一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构的制作方法

本发明属于低风速区风电机组高塔筒技术领域，具体涉及一种上部是常规钢制塔筒，下部是先张法分片预制装配式预应力混凝土塔筒。

背景技术：

目前，我国传统风电机组支撑结构绝大多数采用钢制圆锥形塔筒，但随着我国风力发电行业的快速发展，风电机组单机容量越来越大，为了有效利用低风速区的风能资源，风电机组逐步向大型化高空化发展，与之匹配的轮毂高度和刚度要求不断增加。当轮毂高度超过100m时，由于常规公路运输尺寸的限制，钢塔筒底部直径通常不能超过4.3m，因此只能通过增加钢塔筒壁厚来提高结构的抗弯能力，导致材料和机加工成本会显著增加。随着轮毂高度的增加，钢制塔筒的整体柔性变大，导致塔顶位移过大，疲劳损伤问题凸显，严重影响风机正常运行；另外，全钢柔塔一阶自振频率低于叶轮的额定转速频率，即对于柔性塔架来说从叶轮起转到叶轮达到额定转速期间，会在某个转速点上与叶轮出现共振，虽可通过调整机组的控制策略使风机快速跳过这一转速，但会损失3%~5%左右的发电量。

钢混塔架下部采用混凝土塔筒、上部采用钢制塔筒，通过预应力钢绞线系统将钢塔筒、混凝土塔筒与风机基础相连，使混凝土塔筒结构整体处于预压状态以抵抗风电机组的弯矩作用，能满足大型风电机组轮毂高度和刚度的要求，避免柔塔的频率穿越问题，在高塔筒风电技术领域得到了一定的关注和推广应用。但现有钢混塔架方案均采用后张法，即在混凝土塔筒安装完成后通过体内或体外钢绞线对混凝土塔筒施加预紧力，随着塔筒高度的增加，预应力钢绞线系统的成本和张拉维护工序复杂、预应力损失严重以及灌浆连接养护施工难度大、周期长等因素均会制约现有钢混塔架方案在高塔筒领域的发展。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构，满足风电机组高空化、大型化的要求，同时可避免采用预应力钢绞线和灌浆连接方式，具有安装便捷、连接牢固、可回收重复利用且可批量流程化施工建造的特点。为此，本发明采用以下技术方案：

一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构，所述塔架结构包括上部钢制塔筒和下部预应力混凝土塔筒，所述预应力混凝土塔筒由多节圆环形混凝土塔筒段竖向连接构成；其特征在于：

所述圆环形混凝土塔筒段由四片1/4圆弧形预制混凝土塔筒分片环向连接构成，相邻混凝土塔筒分片之间通过水平预应力弯螺栓连接成整环，所述圆弧形预制混凝土塔筒分片中的竖向钢筋采用混凝土浇筑前的先张法预应力筋；相邻节段混凝土塔筒段之间通过环向均匀布置的竖向预应力螺栓连接；顶段混凝土塔筒段通过环向均匀布置的竖向预应力螺栓与钢塔筒连接。

进一步地，所述混凝土塔筒分片通过先张法预制，混凝土强度等级在c50~c70之间，每段高15m~20m，在浇筑前先张拉预应力筋至控制应力，将张拉的预应力筋临时锚固在台座或钢模板上，浇筑完混凝土待其强度保证预应力筋与混凝土有足够的粘结时，放松预应力筋，借助混凝土与预应力筋的粘结效应，在预应力筋弹性回缩阶段就对混凝土构件施加预应力；四片混凝土塔筒分片拼接成整环后由下至上逐段吊装，并通过竖向预应力螺栓连接成整体。

进一步地，混凝土塔筒分片竖向断面呈z字形，由上部加厚连接段、中部直筒段和下部加厚连接段构成；上部加厚连接段壁厚向塔筒内侧增加，并预留pvc螺栓孔道，在上部加厚连接段顶面预埋环形钢垫板；下部加厚连接段壁厚向塔筒外侧增加，并预留pvc螺栓孔道，在下部加厚连接段内部预埋圆环形螺栓上锚板，上锚板的上表面焊接螺母，在下部加厚连接段底面预埋环形钢垫板。所述钢垫板预留螺栓穿孔。

进一步地，相邻混凝土塔筒段的上部加厚连接段和下部加厚连接段的内外径一致，以保证上下混凝土塔筒段在断面处完全重叠，传力特性更好。

进一步地，所述混凝土塔筒外径按照混凝土塔筒段呈整体呈逐段变径式，混凝土塔筒的筒径自下而上逐次减小；底段混凝土塔筒段通过锚栓与风机基础连接，锚栓贯穿底段混凝塔筒的下部加厚连接段，下端锚固于锚栓笼下法兰，上端锚固于下部加厚连接段的上表面；相邻节段混凝土塔筒段之间的竖向预应力螺栓，其上端与焊接在上锚板的螺母螺纹连接，并穿过下部加厚连接段和上部加厚连接段内部预留的pvc螺栓孔道而向下延伸出上部加厚连接段，通过底部张拉的方式施加螺栓预紧力，并锚固至上部加厚连接段底面的下锚板；顶段混凝土塔筒段与钢塔筒之间的竖向预应力螺栓，其上端锚固于钢塔筒l型法兰的上表面，下端锚固于上部加厚连接段底面的下锚板。

进一步地，相邻节段混凝土塔筒段之间的竖向预应力螺栓的预应力总和与混凝土塔筒段内部预应力筋的张拉力总和相等，以保证混凝土塔筒段之间在连接处内力的连续性。

进一步地，所述混凝土塔筒分片沿水平环向预留圆弧形pvc螺栓孔道，水平预应力弯螺栓穿过所述圆弧形pvc螺栓孔道，混凝土塔筒分片内壁在圆弧形pvc螺栓孔道的口部设有水平预应力弯螺栓安装的螺母操作凹槽。

进一步地，螺母操作凹槽的尺寸满足水平弯螺栓的穿孔行程，螺母操作凹槽端面与圆弧形pvc螺栓孔道的切线方向垂直。

进一步地，水平预应力弯螺栓的两端锚固在与螺母操作凹槽端面贴合的锚板处。

进一步地，竖向预应力螺栓、水平预应力弯螺栓和锚栓均进行防腐处理，竖缝和水平缝拼接时在拼缝处涂抹防水密封胶。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出的一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构，在混凝土构件预制过程中就对其预先施加应力，一方面可提高混凝土塔筒的抗弯和抗裂性能，另一方面可避免传统混塔方案采用预应力钢绞线导致的成本昂贵、张拉维护工序复杂、预应力损失严重、施工难度大、周期长等弊端。

（2）先张法混凝土塔筒分片由工厂集中预制而成，混凝土浇筑质量有保障，且塔筒分片预制精度高，可达到免灌浆连接的断面平整度要求，采用装配式理念，塔筒的竖缝和水平缝通过预应力螺栓连接，可批量流程化拼接吊装，与传统混塔方案采用灌浆连接的方式相比，能大幅缩减施工养护周期，降低成本，且在一定程度上可回收重复利用，具有显著的经济和环保效益。

（3）采用下混上钢的塔架结构方案，可使风电机组塔筒整体刚度增强，振幅缩减，一方面可有效避免塔筒周期性大幅摆动引起的结构疲劳问题，另一方面塔筒固有频率增大，可有效避开风机叶轮的转动频率以免发生共振，同时可最大程度避免因塔筒振幅过大导致的机组锁机问题，有效提高发电量。

（4）混凝土塔筒分片竖向断面呈z字形，设置上下加厚连接段，可使塔筒直径由下至上逐级减小，且传力特性良好，可避免现有逐级变径式塔筒采用锥筒式连接段进行塔筒直径过渡存在的应力集中问题。

附图说明

图1是本发明一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构实施例的整体立面图。

图2是本发明实施例中先张法预制混凝土塔筒节段立面图。

图3是图1的a部位放大图，为本发明实施例中底部混凝土塔筒段与风机基础连接处的局部示意图。

图4是图1的b部位放大图，为本发明实施例中混凝土塔筒段之间竖向连接处的局部示意图。

图5是图1的c部位放大图，为本发明实施例中顶部混凝土塔筒段与钢塔筒连接处的局部示意图。

图6是图1的d-d方向剖视图，为本发明实施例中水平缝连接的竖向螺栓布置图。

图7是本发明实施例中圆弧形混凝土塔筒分片环向拼接示意图。

图8是图7的e部位放大图，为本发明实施例中圆弧形混凝土塔筒分片环向螺栓连接处的局部示意图。

图9是本发明实施例中圆弧形预制混凝土塔筒分片示意图。

具体实施方式

本实施例为一座轮毂高度为120m的塔筒，其中上部为40m传统钢制塔筒1，下部由四段均为20m高的圆环形先张法预制混凝土塔筒段2组成的混凝土塔筒3，所有混凝土塔筒分片15由工厂集中预制而成，运输至现场进行拼接吊装。下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1~图9所示，本实施例中一种先张法分片预制装配式预应力混凝土塔架结构包括上部钢制塔筒1和下部预应力混凝土塔筒3，所述预应力混凝土塔筒3由四段20m高的圆环形混凝土塔筒段2竖向连接构成；所述圆环形混凝土塔筒段2由四片相同的1/4圆弧形预制混凝土分片15环向连接构成。

如图9所示，所述混凝土塔筒分片15通过先张法预制，混凝土强度等级为c60，每段高20m，在浇筑前先张拉预应力筋至控制应力，混凝土塔筒分片15的竖向筋采用预应力筋，将张拉的预应力筋临时锚固在台座或钢模板上，浇筑完混凝土待其强度达到设计强度值的75%，保证预应力筋与混凝土有足够的粘结时，放松预应力筋，借助混凝土与预应力筋的粘结效应，在预应力筋弹性回缩阶段就对混凝土构件施加预应力。

进一步地，先张法预制过程中对预应力筋施加的控制张拉力值需结合荷载资料进行整体计算后确定。

如图1~图2和图9所示，混凝土塔筒分片15竖向断面呈z字形，由上部加厚连接段6、中部直筒段7和下部加厚连接段8构成。上部加厚连接段6壁厚向塔筒内侧增加，并预留pvc螺栓孔道9，在上部加厚连接段6顶面预埋环形钢垫板10；下部加厚连接段8壁厚向塔筒外侧增加，并预留pvc螺栓孔道9，在下部加厚连接段8内部预埋圆环形螺栓上锚板11，上锚板11的上表面焊接螺母12，在下部加厚连接段8底面预埋环形钢垫板10。

进一步地，如图4所示，上部加厚连接段6和下部加厚连接段8的内外径一致，以保证上下混凝土塔筒节段2在断面处完全重叠，传力特性更好。

如图1和图4所示，所述混凝土塔筒外径在上部加厚连接段6和下部加厚连接段8位置处，由下至上逐次减小，整体呈逐级变径式。如图1和图3所示，底段混凝土塔筒段2通过锚栓5与风机基础4连接，锚栓5贯穿底段混凝塔筒2的下部加厚连接段8，下端锚固于锚栓笼下法兰16，上端锚固于下部加厚连接段的上表面。其上各节段混凝土塔筒段2之间通过环向均匀布置的竖向预应力螺栓13连接，如图4所示，所述竖向预应力螺栓13上端与焊接在上锚板11的螺母12螺纹连接，并穿过上、下部加厚连接段6和8内部预留的pvc螺栓孔道9延伸至下部结构，通过底部张拉的方式施加螺栓预紧力，并锚固至上部加厚连接段6底面的下锚板14。顶段混凝土塔筒段2通过环向均匀布置的竖向预应力螺栓13与钢塔筒1连接，螺栓13上端锚固于钢塔筒l型法兰19的上表面，下端锚固于上部加厚连接段6底面的下锚板14。

进一步地，上部加厚连接段6和下部加厚连接段8位置处竖向螺栓13的预应力总和与混凝土塔筒3内部预应力筋的张拉力总和相等，以保证混凝土塔筒节段2在连接处内力的连续性。

如图7~图9所示，所述混凝土塔筒分片15的z字形断面内侧预留圆弧形pvc螺栓孔道21，混凝土塔筒分片15内壁设有相应数量的水平弯螺栓20安装的螺母操作凹槽17，进一步地，螺母操作凹槽17的尺寸应满足水平弯螺栓20的穿孔行程，螺母操作凹槽17端面与圆弧形pvc螺栓孔道21的切线方向垂直。混凝土塔筒分片15之间通过水平预应力弯螺栓20和防水密封胶连接成整环，水平弯螺栓20的两端锚固在与螺母操作孔17端面贴合的锚板18处。四片混凝土塔筒分片15拼接成整环后由下至上逐段吊装，并通过竖向预应力螺栓13连接成整体。

进一步地，本实施例中所有竖向连接螺栓13、水平连接弯螺栓20和锚栓5均需进行防腐处理，所有竖缝和水平缝拼接时需在拼缝处涂抹防水密封胶。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。