一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架及其施工方法与流程

本发明涉及一种风电塔架，尤其涉及一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架及其施工方法。

背景技术：

由于体外预应力混凝土塔筒的体外预应力束布置在混凝土塔筒的筒壁内侧，因此当体外预应力束在混凝土与钢筒交接的预应力力锚固区必然存在一个由体外预应力产生的相对于混凝土塔筒截面的偏心扭转矩，此偏心弯矩引起预应力锚固区环梁沿混凝土塔筒周边向筒壁内侧发生截面扭转。此扭转变形导致预应力锚固区环梁下部附近混凝土塔筒壁外侧出现很大的环形分布的拉应力，导致混凝土塔筒沿竖向开裂。为了克服混凝土塔筒的环向拉应力需要在此部位设置环形预应力，此环形预应力施工困难，施工质量难以保证，为工程安全埋下隐患。

其次，在预应力作用下，锚固区混凝土塔筒截面整体向塔筒截面内部的扭转变形导致锚固区下部塔筒截面内应力分布极不均匀，混凝土塔筒壁内侧应力远大于混凝土塔筒壁外侧应力，导致混凝土塔筒截面在风力发电机的疲劳荷载作用下，疲劳寿命大幅度下降，为了满足疲劳要求就需要大幅度增加截面厚度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架及其施工方法，解决现有技术中预应力锚固区环梁下方普通预应力混凝土塔筒截面应力分布不均匀易造成普通预应力混凝土塔筒沿竖向开裂的技术问题；并解决体外预应力混凝土塔架的材料成本、运输成本以及工程现场的吊装成本高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架，包括普通预应力混凝土塔筒和紧贴其内壁面设置的体外预应力束，其特征在于：所述普通预应力混凝土塔筒的上端面上设预应力锚固区环梁，所述预应力锚固区环梁的上端面上设钢塔筒；所述预应力锚固区环梁和普通预应力混凝土塔筒之间设有抗扭转变形缓冲支座；所述预应力锚固区环梁与钢塔筒之间通过固定在钢塔筒底部的法兰连接；所述体外预应力束自下而上穿过预应力锚固区环梁和法兰后用锚具固定。

进一步优选地，所述抗扭转变形缓冲支座是平板式橡胶支座或球铰型钢支座。

进一步地，所述平板式橡胶支座与预应力锚固区环梁和普通预应力混凝土塔筒之间通过预埋件连接或直接通过预应力束产生的预压力压紧靠摩擦力粘结在一起。

进一步地，所述球铰型钢支座与预应力锚固区环梁和普通预应力混凝土塔筒之间通过预埋件连接，或通过直接通过预应力束产生的预压力压紧靠摩擦力粘结在一起。

进一步地，所述抗扭转变形缓冲支座在普通预应力混凝土塔筒上端部环形截面内均匀紧密排布。

进一步地，所述预应力锚固区环梁是普通钢筋混凝土环梁。

进一步地，所述预应力锚固区环梁是环状异形钢箱梁。

此外，所述环状异形钢箱梁内填充钢箱梁内灌混凝土。

更加优选地，所述环状异形钢箱梁的纵剖截面为上窄下宽结构，其下端面的宽度不小于普通预应力混凝土塔筒上端面的宽度，所述预应力锚固区环梁通过与固定在钢塔筒底部的法兰焊接与钢塔筒固定在一起。

本发明还包括上述的任意一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、进行整体有限元数值模拟计算：根据初步选定的预应力锚固区环梁截面以及初步选定的球铰型钢支座建立体外预应力混凝土与钢塔筒组合风电塔架整体模型，并输入风电塔架荷载工况，进行整体有限元数值模拟计算；

步骤2、根据整体有限元数值模拟计算结果确定各部位规格：根据整体有限元数值模拟计算结果确定环状异形钢箱梁的截面钢材的强度要求和钢箱梁内灌混凝土的应力要求，根据整体有限元数值模拟计算结果确定普通预应力混凝土塔筒截面应力换算得到抗扭转变形缓冲支座需要传递的最大轴力，根据最大轴力需求选用成品抗扭转变形缓冲支座或特别单独设计抗扭转变形缓冲支座；

步骤3、制作法兰及预应力锚固区环梁：生产钢塔筒底的法兰，在工厂或工程现场完成环状异形钢箱梁，并在其内部浇筑钢箱梁内灌混凝土，并养护到混凝土设计强度形成预应力锚固区环梁，将法兰与环状异形钢箱梁其他部分焊接连接成整体；

步骤4、制作普通预应力混凝土塔筒：施工现场先吊装或现浇普通预应力混凝土塔筒；

步骤5、进行各部位衔接安装：在普通预应力混凝土塔筒顶部截面安装抗扭转变形缓冲支座，在抗扭转变形缓冲支座上吊装环状异形钢箱梁和钢箱梁内灌混凝土组成的预应力锚固区环梁，在预应力锚固区环梁上方调装钢塔筒；

步骤6、张拉体外预应力束：张拉体外预应力束，形成采用铰接构造连接的体外预应力混凝土与钢塔筒组合的风电塔架，至此铰接转换式体外预应力混凝土塔架施工完成。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明可以有效释放预应力锚固区环梁在预应力作用下产生的向塔筒内侧的扭转变形力，使下部普通预应力混凝土塔筒只承受预应力锚固区环梁传递来的竖向压力荷载，消除下部普通预应力混凝土塔筒在锚固区偏心预应力作用下产生竖向裂纹的可能性，消除体外预应力混凝土风电塔架的安全隐患；

本发明不需要在普通预应力混凝土塔筒截面使用环形体外预应力束，大幅度较小施工实施难度，简化施工过程，提高工程施工质量可靠性，减小塔架施工成本；

本发明可以大幅度提高普通预应力混凝土塔筒截面的抗疲劳荷载能力；

本发明可以大幅度缩减普通预应力混凝土塔筒截面厚度，缩减后的体外预应力混凝土具有更轻的重量，进而可以有效降低体外预应力混凝土塔架的材料成本、运输成本以及工程现场的吊装成本。

附图说明

图1是本发明一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架具体实施例一的结构示意图；

图2是本发明一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架具体实施例二的结构示意图；

图3是本发明一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架具体实施例三的结构示意图。

附图标记：1-钢塔筒；2-预应力锚固区环梁；3-普通预应力混凝土塔筒；4-抗扭转变形缓冲支座；5-法兰；6-体外预应力束；7-普通钢筋混凝土环梁；8-环状异形钢箱梁；9-钢箱梁内灌混凝土。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图对本发明进一步说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

下面提供本发明的具体实施例：

实施例一如图1所示：

一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架，包括普通预应力混凝土塔筒4和紧贴其内壁面设置的体外预应力束6，普通预应力混凝土塔筒3的上端面上设预应力锚固区环梁2，预应力锚固区环梁2的上端面上设钢塔筒1；预应力锚固区环梁2和普通预应力混凝土塔筒3之间设有抗扭转变形缓冲支座4，抗扭转变形缓冲支座4在普通预应力混凝土塔筒（3）上端部环形截面内均匀紧密排布，抗扭转变形缓冲支座4是平板式橡胶支座或球铰型钢支座，或其他可承压且可释放转动约束的支座，平板式橡胶支座与预应力锚固区环梁2和普通预应力混凝土塔筒3之间通过预埋件连接或直接通过预应力束产生的预压力压紧靠摩擦力粘结在一起。球铰型钢支座与预应力锚固区环梁2和普通预应力混凝土塔筒3之间通过预埋件连接，或通过直接通过预应力束产生的预压力压紧靠摩擦力粘结在一起；预应力锚固区环梁2与钢塔筒1之间通过固定在钢塔筒1底部的法兰5连接；体外预应力束6自下而上穿过预应力锚固区环梁2和法兰5后用锚具固定。

实施例二如图2所示：

实施例二和实施例一的不同在于：预应力锚固区环梁2是环状异形钢箱梁8，环状异形钢箱梁8的纵剖截面为上窄下宽结构，其下端面的宽度不小于普通预应力混凝土塔筒3上端面的宽度，预应力锚固区环梁2通过与固定在钢塔筒1底部的法兰5焊接与钢塔筒1固定在一起。

实施例三如图3所示:

实施例三和实施例二的不同在于：环状异形钢箱梁8内填充钢箱梁内灌混凝土9。

本发明还包括上述一种铰接转换式体外预应力混凝土塔架的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、进行整体有限元数值模拟计算：根据初步选定的预应力锚固区环梁2截面以及初步选定的球铰型钢支座建立体外预应力混凝土与钢塔筒1）组合风电塔架整体模型，并输入风电塔架荷载工况，进行整体有限元数值模拟计算；

步骤2、根据整体有限元数值模拟计算结果确定各部位规格：根据整体有限元数值模拟计算结果复核选定的环状异形钢箱梁8的截面应力是否满足钢材的设计强度要求，若不满足则加大环状异形钢箱梁8的截面大小后重新进行有限元数值模拟计算，或调整环状异形钢箱梁8截面钢板厚度后重新进行有限元数值模拟计算，直到有限元数值模拟计算中环状异形钢箱梁8中钢材截面应力满足钢材的设计强度要求，根据整体有限元数值模拟计算结果复核选定的环状异形钢箱梁8内部的钢箱梁内灌混凝土9的应力是否满足混凝土的设计强度，若不满足则加大环状异形钢箱梁8的截面大小后重新进行有限元数值模拟计算，或调整环状异形钢箱梁8截面钢板厚度后后重新进行有限元数值模拟计算，直到有限元数值模拟计算中环状异形钢箱梁8内部的钢箱梁内灌混凝土9的应力满足混凝土的设计强度；根据整体有限元数值模拟计算结果中下部普通预应力混凝土塔筒3截面应力换算得到抗扭转变形缓冲支座需要传递的最大轴力，由此最大传力需求选用成品抗扭转变形缓冲支座4或特别单独设计抗扭转变形缓冲支座4；

步骤3、制作法兰5及预应力锚固区环梁2：生产钢塔筒底的法兰5，在工厂或工程现场完成环状异形钢箱梁8，并在其内部浇筑钢箱梁内灌混凝土9，并养护到混凝土设计强度形成预应力锚固区环梁2，将法兰5与环状异形钢箱梁8其他部分焊接连接成整体；

步骤4、制作普通预应力混凝土塔筒3：施工现场先吊装或现浇普通预应力混凝土塔筒3；

步骤5、进行各部位衔接安装：在普通预应力混凝土塔筒3顶部截面安装抗扭转变形缓冲支座4，在抗扭转变形缓冲支座4上吊装环状异形钢箱梁8和钢箱梁内灌混凝土9组成的预应力锚固区环梁2，在预应力锚固区环梁2上方调装钢塔筒1；

步骤6、张拉体外预应力束6：张拉体外预应力束6，形成采用铰接构造连接的体外预应力混凝土与钢塔筒1组合的风电塔架，至此铰接转换式体外预应力混凝土塔架施工完成。

本发明的目的在于通过将上部预应力锚固区环梁与下部普通预应力混凝土塔筒完全分离，并采用铰接构造将下部普通预应力混凝土塔筒区、上部预应力锚固区环梁、钢塔筒三者连接成整体。如此构造可以有效释放预应力锚固区环梁在预应力作用下产生的向钢塔筒内侧的扭转变形。变形释放后，所有由预应力偏心作用产生的扭转矩将完全由预应力锚固区环梁承担，不再传递到预应力锚固区环梁下部的普通预应力混凝土塔筒截面内，使下部混凝土只承受预应力锚固区环梁传递来的竖向压力荷载，在下部普通预应力混凝土塔筒截面内不再产生环向拉应力，彻底消除此部位预应力混凝土在锚固区偏心预应力作用下产生竖向裂纹的可能性，消除体外预应力混凝土风电塔架的安全隐患。

本发明的目的二在于消除体外预应力混凝土塔筒的预应力锚固区环梁下方普通预应力混凝土塔筒截面应力分布不均匀问题。采用铰接构造将预应力锚固区环梁与下部普通预应力混凝土塔筒后，偏心预应力对下部普通预应力混凝土塔筒截面形成的弯矩将由锚固区环梁承不再传递到锚固区下部普通预应力混凝土塔筒截面中。分离后的锚固区下部普通预应力混凝土塔筒截面只承受由铰接连接构造传递来的轴心压力作用，使下部普通预应力混凝土塔筒截面内的应力分布均匀性大幅度改善，由此大幅度提高部普通预应力混凝土塔筒截面的抗疲劳荷载能力，因此同样的机型，同样的工况下，部普通预应力混凝土塔筒截面厚度可以大幅度缩减，缩减后的体外预应力混凝土塔筒具有更轻的重量，进而可以有效降低体外预应力混凝土塔架的材料成本、运输成本以及工程现场的吊装成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。