一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔及其连接方法与流程

1.本发明涉及钢管混凝土杆塔技术领域，特别是指一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔及其连接方法。


背景技术：

2.中空夹层轻质高强复合材料杆塔包括内钢管和外钢管组成的双层钢管结构，以及填充于内钢管和外钢管之间的复合材料层，复合材料层多为普通的混凝土材质，存在自重较大，强度有待进一步提高等问题。而且现有的杆塔制备30米以上的耐张杆时，杆塔端部与法兰盘焊接固定后，主要通过短加劲肋加强连接，法兰盘连接处容易受力损伤。


技术实现要素：

3.本发明提出一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔及其连接方法，增加杆塔的强度，提高杆塔的承载负荷；通过贯穿加劲板的设置，避免法兰盘与内外钢管连接处的受力损伤。
4.本发明的技术方案是这样实现的：一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔，包括从上到下依次相连的顶部主杆、上段主杆、下段主杆和根部主杆，顶部主杆上从上到下依次间隔设置有多个横担，上段主杆、下段主杆和根部主杆均包括竖向的外钢管，外钢管内设置有同轴线的内钢管，内钢管和外钢管之间形成了中空夹层，中空夹层内填充有复合材料层，内钢管的外壁上沿周向均布有内加劲板，外钢管的内壁上沿周向均布有外加劲板，内加劲板和外加劲板交替设置，外钢管和内钢管的上端齐平，且与上法兰组件相连，上法兰组件上设置有与中空夹层相通的注浆孔和排气孔，外钢管和内钢管的下端齐平，且与下法兰组件相连。
5.进一步地，上法兰组件和下法兰组件均包括法兰盘，法兰盘同轴线固定于外钢管和内钢管的端部，法兰盘的内径小于内钢管的端部内径，法兰盘的外径大于外钢管的端部外径，法兰盘上沿周向均布有贯穿加劲板，贯穿加劲板沿径向从法兰盘的内壁延伸至外壁，外钢管和内钢管上对应贯穿加劲板的位置处设置有预留卡槽，贯穿加劲板固定于预留卡槽内。
6.进一步地，复合材料层由以下重量份的原料制备：氧化镁20-30份、漂珠2-5份、柠檬酸0.09-0.15份、硫酸镁4.5-11.5份和水7-10份。
7.进一步地，漂珠包括载水多孔漂珠、修复剂/多孔漂珠和固化剂/多孔漂珠，封闭漂珠、载水多孔漂珠和修复剂/多孔漂珠的质量比为(1-3)：(2-4)：1。
8.进一步地，相邻贯穿加劲板之间的法兰盘上固定有短加劲板，短加劲板的一端与外钢管的外壁相连，另一端沿径向延伸至法兰盘的外壁。
9.进一步地，上法兰组件的法兰盘上沿周向均布有注浆孔，注浆孔位于法兰盘对应中空夹层的位置处，相邻注浆孔之间法兰盘上设置有排气孔。
10.进一步地，顶部主杆包括竖向的钢管杆节，钢管杆节的顶部设置有顶端盖板，底部
设置有连接法兰，钢管杆节对应横杆的位置处设置有主杆连接板，主杆连接板与横杆的端部螺栓相连，主杆连接板的外侧设置于与钢管杆节相连的连接加强板。
11.进一步地，连接加强板包括横向的板体，板体的端部与主杆连接板相连，板体对应钢管杆节的位置处设置有弧形连接槽。
12.一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔的连接方法，包括以下步骤：
13.(1)将下法兰组件分别与对应的内钢管和外钢管焊接固定相连，然后再将上法兰组件分别与对应的内钢管和外钢管焊接固定相连：
14.(2)通过注浆孔向中空夹层内浇筑复合材料，得到复合材料层，得到上段主杆、下段主杆或根部主杆，最后将根部主杆、下段主杆和上段主杆从下到上通过法兰螺栓相连；
15.(3)将顶部主杆与上段主杆通过法兰螺栓相连。
16.进一步地，步骤(1)中，上法兰组件或下法兰组件的连接方法如下：先将贯穿加劲板与法兰盘焊接相连，然后将贯穿加劲板置于内钢管端部的预留卡槽内，将内钢管端部分别与法兰盘和贯穿加劲板焊接相连；再将贯穿加劲板置于外钢管端部的预留卡槽内，将外钢管分别与法兰盘和贯穿加劲板焊接。
17.本发明的有益效果：
18.本发明通过内加劲板和外加劲板交替设置，增加外钢管和内钢管的强度，同时预埋于复合材料层内，增加复合材料层的强度以及复合材料与双层钢管结构结合的稳定性；通过贯穿加劲板的设置，一方面增加外钢管和内钢管下端的强度，同时也增加了法兰盘与外钢管和内钢管的连接强度；另外，配合贯穿加劲板预埋于复合材料层内，有利于增强复合材料端部的强度以及复合材料与外钢管和内钢管的结合稳定性，避免法兰盘与内外钢管连接处的受力损伤。
19.本发明的上法兰组件上设置有与中空夹层相通的注浆孔和排气孔，通过注浆孔向中空夹层内浇筑复合材料，采用先将下法兰组件和上法兰组件分别与对应的内钢管和外钢管焊接固定相连，再进行复合材料浇筑，避免焊接时产生的高温损伤复合材料。
20.本发明的杆塔相比于同类型的钢管杆用钢量减少30％左右，相比同类型的薄壁离心钢管混凝土杆重量减少25％左右。本发明的复合材料以氧化镁为基底材料，以漂珠为轻质骨料，容重小，容重为普通混凝土的75％左右，同时具有较高的抗折强度和抗压强度。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为根部主杆的结构示意图；
24.图3为下法兰组件的结构示意图；
25.图4为图2中a-a的剖视图；
26.图5为上法兰组件的法兰盘的结构示意图；
27.图6为顶部主杆的结构示意图；
28.图7为连接法兰的结构示意图；
29.图8为主杆连接板的结构示意图；
30.图9为图8的俯视图。
31.顶部主杆1，上段主杆2，下段主杆3，根部主杆4，横担5，外钢管6，内钢管7，中空夹层8，内加劲板9，外加劲板10，上法兰组件11，注浆孔12，排气孔13，下法兰组件14，法兰盘15，贯穿加劲板16，短加劲板17，钢管杆节18，顶端盖板19，连接法兰20，主杆连接板21，连接加强板22，板体23，弧形连接槽24。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1
34.如图1-5所示，一种中空夹层8轻质高强钢管复合材料杆塔，包括从上到下依次相连的顶部主杆1、上段主杆2、下段主杆3和根部主杆4，顶部主杆1上从上到下依次间隔固定有多个横担5，上段主杆2、下段主杆3和根部主杆4均包括竖向的外钢管6，外钢管6内设置有同轴线的内钢管7，外钢管6由钢板卷制，采用对接焊缝连接，内钢管7由钢板卷制，采用对接焊缝连接。
35.内钢管7和外钢管6之间形成了中空夹层8，中空夹层8内填充有复合材料层，内钢管7的外壁上沿周向均布有内加劲板9，外钢管6的内壁上沿周向均布有外加劲板10，内加劲板9和外加劲板10间隔45
°
交替设置，内肋沿长度方向与对应的内钢管7分段跳焊满焊，外肋沿长度方向与对应的外钢管6分段跳焊满焊，外肋沿外钢管6的径向设置，外肋的一端与外钢管6的内壁焊接相连，另一端与内钢管7间隔设置。内肋沿内钢管7的径向设置，内肋的一端与内钢管7的外壁焊接相连，另一端与外钢管6间隔设置。
36.外钢管6和内钢管7的上端齐平，且与上法兰组件11相连，上法兰组件11上设置有与中空夹层8相通的注浆孔12和排气孔13，经注浆孔12向中空夹层8内浇筑复合材料，得到复合材料层，外钢管6和内钢管7的下端齐平，且与下法兰组件14相连，将下法兰组件14分别与对应的内钢管7和外钢管6焊接固定相连，然后再将上法兰组件11分别与对应的内钢管7和外钢管6焊接固定相连，最后通过注浆孔12向中空夹层8内浇筑复合材料，得到复合材料层，采用先焊接上法兰组件11再浇筑的方式，避免了焊接时产生的高温损伤复合材料。
37.实施例2
38.本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：如图3-5所示，上法兰组件11和下法兰组件14均包括法兰盘15，法兰盘15同轴线焊接固定于外钢管6和内钢管7的端部，法兰盘15的内径小于内钢管7的端部内径，法兰盘15的外径大于外钢管6的端部外径，法兰盘15上沿周向均布有贯穿加劲板16，贯穿加劲板16沿径向从法兰盘15的内壁延伸至外壁，外钢管6和内钢管7上对应贯穿加劲板16的位置处设置有预留卡槽，贯穿加劲板16焊接固定于预留卡槽内。上段主杆2、下段主杆3和根部主杆4之间依次通过法兰盘15螺栓固定相连。
39.相邻贯穿加劲板16之间的法兰盘15上焊接固定有短加劲板17，短加劲板17的一端
与外钢管6的外壁焊接相连，另一端沿径向延伸至法兰盘15的外壁。上法兰组件11的法兰盘15上沿周向均布有注浆孔12，注浆孔12位于法兰盘15对应中空夹层8的位置处，相邻注浆孔12之间法兰盘15上设置有排气孔13，通过注浆孔12进行复合材料，排气孔13排出中间夹层内的空气。
40.实施例3
41.本实施例与实施例1或2基本相同，不同之处在于：复合材料层由以下重量份的原料制备：氧化镁20-30份、漂珠2-5份、柠檬酸0.09-0.15份、硫酸镁4.5-11.5份和水7-10份，漂珠的粒径为100-200目。漂珠包括载水多孔漂珠、修复剂/多孔漂珠和固化剂/多孔漂珠，封闭漂珠、载水多孔漂珠和修复剂/多孔漂珠的质量比为(1-3)：(2-4)：1。
42.修复剂/多孔漂珠的制备方法如下：将多孔漂珠置于密封容器内抽真空后，然后将修复剂乳液加入到密封容器内，使修复剂乳液进入到多孔漂珠内，最后载有修复剂乳液的多孔漂珠采用水清洗，除去表面残留的修复剂乳液，加入氧化镁，搅拌5min，筛除多余的氧化镁，在室温下养护1天，得到修复剂/多孔漂珠。
43.修复剂乳液为环氧树脂乳液，环氧树脂乳液的制备方法为：将环氧树脂和乳化剂以质量比6：1混合，加热至60-65℃，在搅拌条件下，向混合物中添加水，得到环氧树脂乳液，乳化剂为十二烷基苯磺酸钠。
44.固化剂/多孔漂珠的制备方法如下：将多孔漂珠置于密封容器内抽真空后，然后将固化剂乳液加入到密封容器内，使固化剂乳液进入到多孔漂珠内，最后载有固化剂乳液的多孔漂珠水清洗后，加入氧化镁，搅拌5min，筛除多余的氧化镁，在室温下养护1天，得到修复剂/多孔漂珠。
45.固化剂乳液的制备方法为：将固化剂和乳化剂以质量比6：1混合，加热至60-65℃，在搅拌条件下，向混合物中添加水，得到固化剂乳液，固化剂为胺类固化剂，乳化剂为十二烷基苯磺酸钠。
46.载水多孔漂珠的制备方法如下：将多孔漂珠置于密封容器内抽真空后，然后将水加入到密封容器内，使水进入到多孔漂珠内，得到载水多孔漂珠。
47.多孔漂珠由原始漂珠经氢氟酸溶液腐蚀后的得到。
48.所述轻质高强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
49.(1)称取所需重量的氧化镁和漂珠，将其混合均匀，得到混合物a；
50.(2)称取所需重量的水、柠檬酸和硫酸镁，然后在50℃条件下，将柠檬酸和硫酸镁溶解到水中，得到溶液b；
51.(3)将溶液b降温至35℃-40℃，然后将混合物a加入到溶液b中，先140rpm低速搅拌1min，然后在≥200rpm高速搅拌2min，得到复合材料。采用注浆泵从注浆孔12向中空夹层8内浇筑复合材料，浇筑完成后，在20-30℃的条件下养护28天。
52.浇筑过程中，浇筑速度10kg/min～15kg/min，边浇筑边低频振动，附着式振捣器固定于浇筑混凝土液面附近，沿着管长移动，每0.5米管长移动一次，每次振捣1分钟，浇筑结束后，高频振动3分钟。
53.原始漂珠与基体材料容易出现界面结合不强，影响复合材料的抗折强度等，本实施例通过载水多孔漂珠、修复剂/多孔漂珠和固化剂/多孔漂珠的配合，制备的复合材料抗折强度控制在了8.0mpa左右，抗压强度控制在了80mpa左右。若是复合材料固化以及后续使
用中出现裂纹，多孔漂珠内负载的固化剂以及修复剂会释放至裂纹内，对裂纹进行修复。
54.实施例4
55.本实施例与实施例1或2基本相同，不同之处在于：如图6-9所示，顶部主杆1包括竖向的钢管杆节18，钢管杆节18的顶部焊接固定有顶端盖板19，底部焊接固定有连接法兰20，钢管杆节18对应横杆的位置处焊接有主杆连接板21，主杆连接板21与横杆的端部螺栓相连，主杆连接板21的外侧设置于与钢管杆节18相连的连接加强板22。
56.连接加强板22包括横向的板体23，板体23的端部与主杆连接板21焊接固定相连，板体23对应钢管杆节18的位置处设置有弧形连接槽24，弧形连接槽24与钢管杆节18焊接固定相连。通过主杆连接板21和连接加强板22的配合，提高横担5与钢管杆节18连接的稳定性。
57.实施例5
58.一种中空夹层轻质高强复合材料杆塔的连接方法，包括以下步骤：
59.(1)将下法兰组件14分别与对应的内钢管7和外钢管6焊接固定相连，然后再将上法兰组件11分别与对应的内钢管7和外钢管6焊接固定相连：
60.(2)通过注浆孔12向中空夹层8内浇筑复合材料，得到复合材料层，得到上段主杆2、下段主杆3或根部主杆4，最后将根部主杆4、下段主杆3和上段主杆2从下到上通过法兰螺栓相连；
61.(3)将顶部主杆1与上段主杆2通过法兰螺栓相连。
62.步骤(1)中，上法兰组件11或下法兰组件14的连接方法如下：先将贯穿加劲板16与法兰盘15焊接相连，然后将贯穿加劲板16置于内钢管7端部的预留卡槽内，将内钢管7端部分别与法兰盘15和贯穿加劲板16焊接相连；再将贯穿加劲板16置于外钢管6端部的预留卡槽内，将外钢管6分别与法兰盘15和贯穿加劲板16焊接。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。