具有混凝土底座的设备塔架的制作方法

具有混凝土底座的设备塔架
1.本技术是申请日为2016年8月3日、申请号为201680049495.4(国际申请号为pct/us2016/045223)、发明名称为“具有混凝土底座的设备塔架”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2015年8月31日提交的申请号为62/211,991和62/211,998的美国临时专利申请的权益，这两个临时专利申请全部通过参引并入本文中。
技术领域
4.本发明总体上涉及设备塔架领域，并且更具体地，涉及具有现浇底座的设备塔架。


背景技术：

5.建造用于支承诸如照明设备、天线设备、移动电话设备或风力涡轮机设备或用作烟囱的不同类型的设备的塔架的现有方法根据塔架的材料是钢还是混凝土而改变。用于选择塔架是由钢还是由混凝土建造的决定过程可以取决于塔架的地理位置、区域资源、高度和重量承载要求以及建造塔架的场地的通道。钢制塔架通常通过将钢管部段在中间法兰处螺栓连接在一起来建成。通常，随着塔架高度的增大，塔架在其基部处的直径也增大以适应由较高塔架产生的较大载荷。钢制塔架的高度往往受限于钢管部段的直径，其中，钢管部段可以在不对现有的道路、桥梁或其他通行权限制进行显著修改的情况下被物理运输至建造场地。这些限制通常导致具有达到大约20.0英尺的直径的钢制塔架件。由于这些直径限制，当使用常规强度钢时，整体塔架高度受到限制。通常可以通过增加塔架的高度来提高由安装在塔架上的风力涡轮机产生的能量。因此，当塔架由钢制成时，钢制塔架的运输约束会限制风力涡轮机的生产率。
6.当建造材料可在当地获得时，可以在塔架位置处或塔架位置附近制造混凝土塔架。现浇建造方法可以将混凝土浇注到架设在塔架位置处的模板中。现浇方法的缺点包括降低的建造速度以及对恶劣天气的敏感度。另外，典型的混凝土风塔的形状是渐缩的，这在混凝土浇注过程中造成了复杂性。替代性地，混凝土塔架部段可以在当地制造并被架设以形成塔架。由于混凝土塔架部段不必长距离运输，因此避免了与运输钢制部段有关的运输限制。
7.于2015年11月3日授予lockwood等人的美国专利no.9,175,670b2描述了通过将预制混凝土环形节段堆叠在基础上而形成的后张预制混凝土塔架，其中，节段的直径在塔架的高度上分阶段地变化。此塔架的几何形状简化了用于预制节段的模板。
8.设备塔架是设计成用于承载包括自重载荷、风力载荷、地震载荷和热载荷的特定载荷的高度工程化的结构。通常，特定塔架设计适合于这些载荷的包络，使得一个塔架的设计可以用于具有在该包络内的条件的多个位置。场地特定条件通常被纳入通用的塔架设计中，以避免为每个特定位置设计特定塔架的成本。
附图说明
9.在下面的描述中参照附图来说明本发明，附图示出：
10.图1图示了示例性设备塔架，其示出了塔架的被剖开的下部部段；
11.图2图示了图1的塔架的基础和现浇底座的截面放大图；
12.图3图示了形成在图2的底座内的示例性门开口以及门开口周围的钢加强件的剖视图。
13.图4图示了可以配装在图3的门开口内的示例性门的立体图；以及
14.图5图示了两个相同的设备塔架，这两个相同的设备塔架安装于建造在不同高程的陆地上的具有不同高度的底座上以便为这两个塔架实现相同的设备高程。
具体实施方式
15.本发明的发明人已经认识到与已知的设备塔架设计技术相关联的限制。例如，尽管使用标准塔架设计具有避免特定塔架设计条件的优点，但其具有不能适应较小的塔架特定变化、尤其是不能适应由于当地地面高程变化引起的较小的高度变化的缺点。在典型的设备塔架场、比如风电场中，可能有安装在相对靠近发电公司拥有或租赁的地块上的若干个到很多个风力涡轮机塔架。风力涡轮机设计基于特定场地的风速模型对目标高程进行了优化。通常对风电场的所有塔架使用标准化的塔架设计，以最大限度地降低设计成本和建造复杂性。然而，这种做法并没有考虑整个场地的地面高程变化，并且其导致风电场的各种风力涡轮机的轮毂高度响应于当地地平面高程而直接变化，由此对风电场的运营造成潜在的不利影响。本发明通过结合设置在基础与预制塔架节段之间的现浇基座或底座而在不需要特定塔架设计的情况下对此问题提出了解决方案，其中，底座的高度响应于当地地面高程以为风电场的每个相应的风力涡轮机实现预定轮毂高度。
16.图1图示了示例性设备塔架100的截面，该设备塔架100可以例如是风力涡轮机塔架、手机信号塔架或其上可以支承各种类型的设备的任何其他塔架。根据特定用途，这种设备可以附连在设备塔架100的顶部处或顶部附近或者附连在沿着设备塔架100的长度的期望位置处。塔架100可以包括基础102、底部塔架部分104、中间塔架部分106、顶部塔架部分108和钢制梢端转接器110。每个塔架部分104、106、108均可以分别形成有可以由预制混凝土形成的多个塔架节段105、107、109。每个塔架节段105均可以具有第一恒定直径和第一高度，每个塔架节段107均可以具有第二恒定直径和第二高度，并且每个塔架节段109均可以具有第三恒定直径和第三高度。如图1中所图示的，塔架节段105的第一恒定直径可以大于塔架节段107的第二恒定直径，塔架节段107的第二恒定直径又大于塔架节段109的第三恒定直径，从而形成直径从底部塔架部分104至顶部塔架部分108减小的设备塔架100。在适合的塔架部分104、106、108之间可以定位有过渡节段114和过渡节段116以适应塔架节段105、107、109的直径从设备塔架100的底部至顶部逐渐减小。
17.分别用于每个塔架部分104、106、108中的塔架节段105、107、109的数目可以在各个塔架之间变化，但是通常常规的做法是使用标准数目的塔架节段105、107、109来建造示例性设备塔架100。使用标准数目的节段为每个塔架部分104、106、108形成固定高度，这在建造多个设备塔架100时产生成本效益，但不允许以具成本效益的方式来改变设备塔架100的总高度。
18.继续参照图1，钢制梢端转接器110可以连接至设备塔架100的最顶部混凝土环形塔架节段。钢制梢端转接器110可以用于支承风力涡轮机的机舱(未示出)。
19.塔架节段105、107、109可以是预制混凝土件，每个塔架节段均具有恒定直径和高度。塔架节段105、107、109也可以匹配浇筑在一起以实现相邻部段之间的精确配合。如在上述美国专利no.9,175,670b2中所描述的，这种匹配浇筑的接合件可以包括下述剪力键构型：该剪力键构型用于在横向载荷下将节段接合件上的剪力传递至设备塔架100并且用于辅助在建造期间将各节段彼此对齐。在一些情况下，在将两个节段之间的间隙闭合之前可以将环氧树脂涂覆到节段接合件上。环氧树脂可以在将节段安置在彼此的顶部上时对节段的环形面进行润滑，接着在环氧树脂固化之后密封接合件。此外，根据场地特定参数，可以使用灌浆将塔架节段105、107、109固定在一起。
20.图1还图示了可以包括平台118和子部段126的基础102。从平台118延伸有基座或底座120并且基座或底座120具有限定内部腔室124的内表面。由于子部段126可以是渐缩的并且可以从平台118延伸，所以其位于地平面128下方。在设备塔架100的构造中，渐缩子部段126的基部可以根据场地特定参数呈圆形、正方形、多边形或其他适合的形状。子部段126的顶部部分可以根据场地特定参数要求而被倒圆或者形成有多个连续的平坦表面。基础120可以现场浇筑、然后用泥土回填以覆盖其顶部表面。如将在下文中更详细地描述的，底座120可以从平台118向上延伸至可变尺寸。
21.在本发明的示例性实施方式中，底座120可以在浇筑基础102的同时浇筑，在这种情况下，底座120可以与平台118一体地形成。在替代实施方式中，底座120可以在浇筑平台118和渐缩子部段126之后现场浇筑，其中，底座120可选地被机械联接或机械连接至平台118。在任一种方法中，底座120的现浇尺寸可以根据场地特定参数改变。
22.图2图示了在设置混凝土塔架部段104、106、108之前的图1的基础102和底座120。底座120被图示为现场浇筑并且从平台118延伸。底座120可以形成为环形壁并且例如具有可以根据塔架特定参数而在各个塔架之间变化的一组尺寸。底座120的该组尺寸可以包括内径130、外径132以及可以从平台118的上表面或顶部表面至底座120的上表面或顶表面测得的高度134。底座120的外径132与内径130之差在本文中可以被称为底座120的壁厚122。
23.形成底座120的一组尺寸可以是塔架特定参数的函数，其中，塔架特定参数可以包括但不限于设备塔架100的高度和重量、最底部塔架节段105的内径或外径以及比如具有多个设备塔架100的风电场的场地的地形特征，比如，从一个设备塔架100的安置到另一个设备塔架的安置的不同高程。以此方式，特定塔架的底座设计可以被确定为在不需要重新设计整个塔架100的情况下适应塔架特定变量，比如较小的地面高程变化。
24.针对典型风力涡轮机塔架的本发明的示例性实施方式可以具有的基座120的壁厚122根据场地特定参数中的一个或更多个参数而大约在0.5英尺与3.0英尺之间或大约在1.0英尺与2.0英尺之间。底座120可以形成为壁厚122在其高度134上恒定，在这种情况下，底座120形成具有恒定内径130和外径132的大致环形环。替代实施方式允许通过改变内径130和外径132中的一者或两者而使壁厚在底座120的高度134上变化，在这种情况下，壁厚是渐缩的。例如，内径130可以保持恒定，而外径132从底座120的顶部至其底部增大，使得底座120的外表面从顶部向底部渐缩，这对于额外支撑设备塔架100的重量而言是期望的。替代实施方式允许内径130和外径132根据场地或塔架特定参数进行调整。
25.针对典型的风力涡轮机塔架的本发明的示例性实施方式允许底座120的高度134大约在7.0英尺与20.0英尺之间或者大约在10.0英尺与15.0英尺之间。底座120的其他高度134可以根据本发明的各方面基于场地特定参数来选择，比如确保底座120具有足以容纳形成在其中的门开口的高度134，或者将设备塔架100建造成期望的设备高程，或者考虑到场地地形而将多个设备塔架100建造成一致的期望设备高程。
26.再次参照图2，底座120被示出为其壁厚122形成在平台118的周缘136上，在这种情况下，平台118的整个露出表面位于由底座120的内径130圈定的内部腔室124内。在替代实施方式中，内径130可以朝向平台118的中心沿径向向内移动，同时外径132以成比例或不成比例的距离移动或者外径132不移动。例如，底座120的外径132可以保持靠近平台118的周缘136，同时底座120的内径130沿径向向内移动以改变底座120的壁厚。外径130也可以沿径向向内移动从而将平台118的一部分露出到底座120外。因此，底座120在平台118上的位置以及底座120的壁厚可以根据塔架特定参数通过控制内径130和外径132而独立地改变。
27.与从远程位置形成并运输底座120相比，现场浇筑底座120可以实现显著的成本降低。此外，在平台118的高程方面的塔架特定变化可以包含在用于浇筑底座120的模板中，以实现底座120的最顶部表面138的期望高度，从而确保使用标准化的塔架设计来为每个塔架100实现期望的轮毂高程。尽管本发明的实施方式在浇筑基础120的同时或者紧跟在浇筑基础之后现场浇筑底座120，但应当认识到的是，如果底座120的期望的塔架特定尺寸在可接受的公差范围内获得，则底座120可以在塔架场地附近浇筑然后被移动就位。
28.塔架特定的现浇底座120的另一优点在于较大的门开口可以被结合到底座设计中。门开口设置在设备塔架中以便人员和设备进入塔架的中央容积。这种门开口的尺寸通常受到限制，因为开口会产生削弱塔架的壁的应力集中。对于风力涡轮机塔架而言，门开口的尺寸通常小于定位在塔架的基部内的设备的尺寸。因此，所述设备必须在塔架部段被架设之前定位在平台上，或者所述设备可以在塔架部段中的至少一些塔架部段被架设之后通过起重机被提升并被下降到塔架容积中。无论采用哪种技术，所述设备在塔架架设过程期间都有损坏的风险。
29.本发明的实施方式的优点在于，底座120可以定尺寸成使得门开口可以形成在底座120内，以允许塔架设备在建造设备塔架100之后的任何时间被移入内部腔室124中。参照图3，门开口140被图示为形成在底座120内，底座120具有如图2中所示的由内径130和外径132限定的壁厚122，壁厚122足以支承设备塔架100的载荷，即使在其中形成有门开口140的情况下也足以支承设备塔架100的载荷。以此方式，通过增加壁厚122来适应门开口140产生的应力集中，从而允许门开口140大到足以允许比如用于风力涡轮机的动力单元的设备在建造设备塔架100期间或者在建造设备塔架100之后的任何时间被移入内部腔室124中。
30.在这方面，底座120由现浇混凝土制成并且具有呈现足够强度来分散来自设备塔架100的重量的载荷的一组尺寸。在由钢制成的常规风力涡轮机塔架中，构成塔架的钢壁通常仅几英寸厚。仅几英寸的钢塔架不能容纳较大的门开口。类似地，预制混凝土塔架部段105具有相对有限的厚度并且仅可以容纳相对较小的门开口。然而，底座120的壁由钢筋混凝土形成并且可以被制成期望的厚度以便即使在底座120中限定有相对较大的门开口140的情况下也能支承塔架100的载荷。因此，在建造过程的早期阶段不必通过起重机将设备下降到设备塔架100的内部腔室124中。这允许在安排向建造场地运输设备方面提供更大的灵
活性并且可以从关键路径中移除设备运输。此外，由于设备不必在完成塔架架设之前被移入到塔架中，所以降低了设备损坏的风险。
31.图3还图示了在现场浇筑底座120时可以在现场形成的门框142。门开口140和门框142被示出为基本成形为拱形；然而，在底座120保持足以支承设备塔架100的强度的情况下也可以使用其他形状。例如，在替代实施方式中，门开口140和门框142可以呈大致矩形，或者形成有两个相对的大体竖向的侧部构件、大体水平的顶部构件以及将顶部构件的每个端部与相应的侧部构件的顶部相互连接的倾斜构件。
32.门开口140可以在底座120被浇筑成底座120的高度134高到足以容纳门开口140时现场浇筑，使得人员和/或设备可以进入并离开内部腔室124。针对风力涡轮机塔架的示例性实施方式允许门开口140大约为8.0英尺至20.0英尺高或大约为10.0英尺至15.0英尺高。类似地，门开口140的宽度可以大约在2.0英尺至10.0英尺之间，或者在3.0英尺至7.0英尺之间。这些尺寸显著大于现有技术塔架中的门开口的尺寸，其中，在现有技术塔架中门形成在塔架自身的部段中。例如如图3和图4中所示的底座120的围绕门开口140的壁厚122可以大约在1.0英尺至7.0英尺之间，或者大约在2.0英尺至5.0英尺之间。替代实施方式允许响应于要被移入及移出内部腔室124的设备的尺寸来选择门开口140的高度和宽度。
33.例如，如果期望浇筑具有定尺寸成适应相对较大的设备、比如风力涡轮机功率单元的门开口140的底座120，则底座120的高度、直径和壁厚必须选择成适应门开口140的尺寸且同时保持底座120的支承设备塔架100的重量和接纳具有期望直径的塔架节段105的能力。另外，底座120的高度134可以选择成还确保建成的单个设备塔架100或多个塔架的期望的设备高程在场地特定参数的可接受公差内实现。
34.再次参照图3，门开口140可以在浇筑底座120时由来自浇筑就位的钢筋的加强件支承。例如，钢加强件可以包括门开口140的第一侧146上的第一竖向定向的支柱144和门开口140的第二侧150上的第二竖向定向的支柱148，其中，支柱144、148大致平行。水平定向的横梁152可以靠近第一支柱144和第二支柱148的相应的顶端部并且位于门开口140的上方而与第一支柱144和第二支柱148连接。第一钢桁架154可以将横梁152与第一支柱144连接，并且第二钢桁架156可以将横梁152与第二支柱148连接。图3中所图示的钢加强件在门开口140周围提供附加支承。
35.图4图示了可以借助于门框142附连在门开口140内的示例性塔架入口组件160，门框142可以在浇筑底座120期间固定至门开口140的内表面，或者在底座120现场浇筑之后通过适合的装置附连至门开口140的内表面。塔架入口组件160可以包括外门或入口板162和可以经由铰接件166与入口板162连接的内门组件164。如前所述，门开口140可以定尺寸成使得相对较大的设备可以在设备塔架100的建造过程期间或者在设备塔架100的建造过程之后的任何时间被移入底座120的内部腔室124中。本发明的实施方式允许入口板162在所有设备已被移入内部腔室124中之后以固定的方式附连至门框142，其中，可以在设备塔架100的建造阶段快要结束时将所有设备移入内部腔室124中。在这方面，一旦入口板162就位，然后内门组件164就可以用于人员进出内部腔室124以完成设备操作设置和执行其他必要的任务以使设备塔架100可操作。替代实施方式允许使用适合的铰接件或轨道(未示出)将入口板162与门框142连接，使得板162可以根据需要打开及关闭以将相对较大的设备移入或移出内部腔室124。
36.本发明的实施方式的优点在于，底座120的高度在现场浇筑的情况下可以改变，以实现设备塔架100的总体期望高度或期望的设备高程。图5分别图示了具有不同或可变高度的底座174、176的两个示例性设备塔架170、172。本发明允许底座174、176基于至少一个场地特定参数——比如，基础高程——而具有不同的高度，从而确保附接至相应的塔架170、172的设备在塔架170、172完成时被定位在期望的高程处。例如，场地特定参数可以将风力涡轮机设备定位在选定高程——比如，设备高程“a”——处，以使如由当地风力图和历史气候资料所确定的风力涡轮机的利用风来发电的能力最大化。该高程“a”可以从海平面或另一基准水平面测得，并且尽管地平面128发生变化，但是该高程可以是恒定的。
37.在建造一个或更多个示例性设备塔架170、172的过程期间，可能优选的是在比如在风电场上的各个塔架之间使用相同数目和尺寸的塔架节段105、107、109，以使某些建造效率和设计效率最大化。如图5中所示，固定数目和尺寸的塔架节段105、107、109将导致相应的塔架部分104、106、108的组合高度具有不包括相应的底座174、176的高度“h1”和“h2”的共同高度“t1”。在这方面，每个塔架部分104、106、108将在设备塔架170、172的建造期间具有固定的高度。将理解到的是，分别将高度“t1”添加至高度“h1”和“h2”将产生示例性塔架170、172的总高度。
38.在一些情况下，场地特定地形将要求塔架170、172具有不同的总高度，这可以从图5中理解。由于期望针对每个塔架170、172使用相同的设计，所以在塔架170、172被安置在具有不同地面高程的地形128上时有利地改变相应的底座174、176的高度来实现塔架设备安置在高程“a”处。由于塔架170、172的重量和门开口140的尺寸近似相同，因而本发明的实施方式允许底座174的一组尺寸包括高度“h1”，而底座176的一组尺寸包括高度“h2”，高度“h1”和高度“h2”两者在底座174、176现场浇筑时确立。相比于现有技术塔架设计，基于一个或更多个场地特定参数来改变底座174、176的一个或更多个尺寸从而比如获得设备高程“a”的能力可以提供显著的成本和策略优势。
39.尽管本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但是将明显的是，这些实施方式仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下可以作出许多变型、改型和替换。因此，本发明意在仅由所附权利要求的主旨和范围来限制。