本发明属于高塔低风速区风电机组预应力混合塔筒技术领域，具体涉及一种上部是常规钢制塔筒、下部是分片预制式预应力混凝土塔筒的预应力混合塔筒。
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，传统圆锥形钢塔筒底段直径将超出常规公路运输的尺寸限制，且随着钢筒高度的增加，其整体刚度下降会诱发风电机组的不良振动特性，从而限制高塔筒风电机组的发展。因此混凝土-钢筒混合式塔架能满足大型风电机组轮毂高度的要求，在风电领域得到广泛关注。
混凝土-钢筒混合式塔架下部采用混凝土塔筒，上部采用钢制塔筒，基础采用中空圆盘形钢筋混凝土结构，三者通过预应力钢绞线相连，从而可大幅缩减了钢制塔筒段的高度，在满足运输条件的前提下，也保证高塔筒结构具有更好的力学特性。现浇混凝土塔筒具有施工复杂、养护周期长、模板拆卸繁琐、混凝土施工质量难以保证等局限性，难以满足大型风力发电机组批量化、流程化的施工建造要求。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种设计合理、施工简单、运输方便、连接牢固、造价低廉、可批量流程化施工建造的风电机组预应力钢混塔筒。为此，本发明采用以下技术方案：
一种风电机组预应力钢混塔筒，包括顶部钢塔筒、混凝土塔筒和底部圆盘形基础，其特征在于：所述混凝土塔筒由若干圆台形预制塔筒段竖向连接而成，分段方式为水平分段；每一段塔筒段由多片圆弧形预制混凝土分片环向连接而成，分片方式为竖向分片，塔筒段拼接成环后，采用逐段吊装的方式错缝安装；通过体外预应力钢绞线将钢塔筒、混凝土塔筒与底部圆盘形基础相连；混凝土塔筒顶部设置混凝土塔筒转换段，混凝土塔筒转换段和钢塔筒段还通过螺栓组件连接，混凝土塔筒转换段塔筒壁厚按一定比例缓慢过渡减小，保证顶部端面壁厚显著大于筒身壁厚，体外预应力钢绞线贯穿混凝土塔筒转换段后进入混凝土塔筒筒内空间。
进一步地，每一段塔筒段以及转换段由4片相同的1/4圆弧形预制混凝土分片环向连接而成。
进一步地，底段混凝土塔筒开设门洞，方便人员进出及设备搬运；底部圆盘形基础设计成中空圆盘式以预留钢绞线张拉锚固空间；混凝土塔筒转换段顶部端面作为预应力钢绞线和螺栓组件的锚固端，混凝土塔筒转换段预留钢绞线埋管，并在顶面预设钢绞线和螺栓的锚固装置；所有圆弧形预制混凝土分片设置水平螺栓孔道和螺母安装槽及竖向螺栓孔道和螺母安装槽。
进一步地，预制混凝土分片之间的纵缝采用直螺栓和坐浆方式连接，竖向连接同样采用直螺栓和坐浆方式，拼接吊装完成后，把螺母安装槽处用砂浆填实、抹平，起到防腐的作用，所有连接处缝隙用防水砂浆或防水胶填充；全部安装完成后，对预应力钢绞线进行穿管张拉，并将两端锚固。
进一步地，所述底部圆盘形基础包括环梁、扩展基础板、下底板、混凝土基础垫层、上封板、环形加腋；所述底部圆盘形基础由下至上依次为混凝土基础垫层、下底板、扩展基础板、环梁，上封板位于所述圆盘形基础的顶部并和环梁相连；环梁顶部通过环形加腋与混凝土塔筒相连；所述基础的内部设有“凸”形空腔，上封板设置进人通道孔；所述底部圆盘形基础在环梁内部预留钢绞线穿管，并预埋钢绞线下锚板。
进一步地，下锚板与钢绞线的轴线正交，钢混塔筒吊装就位后，通过钢绞线将钢混塔筒与底部圆盘形基础相连，在底部圆盘形基础的空腔内部对钢绞线实施张拉预紧，并通过锁头将钢绞线锚固至环梁底部。
进一步地，顶部钢塔筒的底端设有法兰结构，所述法兰结构包括法兰板、加劲板和垫板；预应力钢绞线穿过法兰板、垫板、混凝土塔筒转换段，预应力钢绞线上端通过锁头锚固于法兰板上表面，下端和与风电机组钢混塔筒的圆盘形基础相连；法兰板和垫板为圆环形钢板，法兰板、钢塔筒和加劲板互相焊接，圆环形垫板作为混凝土保护装置预埋在混凝土塔筒转换段顶端；所述法兰板和垫板上设有相应数量的螺栓孔和预应力钢绞线套管穿孔。
进一步地，所述螺栓组件的上端锚固于法兰板上表面，并贯穿法兰板和垫板，通过螺栓套管延伸至混凝土塔筒转换段内部，螺栓组件下端与焊接在混凝土塔筒转换段内部下锚板上的螺母螺纹连接。
进一步地，所述加劲板立置于法兰板和垫板之间并沿钢塔筒底部环向均匀排布，加劲板上端与法兰板焊接，外侧与钢塔筒内壁焊接；加劲板上端与法兰板和钢筒内壁的连接处设置弧形开孔使局部应力平滑过渡，优化应力传递路径。
进一步地，加劲板下端设置一定坡度斜向上，与垫板之间形成间隙，通过施加钢绞线和螺栓预张力后可更好的保证钢塔筒底部端面处于受压状态。
进一步地，所述加劲板为梯形钢板，所述加劲板上端宽度大于下端宽度，可更好的适应加劲板的内力分布。
本发明的有益效果是：
（1）混凝土塔筒采用分片预制，施工质量和混凝土强度较现浇方式有更充分的保证，且能大幅提高混凝土材料的利用率；每一分片尺寸规则合理，可叠放运输，可提高运输效率；混凝土塔筒分片预制方式可对塔筒进行批量流程化施工建造和养护，在保证质量的前提下大幅缩短了施工和养护周期；分片预制方式可大幅缩减模板数量，仅需传统模板的1/4，且相近高度风电机组可采用相同尺寸的塔筒，模板可重复利用，降低成本。
（2）采用体外预应力钢绞线张拉锚固后，塔筒整体处于预压状态，大幅提升了塔筒的抗拉强度和稳定性，保证了混凝土塔筒的刚度和强度；该方式与体内预应力结构相比，无需在预制混凝土分片时预设钢绞线埋管，在施工阶段可避免各段塔筒预埋管的对齐以及钢绞线的整个穿管工序。
（3）根据混凝土塔筒的受力特性，分片之间环向通过螺栓连接，既能保证吊装和运行工况时的受力强度要求，也便于现场安装施工。
（4）采用混凝土-钢筒混合式塔架使风电机组轮毂高度增加，刚度增强，振幅缩减，有利于结构安全稳定运行，能满足风电机组大型化、高空化的发展要求，能有效利用低风速区的风资源。
（5）底部圆盘形基础设计成中空形，其结构设计合理、抗倾覆能力强、连接牢固，可实现大功率风电机组基础与塔架的合理紧固连接，便于预应力钢绞线的张拉锚固操作，可使风电机组塔架整体处于预压状态，大幅提升了塔筒的抗拉强度、抗倾覆能力和稳定性，并有效避免了通过塔筒顶部张拉带来的高空作业风险，也便于设备运维、钢绞线后续补充张拉等操作。
（6）本发明提出的钢混塔筒预应力钢绞线反向连接法兰结构，其结构设计合理、连接牢固、受力特性良好、造价低廉、实用性强，可实现预应力混凝土塔筒段与钢塔筒段的合理紧固连接。
（7）采用法兰板、加劲板、垫板、高强螺栓组件和预应力钢绞线组合结构连接混凝土塔筒和钢塔筒，与传统厚法兰连接件相比可大幅缩减材料和加工成本；可在不增加法兰板厚度的前提下，通过增高或增厚加劲板的方式同时增加法兰刚度和螺栓长度，保证混凝土塔筒和钢塔筒的连接强度，更好的避免结构可能发生的疲劳问题。
（8）加劲板下端的斜坡设置与钢垫板之间形成加劲板间隙，通过施加钢绞线和螺栓预张力后可保证风机运行过程中钢塔筒底部端面始终处于受压状态，大大提升了钢塔筒的抗倾覆能力。
附图说明
图1是本发明实施例风电机组预应力钢混塔筒剖面图。
图2是本发明实施例中混凝土塔筒顶面自A-A向下的俯视图。
图3是本发明实施例中混凝土塔筒1/4分片外侧三维视图。
图4是本发明实施例中混凝土塔筒1/4分片内侧三维视图。
图5是本发明实施例中底部圆盘形基础的结构剖视图。
图6是本发明实施例中钢塔筒和混凝土塔筒转换段连接法兰结构的剖面图。
图7是本发明实施例中钢塔筒和混凝土塔筒转换段连接法兰结构自B-B向下的俯视图。
图8是本发明实施例中钢塔筒和混凝土塔筒转换段连接法兰结构的三维结构图。
图9是本发明实施例中钢塔筒和混凝土塔筒转换段连接法兰结构的三维局部结构图。
具体实施方式
本实施例为一座风电机组预应力钢混塔筒，其中混凝土塔筒高48米，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，该混凝土塔筒由底段12、塔顶转换段13和十个中间段11错缝连接而成，分段方式为水平分段；各段塔筒由四片相同的1/4圆弧形预制混凝土分片100拼接而成，分片方式为竖向分片。所有混凝土塔筒分片100在预制厂统一预制养护并运输至现场拼接吊装，整个混凝土塔筒拼接完成后呈高耸圆台形。塔筒顶端外径5.2m，壁厚1.0m，塔筒底段12与基础2相连，底端外径7.8m；塔顶转换段13通过螺栓组件3和反向连接法兰结构4与钢塔筒5相连。该混凝土塔筒单侧坡度为2.7%。
塔筒底段开设门洞5，除塔顶转换段13外，混凝土塔筒各段壁厚均为400mm。为了设置塔筒顶部预应力钢绞线6和螺栓组件3的锚固端并保证顶段受压区混凝土的强度，塔顶转换段13壁厚按1:3的坡度均匀过渡减小，保证顶部端面壁厚为1.0m。塔顶转换段13预留钢绞线埋管413，并在顶面预设圆环形钢垫板46。钢绞线6穿管张拉后上端锚固于混凝土塔筒顶面的法兰结构上表面，下端锚固至基础环梁底面26，使塔筒整体处于预压状态，能有效提高混凝土塔筒的抗拉强度和稳定性；预应力钢绞线沿混凝土塔筒环向间隔15°布置，共24束，为躲开门洞，门洞两侧的预应力索（共4束）向两侧张开。
如图3~图4所示，在本实施例中，每段塔筒高4.0m，各段混凝土塔筒采用分片预制，混凝土强度等级在C40~C70之间，优选混凝土强度为C50。所有分片在预制厂批量生产，预制时模板呈拱形放置，模板指定位置做凸起，预留螺栓孔道和螺母安装槽，脱模后自动形成安装槽，进料口位于模板顶部，振捣均匀，混凝土分片浇筑完成后，外侧做地模，蒸汽养护，保证混凝土浇筑质量。预制好的混凝土分片平躺叠放，可满足常规公路运输要求。
塔筒拼接过程中，首先将2个1/4预制混凝土分片100通过水平螺栓组件101及坐浆方式拼接成1/2圆环，再将2个1/2圆环通过同样的方式拼接成圆台形塔筒段。待所有预制混凝土分片拼接完成后，采用由下及上逐段吊装的方式错缝安装，竖向连接采用竖向螺栓组件102及坐浆方式，每段混凝土之间沿环向均匀布置8根螺栓。拼接完成后，把螺母安装槽103用砂浆填实、抹平，起防腐作用，所有连接处缝隙用防水砂浆或防水胶填充。
各段塔筒吊装完成后，在预留埋管内圈抹油并穿入钢绞线6。
如图1、5所示，所述基础2为中空圆盘形基础，包括环梁21、扩展基础板22、下底板23、混凝土基础垫层211、上封板24、加腋212。所述基础2内设“凸”字形空腔25，一方面便于设备安置与人工运维，另一方面便于钢绞线6的张拉锚固从而有效避免了通过塔筒顶部张拉带来的高空作业风险。
所述圆盘形基础2采用现浇方式施工，其混凝土强度等级在C40~C45之间，基础底部铺设混凝土基础垫层211，扩展基础板22呈梯台形，在保证基础强度的前提下增加覆土量，提升风电机组塔架的抗倾覆能力。基础环梁21内部预留钢绞线穿管28，并预埋钢绞线下锚板29，下锚板29为矩形钢板，预埋时保证锚板29与钢绞线6的轴线正交。上封板24中心设置圆孔型进人通道210，便于人员进入基础空腔25内部。
混凝土塔筒的底段12通过环形加腋212与基础环梁21相连；塔架吊装就位后，通过钢绞线6将混凝土塔筒与基础2相连，在基础空腔25内部对钢绞线实施张拉预紧，通过锁头27将钢绞线6锚固至基础环梁底面26的下锚板29上。通过预应力钢绞线6对结构张拉锚固后，使得风电机组塔架整体处于预压状态，大幅提升了塔筒的抗拉强度、抗倾覆能力和稳定性。
如图6~图9所示，本发明的连接法兰结构，包括法兰板44、加劲板45、垫板46。
加劲板45立置于法兰板44和垫板46之间并沿钢塔筒底部环向间隔7.5°均匀排布，共48块。法兰板44、加劲板45和钢塔筒5互相焊接，所有焊缝经打磨处理以消除残余应力；圆环形垫板46预埋在混凝土塔筒转换段13顶面，起保护塔筒顶面受压区混凝土的作用。加劲板45上端与法兰板44和钢塔筒5内壁的连接处设置弧形开孔49以避免应力集中，使局部应力平滑过渡，优化应力传递路径。
所述加劲板45下端设置一定坡度斜向上，与垫板46之间形成加劲板间隙410，通过钢绞线6和高强螺栓3张拉后可更好的保证钢塔筒5底部端面始终处于受压状态。作为优选方案，加劲板45内侧与垫板46之间的间隙410保持在2mm~5mm间；加劲板45上端宽度大于下端宽度，可更好的适应其内力分布。
钢塔筒段5和混凝土塔筒转换段13通过高强螺栓组件3和预应力钢绞线6连接，高强螺栓3上端锚固于法兰板44上表面，贯穿法兰板44和垫板46并通过螺栓套管411延伸至混凝土塔筒转换段13内部，下端与焊接在下锚板412上的螺母414螺纹连接，螺母外侧焊接螺母套。预应力钢绞线6上端通过锁头锚固于法兰板44上表面，贯穿法兰板44和垫板46，并通过钢绞线埋管413贯穿混凝土塔筒转换段13后在混凝土塔筒的内部延伸至下部结构中，其下端通过锁头27锚固在基础环梁底面26。高强螺栓组件3和预应力钢绞线6交错安装在两块加劲板45之间，螺栓3之间间隔15°环向均匀布置，共24根。
混凝土塔筒转换段13顶部受压区域加配环向箍筋，以保护塔筒顶部受压区混凝土的抗压强度。钢混塔筒安装张拉完成后，在钢塔筒段5和混凝土塔筒转换段13的连接处用防水密封胶填充。
混凝土塔筒转换段13壁厚按一定比例缓慢过渡减小，保证顶部端面壁厚显著大于筒身壁厚，一方面可为上部钢塔筒和转换段13提供更大的支撑面，保护混凝土塔筒顶部受压区；另一方面在保证刚度要求的前提下为混凝土塔筒顶段预埋螺栓套管和预应力钢绞线埋管提供空间。
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。