全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒的制作方法

1.本实用新型涉及钢混结构风电塔筒，特别涉及一种全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒。


背景技术：

2.风力发电作为一种清洁能源技术，在我国风资源较好的“三北”区域得到了广泛的应用。随着“三北”区域开发日趋饱和，风力发电正向内陆区域发展。由于内陆区域风速较低，同时风力发电机组的功率日益增大，使得风轮直径越来越大，塔筒高度也越来越高，目前国内陆上风力发电机组的塔筒高度已经达到120~160米。
3.随着塔筒增高，传统的钢塔筒刚度较低，塔筒易产生共振从而导致破坏。目前，钢混（钢
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混凝土）结构的风电塔筒已得到深入研究和广泛应用，该风电塔筒的筒体下部采用混凝土塔筒，筒体上部采用钢塔筒，混凝土塔筒和钢塔筒的高度比例由风电塔筒的频率和经济性确定，钢混结构能有效地提高塔筒刚度，并确保避免塔筒产生共振的问题。混凝土塔筒一般采用分节、分片预制并在现场进行拼装及吊装，即塔筒沿高度方向分为若干筒节，筒节沿周向分成若干环片，在工厂预制好后运输至现场，在专用拼装平台上进行拼装，拼装完成后整节吊装，吊装完成后再对整个混凝土塔筒部分施加预应力，使其形成一个整体。
4.对混凝土塔筒施加的预应力大小通常以混凝土塔筒不出现拉应力为计算准则。由于混凝土塔筒在底部弯矩最大，顶部弯矩最小，虽然底部轴力比顶部轴力大，但按照上述计算准则，一般混凝土塔筒底部需要施加的预应力最大，混凝土塔筒顶部需要施加的预应力最小，而目前的混凝土塔筒一般都是采用从混凝土塔筒底部至顶部配置相同根数的预应力钢绞线，待混凝土塔筒吊装完成后进行一次张拉，由此混凝土塔筒从底部至顶部所施加的预应力是相同的，而且是以混凝土塔筒底部所需的预应力大小为基准。这种方法在混凝土塔筒不高时是可行且比较经济的，但是当混凝土塔筒高度达到较高数值时，例如轮毂高度为140m风力发电机组塔筒中混凝土塔筒高度则达到90米左右，采取上述这种方法会引起以下几个方面的问题：
5.1.混凝土塔筒顶部所需预应力小于混凝土塔筒底部所需预应力，但实际上从其顶部到底部均按照混凝土塔筒底部所需预应力来配置预应力钢绞线，会导致预应力钢绞线用量大大增加；
6.2.混凝土塔筒顶部所施加的预应力远远超过其所需的预应力，导致顶部的混凝土强度等级提高或者混凝土环片的厚度增加，不利于节约成本；
7.3.一次张拉是需要等到所有筒节吊装完成后才能进行，导致施工过程中混凝土塔筒在无约束状态下的时间较长，例如90米高混凝土塔筒在施加预应力前，其所受的风荷载均靠其自重来抵抗，由此施工过程中存在的风险较大。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒，通过对
混凝土塔筒采用全部分段张拉的体外预应力体系，既能减少钢绞线用量，又能降低混凝土筒节高段部分的强度等级。
9.本实用新型是这样实现的：
10.一种全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒，包括混凝土基础、混凝土塔筒、钢塔筒和钢绞线，所述混凝土塔筒设置在混凝土基础上，所述钢塔筒设置在混凝土塔筒上；
11.所述混凝土基础在与混凝土塔筒的连接处沿周向均匀设置若干第一孔道；所述混凝土塔筒为中空圆台状且包括沿竖直方向依次连接的多段混凝土筒节，混凝土塔筒的中部某两段相邻的混凝土筒节分别为中间锚固下筒节和中间锚固上筒节，混凝土塔筒的最高段混凝土筒节为顶部混凝土筒节；所述中间锚固下筒节的顶面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第二孔道；所述中间锚固上筒节的底面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第三孔道；所述第二孔道和第三孔道一一对准；所述顶部混凝土筒节的顶面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第四孔道；所述第一孔道数量和第四孔道数量相同，所述第二孔道数量是第一孔道数量的两倍；
12.所述钢绞线包括若干束低段筒节钢绞线和若干束高段筒节钢绞线；所述每束低段筒节钢绞线和每束高段筒节钢绞线均沿圆台母线方向固定设置在混凝土塔筒的内侧；所述低段筒节钢绞线的下端穿过第一孔道并锚固在混凝土基础上，上端穿过第二孔道和第三孔道并锚固在中间锚固上筒节的牛腿上；所述高段筒节钢绞线的下端穿过第三孔道和第二孔道并锚固在中间锚固下筒节的牛腿上，上端穿过第四孔道并锚固在顶部混凝土筒节的牛腿上；所述若干束低段筒节钢绞线和若干束高段筒节钢绞线沿圆周方向顺次交替布置；
13.所述顶部混凝土筒节的顶面设置若干高强预应力锚栓，用于连接钢塔筒的底部。
14.所述混凝土筒节为一体成型。
15.所述混凝土筒节为若干筒片拼装构成，相邻筒片通过螺栓或者混凝土灌浆连接。
16.所述每束低段筒节钢绞线的钢绞线根数大于每束高段筒节钢绞线的钢绞线根数。
17.所述若干高强预应力锚栓沿周向均匀设置。
18.所述第一孔道的数量为12~20。
19.所述混凝土筒节的高度为3~4.2米，混凝土筒节的直径为4~9米。
20.所述钢塔筒包括沿竖直方向依次连接的多段钢筒节，相邻钢筒节通过高强螺栓固接。
21.所述钢筒节的高度为20~30米，钢筒节的直径为3~5米。
22.本实用新型全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒，首先，利用混凝土塔筒的多段筒节结构实现了全部分段张拉的体外预应力体系，通过在混凝土塔筒所需预应力较大的低段部分配置较多数量的预应力钢绞线，并在混凝土塔筒所需预应力较小的高段部分配置较少数量的预应力钢绞线，能减少钢绞线的用量，有利于节约成本。
23.其次，在混凝土塔筒的高段部分由于施加的预应力减少，使得处于高段部分的混凝土筒节的强度等级要求降低，能减小筒节壁厚，亦有利于节约成本。
24.再者，通过混凝土塔筒的分段张拉，即在中间锚固下筒节和中间锚固上筒节完成吊装后进行第一次预应力的张拉锚固，使得施工过程中未约束状态的混凝土筒节的高度减小，而且未约束状态的时间也相应减少，显著降低了施工过程中的风险。
25.本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：能减少预应力钢绞线的用量，能
降低混凝土塔筒部分筒节的强度等级要求，均有助于节约成本，并且采用两次预应力张拉锚固，能有效减少了施工过程中存在的风险。
附图说明
26.图1为本实用新型全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒的结构示意图；
27.图2为本实用新型的混凝土塔筒的结构示意图；
28.图3为本实用新型的钢绞线的位置示意图。
29.图中，1混凝土基础，2混凝土塔筒，20混凝土筒节，21中间锚固下筒节，22中间锚固上筒节，23顶部混凝土筒节，24高强预应力锚栓，3钢塔筒，41低段筒节钢绞线，42高段筒节钢绞线，43第三孔道，44第四孔道。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
31.参见图1，一种全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒，包括混凝土基础1、混凝土塔筒2、钢塔筒3和钢绞线，混凝土塔筒2设置在混凝土基础1上，钢塔筒3设置在混凝土塔筒2上。混凝土基础1为中空结构。混凝土塔筒2为上小下大的中空圆台状，混凝土塔筒2包括沿竖直方向依次连接的多段混凝土筒节20，每段混凝土筒节20的上下表面均为平面。优选地，混凝土筒节20为一体成型的整环形结构，或者混凝土筒节20包括若干筒片，若干筒片拼装组成中空圆台形状，且相邻筒片通过螺栓或者混凝土灌浆连接，筒片数量可为2~4。钢塔筒3包括沿竖直方向依次连接的多段钢筒节，相邻钢筒节通过高强螺栓固接。优选地，混凝土筒节20的高度为3~4.2米，混凝土筒节20的直径为4~9米，钢筒节的高度为20~30米，钢筒节的直径为3~5米。
32.混凝土基础1在与混凝土塔筒2的连接处沿周向均匀设置若干第一孔道，第一孔道的数量优选为12~20。参见图2和图3，混凝土塔筒2的中部某两段相邻的混凝土筒节分别为中间锚固下筒节21和中间锚固上筒节22，混凝土塔筒2的最高段混凝土筒节为顶部混凝土筒节23。中间锚固下筒节21的顶面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第二孔道。中间锚固上筒节22的底面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第三孔道43。第二孔道和第三孔道43一一对准。顶部混凝土筒节23的顶面设置牛腿，牛腿上沿周向均匀设置若干第四孔道44。第一孔道数量和第四孔道44数量相同，第二孔道数量是第一孔道数量的两倍。第一孔道、第二孔道、第三孔道、第四孔道均用于锚固施加预应力的钢绞线，施工人员可进入混凝土基础1内部进行穿索、张拉及锚固工作。
33.钢绞线包括若干束低段筒节钢绞线41和若干束高段筒节钢绞线42，每束低段筒节钢绞线41和每束高段筒节钢绞线42均沿圆台母线方向固定设置在混凝土塔筒2的内侧。具体地，低段筒节钢绞线41的下端穿过第一孔道并锚固在混凝土基础1上，低段筒节钢绞线41的上端穿过第二孔道和第三孔道43并锚固在中间锚固上筒节22的牛腿上。高段筒节钢绞线42的下端穿过第三孔道43和第二孔道并锚固在中间锚固下筒节21的牛腿上，高段筒节钢绞线42的上端穿过第四孔道44并锚固在顶部混凝土筒节23的牛腿上。若干束低段筒节钢绞线41和若干束高段筒节钢绞线42沿圆周方向顺次交替布置。优选地，每束低段筒节钢绞线41的钢绞线根数大于每束高段筒节钢绞线42的钢绞线根数。由此，在混凝土塔筒实现了全部
分段张拉的体外预应力体系，通过在混凝土塔筒所需预应力较大的低段部分配置较多数量的预应力钢绞线，并在混凝土塔筒所需预应力较小的高段部分配置较少数量的预应力钢绞线，从而可减少钢绞线的用量。
34.参见图3，顶部混凝土筒节23的顶面设置若干高强预应力锚栓24，用于连接钢塔筒3的底部。若干高强预应力锚栓24沿周向均匀设置。
35.本实施例中，混凝土塔筒的底部直径为8米，混凝土塔筒的顶部直径为4.5米，混凝土塔筒的高度为32米。混凝土塔筒包括8段混凝土筒节，即每段混凝土筒节高度为4.0米。每段混凝土筒节为一个整环形结构。混凝土塔筒在16米标高处，即从下往上计数，第4个混凝土筒节为中间锚固下筒节，第5个混凝土筒节为中间锚固上筒节。混凝土基础上设置16个第一孔道。中间锚固下筒节的顶面向轴心设置一圈牛腿，牛腿上沿周向均匀设置32个第二孔道。中间锚固上筒节的底面向轴心设置一圈牛腿，牛腿上沿周向均匀设置32个第三孔道。顶部混凝土筒节的顶面向轴心设置一圈牛腿，牛腿上沿周向均匀设置16个第四孔道。第二孔道和第三孔道一一对准形成32个钢绞线通道，其中，16个沿周向均匀分布的钢绞线通道用于锚固低段筒节钢绞线，这16个钢绞线通道与混凝土基础上的16个第一孔道的方位一致，剩下的16个周向均匀分布的钢绞线通道用于锚固高段筒节钢绞线，这剩下的16个铜绞线通道与顶部混凝土筒节上的16个第四孔道的方位一致，由此实现低段筒节钢绞线和高段筒节钢绞线沿圆台母线方向顺次交替布置并位于混凝土塔筒的内侧。低段筒节钢绞线共有16束，每束低段筒节钢绞线包括20根钢绞线，高段筒节钢绞线共有16束，每束高段筒节钢绞线包括12根钢绞线。
36.本实用新型全部分段张拉预应力钢混结构风电塔筒在混凝土塔筒实现了全部分段张拉体外预应力，使得混凝土塔筒的低段部分和高段部分能根据需要施加不同的预应力，不仅能减少钢绞线用量，而且能降低混凝土塔筒强度等级，有益于节约成本，同时亦大大减少了施工风险。
37.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，因此，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。