板7连接于t型钢6的腹板上，所述碟形垫片82由高强螺栓81压紧在摩擦外板7上。所述碟形垫片82可为多个串联或并联，以增强碟形垫片82的弹性复位力。

其中，所述t型钢6的腹板上间隔开设有多个竖向滑槽62，所述摩擦外板7上对应设置有多个外板螺栓孔72，所述弹性复位组件8连接在所述外板螺栓孔72和横向滑槽62上。本实施例中，每个t型钢6的腹板上开设有3个竖向滑槽62，相应地，摩擦外板7上设置有3组摩擦外板螺栓孔72，每组外板螺栓孔72包括2个外板螺栓孔，分别对应于左、右两个t型钢6上的竖向滑槽62。此种结构，便于高强螺栓81能够在竖向滑槽62中滑动，从而使摩擦外板7与t型钢6之间产生竖向位移。

并且，所述t型钢6的腹板两侧设置有第一摩擦面61，所述摩擦外板7与t型钢腹板6相对的一侧设置有第二摩擦面71，所述第一摩擦面61和第二摩擦面71相互交错嵌合；所述第一摩擦面61与第二摩擦面71均具有摩擦坡面段和摩擦平面段，所述t型钢6与摩擦外板7的摩擦系数值小于摩擦坡面段倾斜角度的正切值。

本实施例中，所述第一摩擦面61包括第一摩擦平面段611和第一摩擦坡面段612，所述第一摩擦坡面段612连接于两个第一摩擦平面段611之间，呈起伏状态；所述第二摩擦面71包括第二摩擦平面段711和第二摩擦坡面段712，所述第二摩擦坡面段712连接于两个第二摩擦平面段711之间，呈起伏状态。所述第一摩擦平面段611对应于第二摩擦平面段711，所述第一摩擦坡面段612对应于第二摩擦坡面段712，二者交错起伏嵌合。此种结构，保证摩擦外板7与t型钢6腹板之间的摩擦滑动，从而起到吸收耗能的作用。

本发明实现了风电机组格构式塔架耗能功能和可恢复功能可控。具体的，摩擦外板7与t型钢6之间的摩擦力可以通过调节高强螺栓81的个数和预紧力，以及摩擦坡面段的角度和摩擦系数来改变，自复位能力可以通过多个碟形垫片82的串联和并联来调整，从而使得该结构可以满足不同层次的抗震需求。

另外，本发明在另一实施例中，可设置多层塔架，多个所述结构单元在竖直方向上依次连接边横支杆和中横支杆，所述边横支杆共用一个塔架主杆。

由于本发明中的所有构件均通过螺栓连接和焊接组装，便于工厂批量生产，具有良好的经济效益。

本发明的工作原理如图9至图14所示，本发明的塔架受到横向荷载左右作用时会发生侧向变形，以其中一层塔架为例，塔架主杆2发生倾斜，导致边横支杆31和中横支杆32之间产生相互错动，进而引起相对的两个t型钢6产生相互错动，此过程中摩擦外板7和t型钢6的摩擦滑动起到耗能的作用。由于滑动摩擦面存在摩擦坡面段，使得t型钢6与摩擦外板7的间距增大，进而挤压套在高强螺栓81上的碟形垫片82，将部分地震能量以弹性变形能的形式储存在碟形垫片82中。当横向荷载消失或减弱时，碟形垫片82中的弹性变形能得到释放，弹性挤压力会克服t型钢6的腹板与摩擦外板7之间的滑动摩擦力，使结构重新回到初始位置，由此可见，该结构有效融合了摩擦耗能和自复位功能。

综上，在本发明实施例提供的一种可恢复耗能能力增强的格构式塔架中，通过t型钢的腹板与摩擦外板之间的摩擦滑动起到耗能的作用，通过弹性复位组件的弹性恢复力实现自复位功能，有效融合了摩擦耗能和自复位功能；在不显著增加塔架用钢成本的前提下，有效增强了框架梁的耗能功能和可恢复功能；所有构件都没有涉及较为复杂的加工工艺，便于批量生产，从而有效地降低了生产成本，具有良好的经济效益，有利于推广。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。