一种钢-混凝土组合塔架及其施工方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种组合塔架及其施工方法。


背景技术：

2.风力发电机组的塔架型式多样，钢构塔架由于成本较高、运输困难难以满足风电市场机组大型化和低风速地区需求，目前预应力装配式混凝土塔架与钢塔架构成的组合型塔架成为较常用的一种解决方案，混凝土塔段普遍由多个预制塔段分片构成，因此混凝土塔段与钢塔段的连接、加工塔段分片预制时的加工效率、拼接时的便利性及拼接后整个塔架的受力性能和整体稳定性成为组合型塔架所需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钢-混凝土组合塔架及其施工方法，以达到塔架快速安装成型、提高组合塔架结构力学性能及稳定性的目的，且混凝土塔架只需一套模具，提高了预制塔架的加工效率并减少了前期投资和现场施工周期。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种钢-混凝土组合塔架，包括钢制塔架、混凝土塔架和基础，混凝土塔架由多段混凝土塔段组成，其特征在于，所述混凝土塔段是由多个相同的塔段分片相互围合而成，所述塔段分片由自上而下交错的左凸板和右凸板构成，左凸板和右凸板的接触面左右错开一个塔段分片厚度距离，塔段分片之间螺杆连接。
6.进一步地，左凸板和右凸板纵向截面为等腰梯形，若干个塔段分片围合形成多棱台形的混凝土塔段，两个相邻的混凝土塔段中，下端混凝土塔段的上表面与上端混凝土塔段的下表面外周长度一致，多个混凝土塔段轴向连接形成自下向上逐渐收紧的混凝土塔架。
7.进一步地，所述塔段分片内预埋有l形弯板和配套设置的螺套，所述弯板露出塔段分片的一端设有通孔，螺杆通过弯板上的通孔拧入相邻塔段分片的螺套中。
8.进一步地，所述钢-混凝土组合塔架还包括过渡段，过渡段整体为一个中空的环段，过渡段内部为圆柱形，所述过渡段外周由底部的多边形逐渐过渡为圆形，渡段上表面设有环形凹陷，过渡段的壁厚大于钢制塔架和混凝土塔架的壁厚，预应力索的上端锚具固定在钢制塔架焊接的法兰盘上，所述预应力索轴向贯穿过渡段的环壁，在混凝土塔架内部延伸并通过下端锚具固定在环梁上。
9.进一步地，所述塔段分片的长度为6-12米，宽度为1-5米。
10.进一步地，所述相邻的混凝土塔段之间使用3-5毫米厚环氧密封胶连接。
11.一种钢-混凝土组合塔架的施工方法，用于所述的钢-混凝土组合塔架的施工，包括如下步骤：
12.预制塔段分片和过渡段、运输、组装混凝土塔段、吊装混凝土塔段和过渡段、预应力索穿索、吊装钢制塔架；
13.所述组装混凝土塔段的具体步骤为：将塔段分片之间的接触部分涂上环氧密封胶，先用螺杆将弯板和螺套进行预紧，每个混凝土塔段最后一片塔段分片安装时先将相邻塔段分片移开一定距离，安装完最后一片塔段分片后，用螺杆拉紧到正确位置；
14.所述预应力索穿索的具体步骤为：将预应力索一端固定在定位工装上，通过吊车将定位工装吊到过渡段位置并固定在临时吊梁上，分别人工迁引预应力索伸入过渡段通孔，预应力索下端穿入环梁的通孔中，用下端锚具固定。
15.进一步地，钢制塔架和基础可以根据实际工况在现场生产或工厂预制。
16.进一步地，钢制塔架可以分段制作。
17.本发明相对于现有技术有如下有益效果:
18.(1)塔段分片为平板结构，用一个可调宽度的模具可以生产所有的塔段分片，可叠放运输，节省模具生产周期和成本，平板结构易于保证混凝土预制件形状位置公差，实现高精度制件。
19.(2)塔段分片左凸板和右凸板错位一个板厚，可以相互镶嵌定位，避免塔架贯通纵缝，且拼接时无需精准组对即可完成塔段分片之间的拼接，在受压状态下，塔段分片之间互相施加约束作用力，提高了塔架整体的受力性能和稳固性；
20.(3)塔段分片之间互相施加约束作用力，混凝土塔段分片的长度可以适当增长，塔段分片纵长6-12米，是常规的混凝土塔段高度的2倍以上，减少吊装次数。
21.(4)塔段分片之间采用预埋弯板和螺套的方式连接，施工时塔段外部无需架设脚手架，弯板外露，现场安装方便快捷。
22.(5)过渡段从下到上形状逐渐过渡的设置，解决了混凝土塔架与钢制塔架连接问题，过渡段上表面设有与钢制塔架底端法兰盘相适应的环形凹陷，保证了过渡段与钢制塔架法兰连接的效果，过渡段的壁厚大于钢制塔架和混凝土塔架的厚度，采用体外预应力索张拉锚固，预应力索上端锚具直接作用于钢制塔架底部的焊接法兰盘上，结构简单，优化了受力性能。
23.(6)整个施工过程，使用安装混塔的吊车将预应力索一次性吊装到混凝土塔段顶部，减少施工周期，不需要卷扬设备，节省了前期投入成本，大部分采用装配式施工，灌浆操作少，高度输送低落离析，振捣方便，减少施工周期。
附图说明
24.图1是本发明所述一种钢-混凝土组合塔架结构示意图。
25.图2是本发明所述钢-混凝土组合塔架纵向剖面图。
26.图3是图2所述b处的放大示意图。
27.图4是图2所述a处的放大示意图。
28.图5是本发明所述过渡段的结构示意图。
29.图6是本发明所述塔段分片的结构示意图。
30.图7是本发明所述最简塔段分片的结构示意图。
31.图8是本发明所述混凝土塔段的结构示意图。
32.图9是本发明所述塔段分片的连接关系示意图。
33.图10是本发明所述预应力索吊起的示意图。
34.图中，1、钢制塔架；11、法兰盘；2、过渡段；21、通孔；3、混凝土塔架；31、混凝土塔段；311、左凸板；312、右凸板；313；弯板；314、螺套；315、螺杆；4、基础；41、环梁；5、预应力索；51、上端锚具；52、下端锚具；6、临时吊梁；7、定位工装；8、吊绳；81、吊环；9、操作平台。
具体实施方式
35.为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
36.如图1-2所示，本发明的一种钢-混凝土组合塔架，包括钢制塔架1、混凝土塔架3、过渡段2和基础4，钢制塔架1为圆台或圆柱形，可以为多段，钢制塔架1之间的连接方式为现有技术，在这里不做过多的赘述，混凝土塔架3通过过渡段2与钢制塔架1相连接，混凝土塔架3由若干个混凝土塔段31轴向连接而成，预制的混凝土塔段31数根据风机塔架的整体高度确定，混凝土塔段31的水平截面为正多边形，所述混凝土塔段31由多个相同的塔段分片311组成，最底部的混凝土塔段31连接有基础4。
37.如图5所示，过渡段2整体为一个中空的环段，过渡段2内部为圆柱形，所述过渡段2外周由底部的多边形向上逐渐过渡为顶部的圆形，过渡段2上表面设有与钢制塔架1底端法兰盘11相适应的环形凹陷，以保证过渡段2与钢制塔架1法兰连接的效果，过渡段2的环形凹陷内沿过渡段2轴向方向预留有供预应力索5通过的通孔21。
38.如图3-4所示，所述钢制塔架1和过渡段2通过体外预应力索5连接在一起，预应力索上端锚具51环向安装在钢制塔架1底段焊接的法兰盘11上，预应力索下端锚具52安装在基础4上的中空的环梁41上，基础4为现有技术，在这里也不多做说明，所述预应力索5轴向贯穿过渡段2的环壁并通过下端锚具52固定在环梁41下表面，所述过渡段2的壁厚大于钢制塔架1和混凝土塔架3的壁厚，为预应力索5穿过提供空间。
39.如图6-8所示，塔段分片整体呈平板结构，所述塔段分片由自上而下交错连接的左凸板311和右凸板312构成(最上端可以是左凸板311；也可以是右凸板312，如图6所示)，左凸板和右凸板的数量最少各1个，左凸板311和右凸板312一体成型，左凸板311和右凸板312的连接面左右交错开一个塔段分片厚度距离。左凸板311和右凸板312纵向截面为等腰梯形，且上部的凸板的下底与其紧邻的下部凸板的上底长度相同；塔段分片的水平截面为等腰梯形，即塔段分片两边在竖直方向有一个倾斜的角度，若干个塔段分片围合形成一个从下到上依次收窄的多棱台形的混凝土塔段31，围合的塔段分片数不同，水平截面等腰梯形的底角角度不同，以塔段分片数是6为例，水平截面等腰梯形的底角为60度；
40.两个相邻的混凝土塔段31中，下端混凝土塔段31的上表面与上端混凝土塔段31的下表面外周长度一致，多个混凝土塔段31在轴向方向上连接形成一个从下到上依次收窄的混凝土塔架31。
41.当塔架受到纵向压力时，塔段分片之间互相施加约束作用力，错位的塔段分片将提供一个向上的支撑力，压力转化为局部剪切应力，可以依靠混凝土和钢筋材料抵消，当塔段分片受到一个水平外力时，错位面越多，水平摩擦力按照错位面倍数增加，相邻塔段分片之间的结构越稳定，提高了塔架整体的受力性能和稳固性，所以混凝土塔段分片的长度可以适当增长，较佳的长度为6-12米，宽度为1-5米。
42.如图6、图9所示，可以理解的是，塔段分片的连接拐角处受到的应力相对较为集中，易产生刚性变形，为力学构件的薄弱位置，为了增加该位置的局部刚度，左凸板311的右
侧和右凸板312的左侧预埋有l形弯板313，左凸板311的左侧和右凸板312的右侧相对位置配套设置有螺套314，所述弯板313露出塔段分片的一端设有通孔，拼接塔段分片时，螺杆315通过弯板313上的通孔拧入螺套314中。
43.为增强塔段分片承受风力的强度，塔段分片内部还设有钢筋网(钢筋网在图中未示出)，组成最下端混凝土塔段3的塔段分片中有一片预留有安装塔架检修门的门洞。
44.本发明还提供了一种钢-混凝土组合塔架的施工方法，用于上述钢-混凝土组合塔架的施工，包括:
45.基于施工现场所处的风速区域、风机等参数确定混凝土塔架的规格，确定塔段分片的高度、壁厚、在竖直方向上的倾斜角度、塔段分片水平截面的梯形底角的角度等；
46.s1、预制塔段分片和过渡段，具体步骤为：根据确定的塔段分片的参数分段预制塔段分片，采用上面开放、四周有围挡的模具，水平放置在事先加工好的地面，放置绑扎好钢筋网及预埋弯板313和螺套314，浇筑塔段分片，人工收平上表面(塔架内表面)或采用模板抹平；
47.拆除模板，等塔段分片凝固到合适硬度，同一段混凝土塔段31的塔段分片标注相同的标号，吊离模具位置去养护；
48.根据参数调整模具宽度，生产下一段混凝土塔段31的塔段分片；
49.预制塔段分片的同时制作过渡段2，过渡段2上预留有通孔21，用于插入预应力索5；
50.s2、运输：将养护好的塔段分片、过渡段2运输至施工现场；
51.s3、组装混凝土塔段31，具体步骤为：将塔段分片之间的接触部分涂上环氧密封胶，按照顺序依次组装，先用螺杆315将预埋弯板313和预埋螺套314进行预紧，需要说明的是，预紧是将螺杆315一部分拧入螺套中，优选拧入螺杆315长度的30％，每个混凝土塔段31最后一片塔段分片安装时先将相邻塔段分片移开一定距离，安装完最后一片塔段分片后，用螺杆315拉紧到正确位置；
52.依次组装其他混凝土塔段31，步骤同上，组装完成后调平上表面，在上表面分8处粘贴垫片；
53.s4、吊装混凝土塔段：将最下端的混凝土塔段31安装在钢筋混凝土的基础4上表面的凹坑上，安装前用垫片垫平，安装后灌浆；向上依次吊装组装好的混凝土塔段31，相邻的混凝土塔段31中，下端的混凝土塔31的上表面涂环氧密封胶，吊装到位后等待一段时间使环氧胶固化；
54.吊装过渡段2：过渡段2下表面涂环氧密封胶，然后吊装到混凝土塔段31上，在吊装过渡段2时需注意平面度要求；
55.s5、预应力索5穿索，具体步骤为：将定位工装7放入塔底，将预应力索5经过门洞一端固定在定位工装7上，另一端留在塔外，将预应力索5进行编号，防止交错，将预应力索5固定在定位工装7一端的索头固定；吊绳8一端预先固定在定位工装7上，另一端贯穿过渡段2挂在吊车的吊钩上，起吊；在带孔操作平台9上观察吊环81，吊环81越过临时吊梁6后，暂停起吊，用定位销将吊环81固定在临时吊梁6上，吊车摘勾，在操作平台上分别人工迁引预应力索5伸入过渡段2通孔21，预应力索5全部穿入通孔21中后，预应力索5下端穿入环梁41的通孔中，用下端锚具52固定；
56.在这里需要说明的是，所述定位工装7包括一个圆盘，圆盘周边环绕有多个固定预应力索5的卡箍；过渡段2的通孔21本身有定位中心作用，预应力索不会从通孔中脱落。
57.s6、吊装钢制塔架1；
58.s7、将预应力索5穿过钢制塔架1用上端锚具51固定在钢制塔架1的法兰盘顶面，拆除定位工装7，塔架施工完成。
59.本发明所述的施工方法将预应力索一次性吊装到预定位置，减少了施工周期，且在吊装过程中只需使用吊车和定位工装，不需卷扬设备，节省了投资成本。
60.具体地，为了方便施工，钢制塔架可以分段制作，将相对高的塔架分为多段，可以减少塔架过高带来的施工难度。
61.具体地，钢制塔架和基础可以根据实际工况在现场生产或工厂预制。
62.本发明提出的一种钢-混凝土组合塔架及其施工方法，可实现工厂预制、现场组装的全装配式施工，且施工周期短、受力性能高、稳定性好。
63.以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似方式替代，这些也应视作本发明的保护范围。