一种钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构及施工方法与流程

1.本发明涉及高耸钢结构技术桁架式风电塔领域，具体涉及一种钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构及施工方法。


背景技术：

2.风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，是没有公害的能源之一，且它取之不尽，用之不竭。风能利用主要以风力发电为主，即通过风力机捕获风能并将其转换成电能后并网传输供电力需求用户使用。
3.随着风塔轮毂高度的不断上升，传统单管钢塔结构形式面临挑战，出现了桁架式风塔结构方案。风力发电塔在风荷载和机械运行作用下疲劳效应显著，在结构生命周期内节点将承受千万次往复疲劳荷载，不宜设置多级腹杆增加节点数量，因此很多情况下斜杆跨度较大、长细比较高、受压稳定折减较多。此外，疲劳效应对连接节点的抗疲劳性能也提出了相应的要求。
4.桁架式风塔斜杆需要解决受压稳定及抗疲劳问题，使斜杆材料强度得以充分发挥，提高材料利用率，降低材料用量。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构及施工方法。大跨度预应力斜腹杆始终受拉，不存在受压稳定的问题，且强度较高，用钢量省；钢绞线两端分别采用挤压式锚具与夹片式锚具，相比于螺栓，抗疲劳优；采用液压千斤顶、工具式顶梁、张拉夹片式锚具施工，施工方便、维护简单。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.本发明第一方面提供一种钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构，包括塔柱、横杆、弧形法兰板、斜钢绞线对和张拉牛腿；
8.所述的横杆通过弧形法兰板连接于塔柱上；
9.所述的斜钢绞线对用于形成预应力柔性斜腹杆，斜钢绞线对的下端为锁固端，锁固于弧形法兰板的上部，锚固点采用锁固端挤压式锚具；斜钢绞线对的上端为张拉端，穿过弧形法兰板的下部，且张拉端与弧形法兰板下部的锚固点采用调节端夹片式锚具，所述的调节端夹片式锚具通过螺纹连接有防松螺纹帽；
10.所述的张拉牛腿与塔柱固定连接，并设置于斜钢绞线对上端的延伸线上，用于为斜钢绞线对的张拉提供作业平台。
11.优选地，所述的斜钢绞线对由两根并列的钢绞线构成，并列的钢绞线所在的平面与塔柱和横杆所在的平面垂直。进一步优选斜钢绞线对的两根钢绞线夹着塔柱。两根钢绞线分别产生的塔面外偏心扭矩相互平衡。
12.优选地，横杆上下两侧的斜钢绞线对分别为上斜钢绞线对和下斜钢绞线对，上斜钢绞线对的下端和下斜钢绞线对的上端连接于同一个弧形法兰板上。
13.优选地，所述的锁固端挤压式锚具采用市售的挤压式锚具，锁固端挤压式锚具连接于钢绞线下端穿过弧形法兰板的部分上。
14.优选地，所述调节端夹片式锚具采用市售的夹片式锚具，调节端夹片式锚具穿设于钢绞线的上端穿过弧形法兰板的部分上，且调节端夹片式锚具的锚环与防松螺纹帽通过螺纹连接，张拉完成后防松螺纹帽顶紧调节端夹片式锚具的夹片，用于防止夹片在循环动力荷载下松脱。
15.优选地，通过工具式顶梁、张拉夹片式锚具和液压千斤顶配合张拉牛腿实现斜钢绞线对的张拉，
16.斜钢绞线对张拉时，在张拉牛腿上沿斜钢绞线对上端的延伸方向依次设置液压千斤顶、工具式顶梁和张拉夹片式锚具，斜钢绞线对的上端穿过工具式顶梁和张拉夹片式锚具，利用液压千斤顶抬升工具式顶梁实现斜钢绞线对的张拉，
17.斜钢绞线对张拉完成前防松螺纹帽与调节端夹片式锚具的夹片处于松懈状态，张拉完成后防松螺纹帽顶紧调节端夹片式锚具的夹片。
18.张拉时，工具式顶梁与张拉夹片式锚具协同工作，液压千斤顶工作时，工具式顶梁抬升，张拉夹片式锚具锁紧。液压千斤顶卸载时，工具式顶梁失去抬升力，张拉夹片式锚具松脱，便于张拉阶段液压千斤顶因行程受限循环倒顶。经液压千斤顶若干次倒顶，钢绞线预应力达到设计值，张拉结束，液压千斤顶卸载，张拉夹片式锚具松脱，拆除工具式顶梁，并拧紧防松螺纹帽，防松螺纹帽顶板顶紧锚具夹片，防止夹片在循环动力荷载下松脱。
19.张拉前防松螺纹帽顶板与夹片顶部应留出间隙，液压千斤顶运行时夹片松脱，钢绞线能够斜向上移动，液压千斤顶卸载时钢绞线带动夹片进入锚环锲形孔，夹片锁死钢绞线。
20.优选地，所述的张拉牛腿由焊接于塔柱上的两个张拉牛腿侧板和通过焊接架设于两个张拉牛腿侧板上的张拉牛腿顶板组成。
21.优选地，所述的张拉牛腿侧板上设有用于连接紧绳器的孔。
22.优选地，所述的横杆通过法兰板与弧形法兰板的中间处连接；横杆与法兰板之间以及塔柱与弧形法兰板之间均通过焊接连接，法兰板与弧形法兰板之间通过螺栓连接。
23.本发明第二方面提供一种所述的钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构的施工方法，包括以下步骤：
24.s1：安装塔柱和横杆，使横杆通过弧形法兰板连接在塔柱上；
25.s2：将斜钢绞线对的下端通过锁固端挤压式锚具锁固于弧形法兰板的上部；斜钢绞线对的上端从弧形法兰板的下部穿过；
26.s3：将穿过弧形法兰板下部的斜钢绞线对穿入调节端夹片式锚具的锚环和防松螺纹帽，塞入夹片，调节防松螺纹帽，使其与夹片处于松懈状态，
27.s4：将斜钢绞线对的上端继续穿过张拉牛腿，在张拉牛腿上沿斜钢绞线对上端的延伸方向依次设置液压千斤顶、工具式顶梁和张拉夹片式锚具，斜钢绞线对的上端穿过工具式顶梁和张拉夹片式锚具；
28.s5：利用液压千斤顶抬升工具式顶梁实现塔节各面斜钢绞线对的依次张拉，根据设计预拉力分多轮张拉，相邻两轮张拉操作之间校正塔节垂直度；
29.s6：当斜钢绞线对预应力达到设计值，张拉完成，拧紧防松螺纹帽，使防松螺纹帽
顶紧调节端夹片式锚具的夹片；
30.s7：卸载液压千斤顶，松脱张拉夹片式锚具，拆除工具式顶梁，再次拧紧防松螺纹帽。
31.优选地，步骤s4中，利用紧绳器将斜钢绞线对的上端依次穿过弧形法兰板、调节端夹片式锚具、防松螺纹帽和张拉牛腿，紧绳器的一端连接在张拉牛腿上，另一端通过钢丝绳夹与斜钢绞线对连接；
32.优选地，步骤s5中，根据设计预拉力分三轮张拉，第一轮张拉的拉力为设计预拉力的20％，第二轮张拉的拉力为设计预拉力的40％，第三轮张拉的拉力为设计预拉力的40％。
33.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
34.(1)本发明用预应力钢绞线代替斜腹杆，计算长度不受限制，迎风体积也大幅减小，可节约大量钢材；
35.(2)本发明所采用的预应力钢绞线强度高于结构钢，可减小材料用量；
36.(3)本发明钢绞线两端分别采用锁固端挤压式锚具与夹片式锚具，锚固技术成熟、受力可靠，抗疲劳性能大大优于螺栓连接；
37.(4)本发明斜腹杆若发生应力松弛，可进行复张拉，便于维护；
38.(5)本发明工具式辅助设备简单、便利，可循环使用；
39.(6)本发明可用于桁架式风力发电塔，多向预应力综合作用可提高桁架式风力发电塔的抗疲劳性能；
40.(7)本发明还可用于大型输电线路塔、电视塔等，结构尺度越大，节材效率越高。
附图说明
41.图1为本发明钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构的装配示意图；
42.图2为本发明钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构装配后的示意图；
43.图3为本发明钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构的爆炸结构示意图；
44.图4为本发明中调节端夹片式锚具张拉阶段的剖面示意图(防松螺纹帽未拧紧)；
45.图5为本发明中调节端夹片式锚具张拉完毕后的剖面示意图(防松螺纹帽顶紧夹片)。
46.图中：1为塔柱，2为横杆，3为斜钢绞线对，31为上斜钢绞线，32为下斜钢绞线，4为钢绞线，5为弧形法兰板，6为法兰板，7为螺栓，8为锁固端挤压式锚具，9为调节端夹片式锚具，10为防松螺纹帽，11为张拉牛腿侧板，12为张拉牛腿顶板，13为工具式顶梁，14为张拉夹片式锚具，15为液压千斤顶。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
48.实施例1
49.一种钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构，如图1～3所示，包括塔柱1、横杆2、弧形法兰板5、斜钢绞线对3和张拉牛腿；横杆2通过弧形法兰板5连接于塔柱1上；斜钢绞线对3用于形成预应力柔性斜腹杆，斜钢绞线对3的下端为锁固端，锁固于弧形法兰板5的上部，锚固点采用锁固端挤压式锚具8；斜钢绞线对3的上端为张拉端，穿过弧形法兰板5的下
部，且张拉端与弧形法兰板5下部的锚固点采用调节端夹片式锚具9，调节端夹片式锚具9通过螺纹连接有防松螺纹帽10；张拉牛腿与塔柱1固定连接，并设置于斜钢绞线对3上端的延伸线上，用于为斜钢绞线对3的张拉提供作业平台。
50.本实施例采用预应力钢绞线代替现有技术中的斜腹杆，计算长度不受限制，迎风体积也大幅减小，可节约大量钢材。预应力钢绞线强度高于结构钢，可减小材料用量。钢绞线两端分别采用锁固端挤压式锚具8与调节端夹片式锚具9，锚固技术成熟、受力可靠，抗疲劳性能大大优于螺栓连接；(预应力柔性)斜腹杆若发生应力松弛，可进行复张拉，便于维护。
51.如图1～3(展示了一个连接节点)所示，本实施例中，优选弧形法兰版5竖向设置于塔柱1上，横杆2通过法兰板6与弧形法兰板5的中间处连接；横杆2与法兰板6之间以及塔柱1与弧形法兰板5之间均通过焊接连接，法兰板6与弧形法兰板5之间通过螺栓7连接。弧形法兰版5的上部和下部设有供斜钢绞线对3穿过的通孔。优选张拉牛腿由焊接于塔柱1上的两个张拉牛腿侧板11和通过焊接架设于两个张拉牛腿侧板11上的张拉牛腿顶板12组成。
52.本实施例中，优选斜钢绞线对3由两根并列的钢绞线4构成，并列的钢绞线4所在的平面与塔柱1和横杆2所在的平面垂直。进一步优选斜钢绞线对3的两根钢绞线4夹着塔柱1。两根钢绞线4分别产生的塔面外偏心扭矩相互平衡。如图1～3所示，横杆2上下两侧的斜钢绞线对3分别为上斜钢绞线对31和下斜钢绞线对32，上斜钢绞线对31的下端和下斜钢绞线对32的上端连接于同一个弧形法兰板5上，形成一个连接节点。
53.本实施例中的锁固端挤压式锚具8优选采用市售的挤压式锚具，锁固端挤压式锚具8连接于钢绞线4下端穿过弧形法兰板5的部分上。如图4和图5所示，优选调节端夹片式锚具9采用市售的夹片式锚具，调节端夹片式锚具9穿设于钢绞线4的上端穿过弧形法兰板5的部分上，且调节端夹片式锚具9的锚环与防松螺纹帽10通过螺纹连接，张拉完成后防松螺纹帽10顶紧调节端夹片式锚具9的夹片，用于防止夹片在循环动力荷载下松脱。
54.本实施例中，优选通过工具式顶梁13、张拉夹片式锚具14和液压千斤顶15配合张拉牛腿实现斜钢绞线对3的张拉，斜钢绞线对3张拉时，在张拉牛腿上沿斜钢绞线对3上端的延伸方向依次设置液压千斤顶15、工具式顶梁13和张拉夹片式锚具14，斜钢绞线对3的上端穿过工具式顶梁13和张拉夹片式锚具14，利用液压千斤顶15抬升工具式顶梁13实现斜钢绞线对3的张拉，斜钢绞线对3张拉完成前防松螺纹帽10与调节端夹片式锚具9的夹片处于松懈状态，张拉完成后防松螺纹帽10顶紧调节端夹片式锚具9的夹片。工具式辅助设备简单、便利，可循环使用。
55.张拉时，工具式顶梁13与张拉夹片式锚具14协同工作，液压千斤顶15工作时，工具式顶梁13抬升，张拉夹片式锚具14锁紧。液压千斤顶15卸载时，工具式顶梁13失去抬升力，张拉夹片式锚具14松脱，便于张拉阶段液压千斤顶15因行程受限循环倒顶。经液压千斤顶15若干次倒顶，钢绞线4预应力达到设计值，张拉结束，液压千斤顶15卸载，张拉夹片式锚具14松脱，拆除工具式顶梁13，并拧紧防松螺纹帽10，防松螺纹帽10顶板顶紧锚具夹片，防止夹片在循环动力荷载下松脱。
56.张拉前防松螺纹帽10顶板与夹片顶部应留出间隙，液压千斤顶15运行时夹片松脱，钢绞线4能够斜向上移动，液压千斤顶15卸载时钢绞线4带动夹片进入锚环锲形孔，夹片锁死钢绞线4。
57.本实施例可用于桁架式风力发电塔，多向预应力综合作用可提高桁架式风力发电塔的抗疲劳性能；还可用于大型输电线路塔、电视塔等，结构尺度越大，节材效率越高。
58.上述钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构的施工方法，包括以下步骤：
59.s1：安装塔柱1和横杆2，使横杆2通过弧形法兰板5连接在塔柱1上；
60.s2：将斜钢绞线对3的下端通过锁固端挤压式锚具8锁固于弧形法兰板5的上部；斜钢绞线对3的上端从弧形法兰板5的下部穿过；
61.s3：将穿过弧形法兰板5下部的斜钢绞线对3穿入调节端夹片式锚具9的锚环和防松螺纹帽10，塞入夹片，调节防松螺纹帽10，使其与夹片处于松懈状态，
62.s4：将斜钢绞线对3的上端继续穿过张拉牛腿，在张拉牛腿上沿斜钢绞线对3上端的延伸方向依次设置液压千斤顶15、工具式顶梁13和张拉夹片式锚具14，斜钢绞线对3的上端穿过工具式顶梁13和张拉夹片式锚具14；
63.s5：利用液压千斤顶15抬升工具式顶梁13实现塔节各面斜钢绞线对3的依次张拉，根据设计预拉力分多轮张拉，相邻两轮张拉操作之间校正塔节垂直度；
64.s6：当斜钢绞线对3预应力达到设计值，张拉完成，拧紧防松螺纹帽10，使防松螺纹帽10顶紧调节端夹片式锚具9的夹片；
65.s7：卸载液压千斤顶15，松脱张拉夹片式锚具14，拆除工具式顶梁13，再次拧紧防松螺纹帽10。
66.10.根据权利要求9钢管桁架式高风塔预应力柔性斜腹杆结构的施工方法，其特征在于，包括以下条件中的任一项或多项：
67.步骤s4中，利用紧绳器将斜钢绞线对3的上端依次穿过弧形法兰板5、调节端夹片式锚具9、防松螺纹帽10和张拉牛腿，紧绳器的一端连接在张拉牛腿上，另一端通过钢丝绳夹与斜钢绞线对3连接。
68.步骤s5中，根据设计预拉力分三轮张拉，第一轮张拉的拉力为设计预拉力的20％，第二轮张拉的拉力为设计预拉力的40％，第三轮张拉的拉力为设计预拉力的40％。
69.更具体地，施工方法具体采用以下方法：
70.1)安装塔柱1与横杆2，使塔面内形成框架。
71.2)将斜杆钢绞线对3的钢绞线4的下端用锁固端挤压式锚具8锁固，斜杆钢绞线对3的钢绞线4的上端从弧形法兰板5孔中穿过。
72.3)将穿过弧形法兰板5孔的钢绞线4穿入调节端夹片式锚具9的锚环、防松螺纹帽10，塞入夹片，调节防松螺纹帽(但不拧紧)；用钢丝绳夹夹住钢绞线4，连接紧绳器，紧绳器另一端连接于张拉牛腿侧板11孔上；紧绳器作用，将钢绞线4上端穿出张拉牛腿顶板11的孔，钢绞线4绷紧后考虑液压千斤顶15、工具式顶梁13、张拉夹片锚具14组装空间，左右两根钢绞线4同样固定于工具式顶梁13。
73.4)靠近左右两根钢绞线4装两个液压千斤顶14，4面8根钢绞线依次固定(对于常规的四面塔结构)。
74.5)两个液压千斤顶15同步加压，张拉钢绞线4拉力到设计预拉力的20％。
75.6)对另6根钢绞线4依次对称操作。
76.7)校正塔节垂直度。
77.8)对称，依次加40％设计预拉力。
78.9)校正塔节垂直度(若下一步液压千斤顶行程不足则先进行倒顶)。
79.10)对称，依次加40％设计预拉力。
80.11)松开防松螺纹帽10，调节调节端夹片式锚具9的夹片，拧紧防松螺纹帽10。
81.12)松开液压千斤顶15，拆卸张拉夹片式锚具14、工具式顶梁13，再次拧紧防松螺纹帽10，完成。
82.本实施例的大跨度预应力斜腹杆始终受拉，不存在受压稳定的问题，且强度较高，用钢量省；钢绞线两端分别采用挤压式锚具与夹片式锚具，相比于螺栓，抗疲劳优；采用液压千斤顶、工具式顶梁、张拉夹片式锚具施工，施工方便、维护简单。
83.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。