环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒及其加压浇筑工艺的制作方法

本发明属于风力发电，涉及一种环向阵列式预应力钢管混凝土塔筒及其浇筑预制工艺。

背景技术：

1、随着陆上和海上风电的规模化发展，风电机组逐渐向大单机容量和大叶轮直径发展，伴随而来的是轮毂高度的抬高以及风机载荷的激增，进而对风机塔筒的安全性、可靠性造成严峻挑战；另一方面，目前风电钢塔筒由于钢材用量较大，单个塔筒的造价成本昂贵，经济型较差。

2、由于混凝土具有刚度大、可塑性强、成本便宜的特点，可以通过引入混凝土与薄壁钢管形成钢管混凝土塔筒，在保证塔筒安全性和可靠性的前提下，尽可能地降低塔筒成本造价。目前钢管混凝土塔筒绝大多数采用中空夹层钢管混凝土结构，该结构需要内外两层钢管，相对于全钢塔筒，经济性提升幅度有限，且内外层中空钢管的整体连接性不强，承载性能较差，难以实现大规模推广应用。因此，亟需研究和发展一种适应大型风力发电机组的新型塔筒结构，以提高塔筒的经济性和安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒及其加压浇筑工艺，通过分段塔筒的空间预应力钢管混凝土依次的干式连接，来增强整个塔筒的刚度和承载能力，从而达到减少塔筒钢材用量的目的，减少塔筒的预制成本以及现场装配时间。

2、根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：

3、一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒包括上下依次相连的多段分段塔筒；

4、所述分段塔筒包括外部钢筒、异型法兰盘、若干内部附属钢管、预应力混凝土柱；

5、所述外部钢筒顶底两端分别焊接连接所述异型法兰盘；

6、所述若干内部附属钢管沿外部钢筒的内壁环向均匀分布并与外部钢筒沿长度方向进行焊接，各内部附属钢管顶底两端分别与异型法兰盘进行焊接；

7、所述异型法兰盘包括圆环法兰盘与若干在圆环法兰盘内圈分布的内部附属钢管封闭法兰盘；所述圆环法兰盘设置一圈螺栓孔，内部附属钢管封闭法兰盘的不与圆环法兰盘相接的周边在与内部附属钢管连接部位之外也设置螺栓连接孔；

8、所述外部钢筒、若干内部附属钢管、异型法兰盘焊接后形成若干个内部空腔，所述内部空腔内浇筑形成所述预应力混凝土柱，并与其外部钢筒结合成空间预应力钢管混凝土；

9、分段塔筒之间采用螺栓通过异型式法兰盘进行连接。

10、各分段塔筒可提前在预制工厂进行钢构件焊接、混凝土加压浇筑等预制工艺，在现场通过螺栓连接，实现全塔筒装配式快速连接，并且预应力混凝土通过法兰盘在塔筒高度方向传力，所述分段钢管混凝土塔筒通过若干阵列排布的空间预应力钢管混凝土柱来加强外部钢筒的刚度和承载能力，从而达到减少塔筒钢材用量的目的，节约成本，解决风电机组钢塔筒造价昂贵的问题。

11、在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

12、内部附属钢管封闭法兰盘设置有混凝土灌浆口和加压注浆孔。

13、所述内部附属钢管分为上中下三段式结构，中间段为曲面钢板，其截面形状沿外部塔筒轴向不发生变化，上下两部分为渐变过渡段，其截面形状随着渐变过渡段的高度会发生变化，随着渐变过渡段的高度位置靠近异型法兰盘会逐渐缩小，上下渐变过渡段分别与上下异型法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘进行焊接。

14、渐变过渡段的钢管进行加厚处理，其外侧面与外部钢筒的内壁不接触而有间隔，外部钢筒和渐变过渡段钢管之间设置加劲板，加劲板一侧与外部钢管进行焊接，加劲板另一侧与渐变过渡段钢管进行焊接。

15、在空腔内部，外部钢筒和内部附属钢管内壁均设置剪力键。

16、法兰螺栓连接时设置高强度防松动垫块以防止上下相邻分段塔筒脱开。

17、高强度防松动垫块由两块外形完全相同的钢制构件构成，所述钢制构件中间区域设置孔洞，以供螺栓穿过，螺栓拧紧后高强度垫块始终保持在弹性阶段。

18、空间预应力混凝土柱通过加压浇筑工艺形成，其环向、径向、轴向均为受压状态，能够极大提高混凝土的抗压性能和抗拉性能，从而提高整个塔筒结构的承载能力。

19、根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：

20、一种对上述的环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒的加压浇筑工艺，其特征在于，所述的钢管混凝土塔筒的分段塔筒可提前在预制工厂进行预制，其中的加压浇筑工艺包括如下步骤：

21、s1：灌浆阶段：混凝土通过顶部异型法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘所设置的灌浆口注入所述内部空腔，使得内部空腔内灌满混凝土，然后利用活塞装置堵住所述灌浆口；

22、s2：加压注浆阶段：通过加压注浆口持续向所述内部空腔注入混凝土，并使混凝土处于持续受压状态，加压浇筑过程中，持续利用外部振捣器进行振捣，排除混凝土砂浆中的空气，并在保持受压的状态下冷却成型，形成空间预应力钢管混凝土，大幅度提高混凝土柱的抗压性能、抗拉性能以及塔筒整体的安全性。预应力混凝土的初始压应力最好可以达到混凝土的抗拉强度以上，最大程度减少混凝土柱在荷载作用下的开裂几率，保证在全生命周期内混凝土柱刚度的稳定性。

23、本发明的有益效果是：

24、(1)本发明提出的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒及其加压浇筑工艺，可提供一种经济性好、预制程度高的装配式钢管混凝土塔筒结构，不仅结构精致而且承载能力强。

25、(2)本发明提出的环向阵列式排布的空间预应力钢管混凝土塔筒，通过预应力混凝土柱增加塔筒刚度，在保持塔筒整体刚度满足需求的前提下，可以大幅度减少钢材用量，可节约成本高达10-15％，大大提高海上塔筒的经济性。

26、(3)本发明提出的异型法兰盘，可以有效实现上下两段“空间预应力混凝土”塔筒之间预应力混凝土柱的干式连接效果，预应力混凝土柱可提前在工厂进行预制并用钢结构空间保持，实现全塔筒结构的工厂预制以及干式连接，极大地提高了塔筒的施工效率，缩短施工周期；并且，不需要在现场实施预应力操作，使得海上塔筒领域也能够在工程实际运用中采用预应力塔筒。同时，该构造形式的法兰盘相比常规圆环形法兰盘，可以进一步提高分段塔筒连接的安全性和整体性。

27、(4)本发明提出的上中下三段式构造形式的内部附属钢管，可以有效避免混凝土柱所在区域的法兰连接强度问题，能够提高预应力传递效果，通过增加内部附属钢管的上下过渡段段区域的钢管壁厚以及设置加劲板，来弥补混凝土柱横截面减小而带来的刚度损失。

28、(5)本发明提出的混凝土加压浇筑工艺，混凝土通过灌浆口注入空腔，空腔内注满混凝土后，利用活塞堵住灌浆口，并通过加压注浆孔持续向空腔内注入混凝土，使混凝土处于受压状态，并在保持受压的状态下进行冷却成型，形成空间预应力混凝土柱，空间预应力混凝土柱的环向、径向、轴向均为受压状态，能够极大提高混凝土的抗压性能和抗拉性能，从而提高塔筒整体的承载能力和安全性能。

技术特征：

1.一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒包括上下依次相连的多段分段塔筒；

2.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，内部附属钢管封闭法兰盘设置有混凝土灌浆口和加压注浆孔。

3.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，所述内部附属钢管分为上中下三段式结构，中间段为曲面钢板，其截面形状沿外部塔筒轴向不发生变化，上下两部分为渐变过渡段，其截面形状随着渐变过渡段的高度会发生变化，随着渐变过渡段的高度位置靠近异型法兰盘会逐渐缩小，上下渐变过渡段分别与上下异型法兰盘的内部附属钢管封闭法兰盘进行焊接。

4.根据权利要求3所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，渐变过渡段的钢管进行加厚处理，其外侧面与外部钢筒的内壁不接触而有间隔，外部钢筒和渐变过渡段钢管之间设置加劲板，加劲板一侧与外部钢管进行焊接，加劲板另一侧与渐变过渡段钢管进行焊接。

5.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，在空腔内部，外部钢筒和内部附属钢管内壁均设置剪力键。

6.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，法兰螺栓连接时设置高强度防松动垫块以防止上下相邻分段塔筒脱开。

7.根据权利要求6所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，高强度防松动垫块由两块外形完全相同的钢制构件构成，所述钢制构件中间区域设置孔洞，以供螺栓穿过，螺栓拧紧后高强度垫块始终保持在弹性阶段。

8.根据权利要求1所述的一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒，其特征在于，空间预应力混凝土柱通过加压浇筑工艺形成，其环向、径向、轴向均为受压状态，能够极大提高混凝土的抗压性能和抗拉性能，从而提高整个塔筒结构的承载能力。

9.一种对权利要求1-8中任一项所述的环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒的加压浇筑工艺，其特征在于，所述的钢管混凝土塔筒的分段塔筒可提前在预制工厂进行预制，其中的加压浇筑工艺包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒及其加压浇筑工艺，本发明通过钢塔筒内部环向阵列式布置一定数量的附属钢管，与外部钢筒形成空腔，空腔内加压浇筑形成空间预应力钢管混凝土，通过钢管混凝土来增强整个塔筒的刚度和承载能力，从而减少整个塔筒的钢材用量和预制成本。所述环向阵列式空间预应力钢管混凝土塔筒沿高度方向可以设置为若干段，各相邻分段塔筒通过异型法兰盘和螺栓进行连接，各分段塔筒可提前在预制工厂进行钢构件焊接、法兰盘焊接、混凝土浇筑等预制工艺，实现全塔筒装配式快速连接。本发明改善了塔筒的结构形式和预制工艺，大大减少了风电塔筒的工程造价以及施工周期。

技术研发人员：张春生,张栋梁,黄赐荣,戚海峰,姜贞强,罗金平,李炜,王滨,李天昊,付坤
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15