一种塔式光热定日镜桩柱一体施工方法及支撑装置与流程

本发明涉及太阳能光热发电，特别是一种塔式光热定日镜桩柱一体施工方法及支撑装置。

背景技术：

1、塔式光热发电是聚光型太阳能热发电技术中兼具高聚光比、高工作温度和显著发电效率优势的主流技术路线，近年来已成为清洁能源领域的重要发展方向。该类电站受光资源禀赋、土地利用成本及建设条件等多重因素制约，多选址于戈壁、荒漠等太阳辐照充裕且人类活动干扰较少的区域。此类场址地层普遍以粗粒土、砂类土为主要土体类型，呈现出孔隙发育、黏聚力低、渗透性强等典型工程地质特性；同时，戈壁沙漠地区气候还具有昼夜温差悬殊、风荷载作用显著且风沙侵蚀频繁等特征。上述复杂地质条件与恶劣自然环境的耦合作用，对定日镜桩柱一体结构的成桩质量、承载特性及长期稳定性提出了极为严苛的要求。

2、目前，塔式光热发电站定日镜桩柱一体结构的常规施工方式为“先成孔、再吊装桩柱、最后灌注混凝土”的三道工序方法。然而，该工艺在戈壁沙漠地区的实际工程应用中暴露出诸多技术难题：（1）在粗粒土、砂类土地层中采用常规泥浆护壁工艺时，松散颗粒流动性强，难以形成连续稳定的泥膜，极易引发塌孔、扩径及孔轴线偏移等施工病害，同时孔底沉渣量偏大且难以彻底清理，整体成孔质量差，导致混凝土超方严重，影响结构长期稳定性；（2）桩柱下放后至混凝土初凝前处于悬空或半悬空状态，缺乏有效的临时固定约束，在此期间受强风荷载、施工扰动及地层承载力不均等因素影响，桩柱极易发生倾斜，且现有方法缺乏系统、高效的动态纠偏手段，一旦倾斜未能及时纠正，待混凝土凝固后将大幅增加处理难度与成本，严重制约定日镜驱动机构的安装精度与聚光效率；（3）现有临时支撑系统的预应力参数多依赖工程经验确定，未建立基于风荷载动态特性的完善力学计算模型，预应力取值缺乏科学依据，存在支撑约束不足或构件过载的双重风险；（4）现有垂直度监测多采用单点测量方式，无法实时精准反映桩柱整体姿态，且缺乏完善的分级预警机制，难以满足施工质量控制要求。此外，现有施工工序繁琐、耗时长，桩柱对中与垂直度等关键指标易受人为因素及外部环境干扰，整体施工质量控制水平偏低。因此，亟需提出一种能够系统解决上述问题、适配戈壁沙漠特殊条件的方法与装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种塔式光热定日镜桩柱一体施工方法及支撑装置，以解决现有技术中松散地层钻孔护壁效果差、桩柱垂直度难以动态控制、斜杆支撑预应力缺乏科学计算依据及监测预警手段不完善的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种塔式光热定日镜桩柱一体施工方法，所述塔式光热定日镜桩柱一体施工方法包括：

4、桩孔钻进过程中，同步向所述桩孔内注入固化剂，并通过搅拌使所述固化剂与所述桩孔的内壁土体混合，形成固化护壁层；

5、向形成有所述固化护壁层的所述桩孔内灌注混凝土，并在提钻过程中持续灌注所述混凝土至所述桩孔充满；

6、在已灌注所述混凝土的所述桩孔上方安装定位盖板，将桩柱一体结构穿过所述定位盖板并插入所述桩孔内已灌注的所述混凝土中；

7、在所述桩柱一体结构露出地面部分的桩身周围安装多根长度可调节的支撑斜杆，并实时监测获取所述桩柱一体结构的垂直度；

8、获取风荷载侧向力、各所述支撑斜杆与地面间的第一夹角以及各所述支撑斜杆与风向间的第二夹角，根据所述风荷载侧向力、所述第一夹角和所述第二夹角计算得到各所述支撑斜杆的目标预应力；

9、根据所述目标预应力和获取的所述垂直度，分级动态调节各所述支撑斜杆的长度以向所述桩柱一体结构施加预应力，直至所述桩柱一体结构的垂直度满足预设垂直阈值。

10、可选地，所述获取风荷载侧向力，包括：

11、根据所述桩柱一体结构插入位置的气象条件和设计重现期，确定设计风速；

12、获取所述桩柱一体结构露出地面部分的桩身直径和桩身高度，并根据所述桩身直径和所述桩身高度计算获取所述桩柱一体结构露出地面部分的桩身迎风面积；

13、根据所述设计风速和所述桩身迎风面积，结合标准大气压下的空气密度、风压系数，以及所述桩柱一体结构规范的桩身体型系数和高度变化系数，计算得到所述风荷载侧向力，计算所述风荷载侧向力的函数表达式为：

14、

15、式中，表示风荷载侧向力，表示空气密度，表示设计风速，表示桩身迎风面积，表示风压系数，表示桩身体型系数，表示高度变化系数。

16、可选地，所述根据所述风荷载侧向力、所述第一夹角和所述第二夹角计算得到各所述支撑斜杆的目标预应力，包括：

17、获取所述桩柱一体结构周围所述支撑斜杆的数量；

18、根据所述风荷载侧向力、各所述第一夹角和各所述第二夹角，结合所述支撑斜杆的数量，计算获取各所述支撑斜杆的轴向力，计算所述轴向力的函数表达式为：

19、

20、式中，表示第个支撑斜杆的轴向力，表示风荷载侧向力，表示支撑斜杆的数量，表示第个支撑斜杆与地面间的第一夹角，表示第个支撑斜杆与风向间的第二夹角；

21、根据各所述支撑斜杆的所述轴向力获取作用于桩身的基本预应力；

22、获取所述桩柱一体结构周围实时风速超过所述设计风速时的增量风荷载，结合所述支撑斜杆的数量和各所述第一夹角，计算获取各所述支撑斜杆的风荷载附加预应力；

23、根据所述基本预应力和各所述支撑斜杆的所述风荷载附加预应力，计算得到各所述支撑斜杆的所述目标预应力，计算所述目标预应力的函数表达式为：

24、

25、式中，表示第个支撑斜杆的目标预应力，表示基本预应力，表示第个支撑斜杆的风荷载附加预应力。

26、可选地，所述根据各所述支撑斜杆的所述轴向力获取作用于桩身的基本预应力，包括：

27、根据各所述支撑斜杆的所述轴向力确定出最大的所述轴向力；

28、根据确定出最大的所述轴向力，结合预设的安全系数，计算得到作用于桩身的所述基本预应力，计算所述基本预应力的函数表达式为：

29、

30、式中，表示安全系数，表示各支撑斜杆中最大的轴向力。

31、可选地，所述获取所述桩柱一体结构周围实时风速超过所述设计风速时的增量风荷载，结合所述支撑斜杆的数量和各所述第一夹角，计算获取各所述支撑斜杆的风荷载附加预应力，包括：

32、获取施工过程中所述桩柱一体结构周围的实时风速，并获取所述实时风速超过所述设计风速时的风速平方差；

33、根据所述风速平方差，结合所述空气密度、所述桩身迎风面积、所述风压系数、所述桩身体型系数和所述高度变化系数，计算获取所述增量风荷载；

34、根据所述增量风荷载，结合所述支撑斜杆的数量和各所述支撑斜杆与地面间的所述第一夹角，计算得到所述风荷载附加预应力，计算所述风荷载附加预应力的函数表达式为：

35、

36、式中，表示实时风速。

37、可选地，所述分级动态调节各所述支撑斜杆的长度以向所述桩柱一体结构施加预应力，直至所述桩柱一体结构的垂直度满足预设垂直阈值，包括：

38、将各所述支撑斜杆的所述目标预应力均按照应力自小至大的级数划分为多个预应力等级；

39、根据初始所述预应力等级对应的各所述目标预应力，同步调节各所述支撑斜杆的长度；

40、获取各所述支撑斜杆实时的斜杆轴力，直至各所述支撑斜杆当前的所述斜杆轴力与当前所述预应力等级对应的所述目标预应力一致，获取所述桩柱一体结构当前的所述垂直度；

41、若所述桩柱一体结构当前的所述垂直度不满足所述垂直阈值，则根据下一级所述预应力等级对应的各所述目标预应力，同步调节各所述支撑斜杆的长度，直至所述桩柱一体结构当前的所述垂直度满足所述垂直阈值。

42、可选地，所述获取各所述支撑斜杆实时的斜杆轴力，包括：

43、获取各所述支撑斜杆的轴向应变，并获取各所述支撑斜杆的材料弹性模量和横截面积；

44、根据对应的所述轴向应变、所述材料弹性模量和所述横截面积，计算得到各所述支撑斜杆的所述斜杆轴力，计算所述斜杆轴力的函数表达式为：

45、

46、式中，表示第个支撑斜杆的斜杆轴力，表示轴向应变，表示支撑斜杆的材料弹性模量，表示支撑斜杆的横截面积。

47、可选地，所述塔式光热定日镜桩柱一体施工方法还包括获取所述斜杆轴力时，对所述轴向应变进行修正，包括：

48、测量获取各所述支撑斜杆表面的轴向应变值和温度补偿应变值；

49、根据各所述支撑斜杆的所述轴向应变值和所述温度补偿应变值，计算获取各所述支撑斜杆温度修正后的所述轴向应变，温度修正所述轴向应变的函数表达式为：

50、

51、式中，表示温度修正后的轴向应变，表示轴向应变值，表示温度补偿应变值；

52、测量获取各所述支撑斜杆轴向相对两侧处经温度修正后的第一轴向应变值和第二轴向应变值；

53、根据所述第一轴向应变值和所述第二轴向应变值，计算获取各所述支撑斜杆弯曲修正后的所述轴向应变，弯曲修正所述轴向应变的函数表达式为：

54、

55、式中，表示弯曲修正后的轴向应变，表示经温度修正后的第一轴向应变值，表示经温度修正后的第二轴向应变值。

56、本发明还公开了一种支撑装置，应用于上述的塔式光热定日镜桩柱一体施工方法，所述支撑装置包括：

57、抱箍组件，包括第一抱箍件和第二抱箍件，所述第一抱箍件和所述第二抱箍件沿自上至下的方向依次抱箍于所述桩柱一体结构露出地面的桩身上；

58、支撑组件，包括多根支撑斜杆，以及和所述支撑斜杆一一对应的长度调节器和锥形固定端，所述支撑斜杆的顶端与所述第一抱箍件连接，所述长度调节器包括螺纹套筒和螺纹杆，所述螺纹套筒的顶端与所述支撑斜杆的底端固连，所述螺纹杆的底端与所述锥形固定端固连，所述螺纹杆的顶端旋接在所述螺纹套筒内；

59、辅撑加固组件，包括与所述支撑斜杆一一对应的加固杆和锁扣，所述加固杆的一端与所述第二抱箍件连接，所述加固杆的另一端通过对应的所述锁扣与所述支撑斜杆的杆壁连接，且所述加固杆、对应所述支撑斜杆和所述桩柱一体结构形成三角形结构；

60、监测组件，包括数显电子水平仪、数显应力仪和电阻应变片，所述数显电子水平仪通过所述第一抱箍件固设于所述桩柱一体结构露出地面的桩身上，且于桩身的不同高度位置分布多个测点，所述数显应力仪固设于所述桩柱一体结构露出地面的桩身上，所述电阻应变片一一对应地贴设于各所述支撑斜杆的表面，且各所述电阻应变片与所述数显应力仪电连接。

61、可选地，所述第一抱箍件和所述第二抱箍件均包括两个半圆形的抱箍、连接两个所述抱箍的螺栓，所述抱箍的内壁固设有与所述桩柱一体结构外壁接触的防滑橡胶垫。

62、与现有技术相比，本发明实施例提供的一种塔式光热定日镜桩柱一体施工方法及支撑装置有益效果在于：

63、通过桩孔钻进过程中同步注入固化剂并经搅拌形成固化护壁层，使松散地层的孔壁获得连续稳定的固化结构，解决了常规泥浆护壁难以形成稳定泥膜而导致的塌孔、扩径问题，抑制了地层颗粒流动，实现了孔底沉渣控制，提高了成孔质量。已灌注混凝土的桩孔上方安装定位盖板，使桩柱一体结构穿过定位盖板插入混凝土，确保了桩柱对中精度，桩身周围安装多根长度可调节的支撑斜杆，为初凝前的桩柱提供了外部约束，有效抵抗了强风荷载和施工扰动。获取风荷载侧向力、各支撑斜杆与地面间的第一夹角以及各支撑斜杆与风向间的第二夹角并据此计算各支撑斜杆的目标预应力，实现了预应力取值的定量化，根据目标预应力和获取的垂直度，分级动态调节各支撑斜杆的长度以施加预应力，使桩柱始终保持受控姿态，直至垂直度满足预设垂直阈值，保证了定日镜驱动机构的安装精度。