一种钢混组合结构中间塔筒及格构式风电塔架的制作方法

本发明涉及风电塔架，具体涉及一种钢混组合结构中间塔筒及格构式风电塔架。

背景技术：

1、随着陆上风电机组向更大单机容量和更高轮毂高度的发展，塔架结构需承受日益增大的极限载荷与长期循环作用下的疲劳载荷，对其承载能力、整体刚度和抗疲劳性能提出了更高要求。现有高塔架方案中，全钢制塔筒技术成熟，但随着塔高增加，为控制用钢量而减薄筒壁，导致径厚比增大、整体刚度明显下降，用钢成本较高；预制混凝土塔筒虽刚度较大，但多采用现场抹胶或灌浆方式处理拼缝，连接质量易受施工环境及人员操作影响，质量一致性难以保证，且运输和吊装难度随塔高增加而显著增大。

2、格构式塔架因其下部格构段由多根角柱和腹杆组成，具备承载力高、刚度大的突出优势，被公认为适用于大容量、高塔架风电机组的有效结构形式之一。然而，格构段整体外轮廓尺寸较大，若将其继续向上延伸进入叶片扫掠范围，将面临叶片与塔架之间净空不足甚至发生碰撞的重大安全风险，即扫塔风险。因此，受叶片运行轨迹的制约，格构段在工程实践中通常仅能布置至叶尖最低位置附近，无法继续向更高处延伸，其高承载力和高刚度的结构优势难以向塔架上部传递。

3、格构段高度被迫受限后，其上方须由一段较长的钢制塔筒继续向上延伸以抵达机舱安装高度。以大容量机组为例，此段钢制塔筒长度可达百米量级，接近叶轮半径。此种长段钢塔筒由于钢制塔筒径厚比较大，筒壁相对较薄，长段整体刚度偏低，致使塔架整体自振频率下降，易与风轮运行频率耦合而产生共振风险，对机组控制策略要求更严苛；长段钢塔筒受力处于不利工况，为满足承载要求需消耗大量钢材，用钢量巨大，提高了建设成本，甚至迫使工程中采用分片钢塔筒、t型法兰等高成本措施，使此种长段钢塔筒成为制约塔架结构性能和经济性的主要控制因素。

4、因此，如何在确保叶片安全净空的前提下，替代该段位于叶片扫掠范围内、长度过长且受力不利的钢制塔筒，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种钢混组合结构中间塔筒及格构式风电塔架，以解决上述背景技术提出的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种钢混组合结构中间塔筒，所述中间塔筒设置于格构式风电塔架的下部格构段与上部钢制塔筒之间，所述中间塔筒位于风电机组叶片的扫掠范围内；

3、所述中间塔筒包括至少一个钢混组合筒片，所述钢混组合筒片包括外侧钢板、内侧钢板以及夹设成型在所述外侧钢板和所述内侧钢板之间的混凝土夹层，所述外侧钢板和所述内侧钢板朝向所述混凝土夹层的表面上均设置有多个固定件，所述外侧钢板、所述混凝土夹层和所述内侧钢板通过所述固定件相互连接，以形成组合受力截面；

4、所述中间塔筒的下端设置有下连接构造，所述下连接构造适于连接所述下部格构段；所述中间塔筒的上端设置有上连接构造，所述上连接构造适于连接所述上部钢制塔筒。

5、有益效果：通过将中间塔筒布置在格构段上方、叶片扫掠范围内的原长钢塔筒位置，在不增大塔筒外轮廓的前提下，避免了叶片扫塔风险；同时，采用外侧钢板、混凝土夹层与内侧钢板的三明治组合截面，利用固定件将两层钢板与混凝土夹层连接为整体，混凝土夹层对外侧钢板和内侧钢板形成连续侧向支撑，有效提高钢板的局部稳定性和抗屈曲承载力；钢板对混凝土形成约束，改善混凝土受力状态。相较于同等外径的单层薄壁钢塔筒，本方案的组合截面具有更大的截面刚度、更高的极限承载力和更优的疲劳性能，利用混凝土替代部分钢材，降低了用钢量和建设成本。

6、在一些实施例中，所述钢混组合筒片包括同一高程的至少两片钢混组合筒片沿周向拼接组合而成，任一所述钢混组合筒片均具有所述外侧钢板、所述内侧钢板和所述混凝土夹层，相邻两片所述钢混组合筒片之间形成有竖向拼缝。

7、有益效果：钢混组合筒片由同一高程的至少两片钢混组合筒片沿周向拼接而成，相邻筒片之间形成竖向拼缝。将完整的环形筒段拆分为多片独立筒片，每片筒片在预制，单片尺寸可控，以便公路运输，可解决大直径塔筒运输超限的问题。此外，分片构造降低了单次吊装重量，便于现场装配，提高了施工效率，适用于山地等运输条件受限的风电场址。

8、在一些实施例中，所述钢混组合筒片沿塔筒高度方向的截面呈弧形板状，所述外侧钢板和所述内侧钢板沿径向间隔设置，所述混凝土夹层填充在所述外侧钢板和所述内侧钢板之间的环形空间内，所述固定件沿各所述钢板的表面呈阵列状间隔布置，所述固定件的一端焊接在所述外侧钢板或所述内侧钢板上，另一端埋设于所述混凝土夹层内。

9、有益效果：阵列布置的固定件在钢板与混凝土之间形成多点机械咬合和抗剪连接，确保剪力在钢板与混凝土界面间的有效传递，实现组合截面共同受力；焊接连接方式可保证固定件与钢板之间的可靠锚固，埋入混凝土的一端通过机械锚固作用传递荷载，使组合截面在弯矩和剪力作用下保持整体结构性能。

10、在一些实施例中，所述竖向拼缝处设置有竖向加劲连接件，所述竖向加劲连接件为沿塔筒高度方向延伸的板状构件，所述竖向加劲连接件贴合并夹设在相邻两片所述钢混组合筒片的侧向端部之间；多个紧固件沿塔筒高度方向间隔布置，通过多个所述紧固件穿过所述竖向加劲连接件及相邻两侧的所述钢混组合筒片，以将所述竖向加劲连接件与相邻的所述钢混组合筒片固定连接。

11、有益效果：竖向加劲连接件夹设在相邻筒片之间，通过沿高度方向间隔布置的多个紧固件对拉紧固，将分散的独立筒片连接为整体的环形筒段。此种连接方式传力路径明确，塔筒承受的扭矩和剪力通过多个紧固件分别传递给竖向加劲连接件，再由竖向加劲连接件传递至相邻筒片，实现同一高程各筒片的组合受力。

12、在一些实施例中，所述中间塔筒还包括沿塔筒高度方向叠层设置的至少两个所述钢混组合筒片，上下相邻两个所述钢混组合筒片之间形成水平接缝，所述水平接缝处设置有环向加劲连接件，所述环向加劲连接件为沿塔筒周向延伸的环形板状构件，所述环向加劲连接件夹设在上下相邻两个所述钢混组合筒片的端面之间，多个紧固件沿塔筒周向间隔布置，通过多个所述紧固件穿过所述环向加劲连接件及上下两侧的所述钢混组合筒片，将所述环向加劲连接件与上下相邻的所述钢混组合筒片固定连接。

13、有益效果：环向加劲连接件夹设在上下相邻筒段的端面之间，通过沿周向间隔布置的紧固件将上下筒段紧固连接，使弯矩和剪力能够跨越水平接缝在上下筒段之间连续传递；通过此种设计，多个筒段沿高度方向可靠串接，整体上形成连续的长段中间塔筒，满足高塔架的承载和刚度需求。水平接缝由环向连接件连接定位，竖向拼缝由竖向连接件连接定位，形成完整的空间连接体系。

14、在一些实施例中，所述竖向加劲连接件包括沿径向平行间隔设置的第一竖向连接件与第二竖向连接件、以及固定连接在所述第一竖向连接件与所述第二竖向连接件之间的竖向中间件，所述第一竖向连接件与所述第二竖向连接件呈弧形板状；所述第一竖向连接件固定设置在所述外侧钢板的外侧，所述第二竖向连接件固定设置在所述内侧钢板的内侧；

15、所述第一竖向连接件沿竖向设置有若干间隔分布的第一竖向连接孔，所述外侧钢板沿竖向设置有若干间隔分布的外侧对接孔，所述第一竖向连接孔与所述外侧对接孔对应同轴设置；所述第二竖向连接件沿竖向设置有若干间隔分布的第二竖向连接孔，所述内侧钢板沿竖向设置有若干间隔分布的内侧对接孔，所述第二竖向连接孔与所述内侧对接孔对应同轴设置；

16、所述环向加劲连接件包括沿径向平行间隔设置的第一环向连接件与第二环向连接件、以及固定连接在所述第一环向连接件与所述第二环向连接件之间的环向中间件，所述第一环向连接件与所述第二环向连接件呈弧形板状；所述第一环向连接件固定设置在所述外侧钢板的外侧，所述第二环向连接件固定设置在所述内侧钢板的内侧；

17、所述第一环向连接件沿环向设置有若干间隔分布的第一环向连接孔，所述外侧钢板还沿环向设置若干间隔分布的外侧对接孔，所述第一环向连接孔与所述外侧对接孔对应同轴设置；所述第二环向连接件沿环向设置有若干间隔分布的第二环向连接孔，所述内侧钢板还沿环向设置若干间隔分布的内侧对接孔，所述第二环向连接孔与所述内侧对接孔对应同轴设置；上下相邻两个的所述钢混组合筒片夹合固定在所述第一环向连接件与所述第二环向连接件之间。

18、有益效果：竖向加劲连接件采取第一竖向连接件、竖向中间件与第二竖向连接件的双层构造，分别设置于外侧钢板的外侧和内侧钢板的内侧，配合螺栓对拉紧固，在筒片接缝处形成内外双侧夹持约束，提高接缝的抗剪承载力和抗弯刚度；环向加劲连接件同样采用内外双层构造，分别贴合在外侧钢板的外表面和内侧钢板的内表面，对水平接缝形成双重抗剪连接。连接孔与对接孔的对应同轴设置保证了装配精度和螺栓传力的可靠性；上下相邻筒片夹合固定于内外双层环向连接件之间，使接缝在厚度方向受到双侧约束，避免了接缝在荷载作用下发生拉开或错动，确保分片式结构在承载状态下整体受力工作。

19、在一些实施例中，所述竖向加劲连接件沿塔筒高度方向的尺寸小于所述钢混组合筒片沿塔筒高度方向的尺寸，所述竖向加劲连接件的上端面与位于其上方的所述环向加劲连接件的下端面之间留有第一间隙，所述竖向加劲连接件的下端面与位于其下方的所述环向加劲连接件的上端面之间留有第二间隙。

20、有益效果：竖向加劲连接件的高度短于筒片高度，使竖向加劲连接件的上下两端与环向加劲连接件之间留有间隙，避免了在水平接缝处两类连接件发生空间位置冲突或相互顶抵；间隙的设计，可确保在安装时，筒片端面能够与环向加劲连接件紧密贴合，防止因竖向连接件伸入接缝位置而导致局部孔隙或贴合不密实，从而保证水平接缝的传力可靠性和密封性。

21、在一些实施例中，上下相邻两个所述钢混组合筒片的所述竖向拼缝在塔筒周向位置上相互错开。

22、有益效果：竖向拼缝在上下相邻筒段之间错缝布置，使得竖向拼缝不沿塔筒高度方向连续贯通，避免在塔筒某一纵向位置形成连续薄弱带；此种设置，有利于提高塔筒的整体性和抗扭刚度，降低局部接缝在极限荷载和疲劳荷载下的失效风险，提升分片装配式塔筒结构的整体可靠性。

23、在一些实施例中，所述中间塔筒还包括沿塔筒高度方向设置的第一预应力钢绞线，所述第一预应力钢绞线贯穿各所述钢混组合筒片；

24、所述第一预应力钢绞线的数量为多根，多根所述第一预应力钢绞线沿塔筒周向间隔布置，各所述第一预应力钢绞线均平行于塔筒的轴线方向设置；所述第一预应力钢绞线的上端适于与塔筒转接段的第一锚固板固定连接，所述第一预应力钢绞线的下端适于与格构转接段的第二锚固板固定连接；

25、所述上连接构造包括多个第一预埋锚栓，所述第一预埋锚栓的下端埋设在最上层的所述钢混组合筒片的所述混凝土夹层内，所述第一预埋锚栓的上端伸出所述混凝土夹层并穿过所述塔筒转接段的第一底部法兰，所述第一预埋锚栓的上端通过螺纹件与所述第一底部法兰固定连接；

26、所述下连接构造包括多个第二预埋锚栓，所述第二预埋锚栓的上端埋设在最下层的所述钢混组合筒片的所述混凝土夹层内，所述第二预埋锚栓的下端伸出所述混凝土夹层并穿过所述格构转接段的第二顶部法兰，所述第二预埋锚栓的下端通过螺纹件与所述第二顶部法兰固定连接。

27、有益效果：多根第一预应力钢绞线沿周向均匀间隔布置，对中间塔筒施加沿高度方向的预压力，将各分片筒段和各层筒段沿竖向压紧，使装配式结构在整体上具有更好的整体性和连续性；预压力还使混凝土夹层处于有利的受压状态，改善混凝土的抗裂性能和疲劳性能。上连接构造与下连接构造采用预埋锚栓与转接段法兰通过螺纹件固定连接，实现了中间塔筒与塔筒转接段、格构转接段的装配式连接，便于施工和质量控制及检查。

28、第二方面，本发明还提供了一种格构式风电塔架，包括自上而下设置的上部钢制塔筒、塔筒转接段、上述的钢混组合结构中间塔筒、格构转接段以及下部格构段；

29、所述上部钢制塔筒的下端与所述塔筒转接段的上端固定连接，所述塔筒转接段的下端与所述钢混组合结构中间塔筒的上端固定连接，所述钢混组合结构中间塔筒的下端与所述格构转接段的上端固定连接，所述格构转接段的下端与所述下部格构段的上端固定连接；

30、所述上部钢制塔筒、所述钢混组合结构中间塔筒和所述下部格构段通过所述塔筒转接段和所述格构转接段沿塔架高度方向串接设置。

31、有益效果：风电塔架采取五段式架构，下部格构段提供高刚度和承载力基础，中间塔筒以组合截面替代叶片扫掠范围内的长钢塔筒，在确保净空安全的前提下提高该段的刚度和承载力、降低用钢量，上部钢塔筒具体连接机舱，塔筒转接段和格构转接段分别实现钢塔筒到中间塔筒、中间塔筒到格构段的几何过渡和受力转换，使各段结构优势互补，格构段的高承载力、中间塔筒的组合截面高刚度、钢塔筒的小外轮廓，共同组合满足大容量高塔架风电机组对结构性能和经济性的要求。

32、在一些实施例中，所述塔筒转接段设置为组合式结构；

33、所述塔筒转接段包括转接筒体、第一顶部法兰和第一底部法兰，所述转接筒体连接在所述顶部法兰和所述底部法兰之间，所述第一顶部法兰设置在所述转接筒体的上端，以与所述上部钢制塔筒固定连接；所述第一底部法兰设置在所述转接筒体的下端，以与所述钢混组合结构中间塔筒固定连接；

34、所述转接筒体内环壁上设有第一锚固板与第一竖向加劲肋，所述第一锚固板设置为弧形板体，所述第一竖向加劲肋设置为平面板体；所述第一锚固板的外缘与所述转接筒体的内壁固定连接，所述第一锚固板位于所述顶部法兰与所述底部法兰之间；所述第一锚固板与所述第一底部法兰之间设置多个第一竖向加劲肋，各所述第一竖向加劲肋的上端与所述第一锚固板固定连接，各所述第一竖向加劲肋的下端与所述第一底部法兰固定连接；

35、所述第一锚固板适于与第一预应力钢绞线的上端固定连接。

36、有益效果：转接筒体通过第一顶部法兰与上部钢塔筒连接、通过第一底部法兰与中间塔筒连接，实现了由钢塔筒圆筒截面到中间塔筒组合截面的几何过渡；第一锚固板与第一竖向加劲肋形成锚固体系，第一锚固板为弧面板体用于锚固预应力钢绞线上端，第一竖向加劲肋连接锚固板与第一底部法兰，提高第一锚固板的面外刚度和承载力，确保其能够承受第一预应力钢绞线张拉产生的集中锚固力并将其有效传递至第一底部法兰和中间塔筒，使预应力体系可靠工作。

37、在一些实施例中，所述格构转接段包括第二顶部法兰、上面板、法兰颈部和四个支撑柱，所述法兰颈部的上端与所述第二顶部法兰固定连接，所述法兰颈部的下端与所述上面板连接；所述第二顶部法兰适于与第二预埋锚栓的下端固定连接；所述上面板呈矩形板状；四个所述支撑柱分别设置在所述上面板的四个角部，各所述支撑柱的上端与所述上面板连接，各所述支撑柱的下端分别通过连接法兰与所述下部格构段的四根角柱连接；

38、所述格构转接段包括至少两个分体沿分体拼缝拼合而成的分体组合式结构；所述分体拼缝处设置有节点板，多个螺栓件穿过所述节点板将相邻的分体固定连接；

39、所述格构转接段的内部置有第二锚固板与第二竖向加劲肋，所述第二锚固板的外缘与所述法兰颈部的内壁固定连接，所述第二锚固板位于所述第二顶部法兰与所述上面板之间，所述第二锚固板设置为弧形板体，所述第二竖向加劲肋设置为平面板体；所述第二锚固板与所述第二顶部法兰之间设置有多个所述第二竖向加劲肋，各所述第二竖向加劲肋沿所述第二锚固板的周向间隔布置，各所述第二竖向加劲肋的上端与所述第二顶部法兰的下表面焊接连接，各所述第二竖向加劲肋的下端与所述第二锚固板的上表面焊接连接；

40、所述第二锚固板适于与第一预应力钢绞线的下端固定连接。

41、有益效果：格构转接段通过第二顶部法兰连接中间塔筒底部，通过四个支撑柱和连接法兰连接下部格构段的四根角柱，实现了由圆筒形中间塔筒截面向四角布置格构截面的几何转换和受力重分配；分体组合式构造将尺寸较大的格构转接段拆分为适合公路运输的分体单元，解决了大型构件运输超限的问题；第二锚固板与第二竖向加劲肋构成下锚固体系，用于锚固第一预应力钢绞线下端，将预应力锚固力传递至格构转接段，进而分配至四个支撑柱和下部格构段；平面板状的第二竖向加劲肋与弧面板状的第二锚固板配合，在有限的转接段空间内实现了锚固板的刚度和承载力增强，保证预应力下锚固端的结构可靠性。

42、在一些实施例中，所述上面板与所述法兰颈部之间设置有若干斜向支撑组件，所述斜向支撑组件包括斜面板和三角加劲肋；

43、所述斜面板为板状构件，所述斜面板的上端与所述法兰颈部的外壁连接，所述斜面板的下端与所述上面板的上表面连接，所述斜面板沿塔筒高度方向由内上方向外下方倾斜延伸；

44、所述三角加劲肋为三角形板状构件，所述三角加劲肋的数量为多个，多个所述三角加劲肋沿所述法兰颈部的周向间隔布置，各所述三角加劲肋的一个边与所述法兰颈部的外壁焊接连接，各所述三角加劲肋的另一个边与所述上面板的上表面焊接连接，各所述三角加劲肋的第三个边与所述斜面板的表面焊接连接。

45、有益效果：通过斜面板连接法兰颈部外壁和上面板上表面，形成由中心圆筒向四角支撑柱过渡的倾斜传力路径，使第二顶部法兰承受的竖向压力和弯矩通过斜面板较均匀地分散传递至上面板，再分配至四个支撑柱；三角加劲肋焊接在斜面板两侧，提高斜面板的面外刚度和抗屈曲承载力，防止其在压力荷载下发生失稳；斜向支撑组件在格构转接段内部形成空间传力桥梁，减小了截面突变区域因荷载集中引起的局部应力峰值，有利于提高结构的抗疲劳性能。

46、在一些实施例中，所述下部格构段包括四根角柱和多根腹杆，四根所述角柱分别设置在所述格构式风电塔架的四角并沿塔架高度方向延伸，各所述腹杆连接在相邻的所述角柱之间；各所述支撑柱下端的连接法兰与各所述角柱上端的角柱法兰通过螺栓固定连接；

47、各所述角柱内沿自身长度方向设置有第二预应力钢绞线，所述第二预应力钢绞线的上端伸出所述角柱上端面锚固在所述格构转接段上，所述第二预应力钢绞线的下端适于与地面锚固结构固定连接。

48、有益效果：四根角柱配合腹杆形成格构式结构，以较小的钢材用量实现较大的截面刚度和承载力；角柱内设置第二预应力钢绞线，张拉后对角柱施加轴向预压力，改善了角柱在风荷载作用下的受力状态，预压力可抵消部分由弯矩引起的拉力，减小角柱与支撑柱连接法兰处的拉力载荷，提高连接节点的抗疲劳性能；第二预应力钢绞线上端锚固于格构转接段、下端锚固于地面，将格构转接段和下部格构段沿竖向压紧为一体，同时将中间塔筒传递至格构转接段的荷载通过预应力体系更可靠地传至基础和地基，形成完整的荷载传递路径。