预应力装配式UHPC-钢混合导管架结构及施工方法

本发明涉及海上风电基础，尤其涉及一种预应力装配式uhpc-钢混合导管架结构及施工方法。

背景技术：

1、海上风电机组的基础结构是保证机组安全稳定运行的关键。在众多基础形式中，导管架基础因其整体刚度大、适用水深范围广、对海床地质条件适应性强等优点，被广泛应用于单机容量较大、水深较深的近海及深远海风电场。

2、典型的导管架基础是一种空间桁架式结构，通常由主立柱（腿柱）、斜撑、水平撑杆和连接上述构件的管节点共同构成。传统导管架基础普遍采用全钢结构，即主立柱、斜撑及节点均由高强度钢管卷制、焊接装配而成。然而，随着海上风电机组单机容量持续增大，塔筒更高、叶轮直径更大，对基础结构的承载力、刚度和疲劳寿命提出了更为严苛的要求，传统全钢导管架的技术经济性矛盾日益突出：

3、（1）为满足承载需求，导管架主立柱的管径与壁厚设计不得不显著增大，导致结构用钢量急剧攀升，基础造价高昂，其成本可占项目总造价的20%以上；

4、（2）大量厚壁钢管的组装需要依赖大规模的现场焊接作业，施工难度大、效率低；

5、（3）在几何构型复杂、应力高度集中的管节点处焊缝密集，极易成为疲劳裂纹萌生与扩展的起点，导致结构整体疲劳性能不佳；

6、（4）海洋环境具有高盐雾、干湿交替、生物附着等强腐蚀特性，钢结构自身耐腐蚀性差，必须依赖昂贵的防腐涂装体系或牺牲阳极保护，这大幅提升了后期运维与防腐养护成本。

7、因此，开发一种承载-抗疲劳-耐久性协同优化、且施工便捷高效的新型导管架结构，已成为本领域亟待突破的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种预应力装配式uhpc-钢混合导管架结构及施工方法，旨在解决传统全钢导管架用钢量大、焊接作业多、疲劳与耐腐蚀性能差的技术问题，从而降低制造与运维成本，提升结构耐久性与安全裕度。

2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

3、一种预应力装配式uhpc-钢混合导管架结构，包括：

4、至少三根主腿，所述主腿由多节uhpc管段与若干个连接节点通过预应力拼接而成；

5、多层x形支撑，设置于相邻两根所述主腿之间，所述x形支撑包括十字交叉节点以及由所述十字交叉节点分别向四个方向辐射延伸的四根支撑管，每根所述支撑管连接至相邻所述主腿上的对应连接节点上；

6、所述支撑管为采用多节uhpc管段通过预应力拼接并自锚固形成的一体式中空长管结构，所述支撑管的两端分别与所述连接节点以及所述十字交叉节点灌浆锚固。

7、作为一种优选的改进，所述连接节点包括设置于所述主腿两端的端部节点和设置于所述主腿中间位置的中间节点；

8、所述端部节点为横向k节点，包括第一弦管和固定于所述第一弦管外壁并相对其倾斜设置的两个第一腹管，两个所述第一腹管横向间隔；

9、所述中间节点为竖向kk节点，包括第二弦管和固定于所述第二弦管外壁两组第二腹管对，每组所述第二腹管对均包括两个相对于所述第二弦管倾斜设置的第二腹管，两个所述第二腹管竖向间隔。

10、作为一种优选的改进，所述主腿由多节uhpc管段与若干个连接节点通过第一预应力筋拼接而成，所述端部节点包括顶端节点和底端节点，所述第一预应力筋的两端分别与所述顶端节点及底端节点的第一弦管锚固。

11、作为一种优选的改进，所述主腿的数量为四根，任意相邻两个所述主腿之间均设置有多层所述x形支撑，位于同一高度不同主腿之间的四个所述x形支撑与所述主腿配合形成空间桁架式结构单元。

12、作为一种优选的改进，所述第二弦管内设置有加固组件，所述加固组件包括第一弧形板、第一pbl板、第一箍筋以及第一uhpc加固层，所述第一弧形板与所述第二弦管间隔设置并在周向上完全覆盖所述第二腹管与所述第二弦管的连接区域；所述第一pbl板连接在所述第一弧形板和所述第二弦管之间，多个所述第一pbl板沿所述第一弧形板的环向等距间隔分布；所述第一箍筋为环形闭合钢筋，设置于所述第一弧形板和所述第二弦管之间，并与二者保持间隔，多个所述第一箍筋沿所述第二弦管的轴线等距间隔布置；所述第一pbl板上沿长度方向间隔开设有多个供所述第一箍筋穿过的第一贯通圆孔，所述第一箍筋水平穿过所有第一pbl板的第一贯通圆孔；所述第一uhpc加固层贴合于所述第二弦管的内壁设置，所述第一弧形板贴设于所述第一uhpc加固层的内表面，所述第一弧形板、第一pbl板以及第一箍筋均与所述第一uhpc加固层锚固。

13、作为一种优选的改进，所述加固组件与所述第二弦管一体预制成型。

14、作为一种优选的改进，所述十字交叉节点包括四个端部汇交形成一体的管件，所述支撑管一端与所述第一腹管或第二腹管连接，另一端与所述管件连接。

15、作为一种优选的改进，所述第一腹管、第二腹管以及所述管件均包括管主体、设置于所述管主体内壁的第二pbl板以及安装在所述第二pbl板上的第二箍筋，所述第二pbl板垂直焊接在所述管主体的内壁上，多个所述第二pbl板沿所述管主体的周向呈环形阵列分布；所述第二箍筋为环形闭合钢筋，与所述管主体保持径向间隔，多个所述第二箍筋沿所述管主体的轴线等距间隔布置；所述第二pbl板上沿长度方向间隔开设有多个供所述第二箍筋穿过的第二贯通圆孔，所述第二箍筋水平穿过所有第二pbl板的第二贯通圆孔；所述管主体抵接所述第二pbl板远离所述管主体的一侧，与所述管主体间隔形成灌浆空间，通过在所述灌浆空间内灌注uhpc浆体，硬化后形成uhpc连接层，将所述支撑管、第二pbl板、第二箍筋以及所述管主体连接形成一体，所述第二pbl板、第二箍筋对应锚固在所述uhpc连接层内。

16、作为一种优选的改进，所述第二pbl板的宽度等于所述管主体的内壁半径与所述支撑管的外壁半径之差。

17、一种如上述的预应力装配式uhpc-钢混合导管架结构的施工方法，包括以下步骤：

18、步骤s1，预制uhpc管段、连接节点、十字交叉节点和支撑管；

19、步骤s2，按照导管架结构的设计高度，将uhpc管段与连接节点通过预应力筋连接的方式进行拼接形成主腿；

20、步骤s3，定位十字交叉节点，将支撑管两端分别与十字交叉节点和连接节点连接，并将连接位置灌浆固定，形成多层x形支撑，得到uhpc-钢混合导管架结构；

21、步骤s4，将uhpc-钢混合导管架结构的底部与钢管桩固定连接，并在顶部固定承载平台，完成施工。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、（1）主腿和支撑管均采用预制uhpc管段在现场通过预应力拼接而成，大量构件在工厂完成预制，施工现场仅需进行少量的灌浆连接和节点装配作业，大幅减少了传统全钢导管架所必需的大规模现场焊接作业，有效保证了施工质量并节约了施工成本；

24、（2）kk节点采用pbl与弧形钢板相结合的加固组件，并通过灌注uhpc进行锚固，有效改善了传统管节点处焊缝密集、应力集中的问题。同时，uhpc材料自身具有优异的抗疲劳性能，预应力装配式构造消除了大量焊缝这一疲劳裂纹萌生源，使结构整体的抗疲劳性能得到根本性提升；

25、（3）uhpc材料具有超高致密度和优异的抗氯离子渗透性能，主腿和支撑管均采用uhpc制作，从根本上解决了海洋高盐雾、干湿交替环境下的钢结构腐蚀问题，大幅减少了防腐涂装和牺牲阳极保护的需求，显著降低了全生命周期的运维与养护成本；

26、（4）主腿和支撑管均采用预应力自锚固方式连接，预应力筋提供了稳定的预压应力，使结构在遭遇极端荷载后具有良好的自复位能力，有效控制了结构的残余变形，提升了导管架基础在强风、地震等极端工况下的安全裕度。

27、（5）充分利用uhpc的超高抗压强度，在同等承载需求下大幅减小了构件截面尺寸，降低了结构自重和用钢量，有效控制了基础造价，为海上风电向大型化、深远海方向发展提供了可靠的技术支撑。