一种先张预应力格构式混合塔架风电结构及装配方法

本发明涉及机械制造和陆上以及海上风力发电，具体而言，涉及一种先张预应力格构式混合塔架风电结构及装配方法。

背景技术：

1、目前，我国拥有丰富的风能资源储量，风能资源开发利用潜力巨大。随着我国对可再生能源需求的不断增加，风能发电已经逐渐成为国内能源发展规划中的重要一环。风机发展新动向包括：容量为王的单机大型化趋势、风机智能化和可持续性发展趋势、漂浮式海上风电规模将显著增长。风电单机容量的增加依赖于单机的大型化及发电效率的提升，而风机高度对发电效率有显著影响。风机高度的提升又对塔架结构受力、施工便利性及工程经济性等提出了更高的要求。

2、为提升超高风机塔架构件的结构安全与运输便利性，采用高性能材料形成高强轻量化结构，降低各可吊装预制单元尺寸与质量，实现公路运输与低成本吊装是未来超高风电塔架的发展方向，目前针对超高风机塔架，已出现中空夹层钢管混凝土塔筒、预应力钢-混凝土混合塔架、预应力钢管混凝土格构式塔架、预制钢混塔架以及uhpc风电混合塔筒等结构形式。

3、目前风机主流的塔架型式包括：钢塔筒、分片钢塔筒、钢-nc混合塔筒和uhpc风电混合塔筒。随着塔架高度的增长，钢塔筒直径逐渐增大，暴露出结构振动、易腐蚀、维护成本高等问题，而且钢塔筒的运输与吊装也存在诸多局限性，如对于高度低于110m的风机，钢塔筒吊装大多采用履带吊与汽车吊相结合的形式；如果风机塔筒高度高于110m，塔筒采用钢-混凝土混合塔筒。首先，该结构在对于制造精度要求高，模具以及工装投入大；其次，大直径预制混凝土或钢混塔筒的交通运输并不方便，现场吊装难度也大幅增加；再者，针对于140m及以上的所采用的uhpc混合高塔筒，必须采用1000吨级别以上的履带吊进行吊装，还要面临施工周期长、总体成本受材料价格波动影响大、设备使用费用高昂等问题。

4、综上所述，存在如下至少一个技术问题：

5、常规节点在后期还要进行的后张预应力施工；

6、结构振动、易腐蚀、维护成本高；

7、制造精度要求高，模具以及工装投入大；

8、钢塔筒的运输与吊装存在诸多局限性；大直径预制混凝土或钢混塔筒的交通运输并不方便，现场吊装难度也大幅增加；

9、施工周期长、总体成本受材料价格波动影响大、设备使用费用高昂。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种先张预应力格构式混合塔架风电结构，以解决现有技术中常规节点在后期还要进行的后张预应力施工；结构振动、易腐蚀、维护成本高；制造精度要求高，模具以及工装投入大；钢塔筒的运输与吊装存在诸多局限性；大直径预制混凝土或钢混塔筒的交通运输并不方便，现场吊装难度也大幅增加；施工周期长、总体成本受材料价格波动影响大、设备使用费用高昂中至少一个技术问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种先张预应力格构式混合塔架风电结构，包括：

3、格构式塔架，所述格构式塔架为装配式结构，所述格构式塔架包括若干主柱和连接杆，所述主柱内部灌有uhpc，所述uhpc中布设先张法预应力筋，所述主柱拼接处采用带加劲肋外法兰与大口径全连接灌浆uhpc套筒组合式结构；

4、混合塔架转接结构，所述混合塔架转接结构设置在格构式塔架上端，所述混合塔架转接结构为钢管外包uhpc组合结构，所述混合塔架转接结构与主柱相连；

5、钢塔筒，所述钢塔筒设置在混合塔架转接结构上端；

6、风机，所述风机设置在钢塔筒上端。

7、优选的，所述格构式塔架中的连接杆水平和斜向设置，所述连接杆采用空心钢管。

8、优选的，当格构式塔架的主柱尺寸较小时，所述主柱采用实心钢管uhpc柱，所述主柱之间通过加劲肋外法兰与内部环形均匀布置的大口径全连接灌浆uhpc套筒相连。

9、优选的，当格构式塔架的主柱尺寸较大时，所述主柱采用中空夹层钢管uhpc柱，所述主柱之间通过加劲肋外法兰与内部环形均匀布设的大口径全连接灌浆套筒相连接。

10、优选的，位于下端的主柱内预埋坐浆套筒，位于上端的立柱内预埋锚固钢筋，所述锚固钢筋从上端的主柱端部伸出并插设在坐浆套筒内。

11、优选的，所述坐浆套筒内设有uhpc包覆层，通过uhpc包覆锚固钢筋，所述锚固钢筋与坐浆套筒相连。

12、优选的，所述混合塔架转接结构包括八肢脚，所述八肢脚通过加劲肋外法兰与格构式塔架的主柱相连；所述钢管外包uhpc组合结构具有钢板、uhpc层、钢筋网和栓钉，其中钢管外包uhpc组合结构中的钢板沿八肢脚上部预留的切口插入，所述钢板插入后与肢脚钢壳焊接；所述钢筋网的端部焊接在肢脚钢壳上；所述钢板与uhpc层结合处设置栓钉。

13、优选的，所述八肢脚底部为格构式塔架层，所述八肢脚上设有横向连杆；位于八肢脚与格构式塔架的主柱连接处的大口径连接灌浆uhpc套筒的预埋锚固钢筋向上延伸设置。

14、优选的，所述钢板向上延伸，所述钢板顶部设置内法兰，所述钢板将混合塔架转接结构与钢塔筒相连。

15、根据本发明的另一方面提供了一种先张预应力格构式混合塔架风电结构的装配方法，包括：

16、步骤1：在工厂灌注主柱，并使用先张法张拉预应力筋，预埋坐浆套筒和锚固钢筋；

17、步骤2：完成连接杆与主柱之间、主柱与加劲肋外法兰之间、连接杆与加劲肋外法兰之间的焊接工作；

18、步骤3：将栓钉和钢筋网焊接在钢塔筒过渡段的钢板上并灌注uhpc；

19、步骤4：吊装格构式塔架的主柱和连接杆并进行连接；

20、步骤5：完成格构式塔架的安装后，吊装混合塔架转接结构，混合塔架转接结构与主柱进行螺栓连接；

21、步骤6：接着吊装钢塔筒，钢塔筒下部的内法兰与混合塔架转接结构的法兰对位后进行螺栓连接；

22、步骤7：最后安装钢塔筒顶部的风机。

23、应用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

24、本发明采用多肢柱先张预应力钢管uhpc标准化构件单元、带加劲肋外法兰与钢管内部大口径全连接灌浆uhpc套筒构成的组合式接头、新型钢管外包uhpc组合式塔架转接结构，具有整体结构受力更加均匀，耐久性好、徐变系数低、预制单元可运输、吊装重量低、施工便利，维护成本低、连接段应力以及刚度平稳过渡和传力方式稳定的技术效果。

25、通过先张预应力钢管uhpc标准化构件单元在工厂化施工时就进行了先张预应力的施加，避免了常规节点在后期还要进行的后张预应力施工，采用带加劲肋外法兰与钢管内部大口径全连接灌浆uhpc套筒组合式接头可提升节点在拉压交替荷载作用下的轴拉承载能力；其次，大口径全连接灌浆uhpc套筒组合式接头施工相对简单，不需要特殊的设备和技术，只需要进行下主柱套筒的uhpc灌浆和上主柱钢筋的插入即可实现上下主柱的连接，降低了施工难度，也是一种较为经济实用的结构连接方式；最后，节点处上下主柱uhpc基体及钢纤维不连续，采用带加劲肋外法兰与大口径全连接灌浆uhpc套筒组合式接头，由于有高强螺栓及普通钢筋的连接，可以有效保证节点连接处的强度、刚度及抗疲劳性能。先张预应力钢管uhpc格构式混合塔架具有稳定性好、承载力高、抗疲劳性能好的技术效果。

26、本发明的钢混凝土塔筒塔架与上部钢塔筒之间的转接装置对于混合塔架的受力性能至关重要。传统钢混转接环中钢筋栓钉数量多、布置复杂、加工制作难度大，而且钢混转接环结构体积大，吊装要求高。而新型钢管外包uhpc组合结构是一种嵌入式结构。这种结构使得格构式塔架到钢塔筒刚度的过渡更为平滑，有效减少了结构之间的不连续性。平滑过渡有助于降低应力集中，提高整体结构的稳定性。在过渡区域，通过嵌入式设计，能够更好地控制结构刚度的分布，减小由于刚度不一致引起的结构变形，从而保持结构的整体一体性，提高整体性能。在外部荷载作用下，连接段能更有效地传递力，降低结构的应力集中。同时，该结构具有较强的适应性，能够灵活地满足不同部位的刚度要求，降低了基础的要求和成本的技术效果。

27、本发明专利采用多肢柱塔架结构，使得整体受力更加均匀且分散，保持了受力形式的稳定。这有效地解决了传统三肢柱或四肢柱格构风机塔架在面对不确定的风荷载方向时所引发的平行方向和对角线方向传力方式复杂多变的问题，并且多肢柱塔架结构分拆构件能符合运输尺寸要求。

28、本发明专利采用了钢-超高性能混凝土uhpc组合结构。通过充分利用uhpc卓越的抗拉能力，本发明协同钢管一同承担部分拉力。这样的设计使结构能够有效应对在风荷载方向多变的情况下，结构经历反复的拉压的问题。同时，由于钢uhpc结构的低徐变系数，结构的稳定性得到提高，减小了由于变形引起的不稳定风险。此外，低徐变系数有助于减小结构振动，尤其是在风机受到风荷载作用的情况下。对于维持结构的整体性能和耐久性而言，这种设计显得尤为关键，能够有效延长结构的使用寿命。考虑到风机结构通常属于高耸结构，其维护难度和成本较高，结构的低变形特性意味着较少的维护和修复需求，进而降低了维护成本。这对于确保结构的经济性和长期运行具有显著的益处。

29、本发明专利结构中的各杆件均为标准化尺寸，全面实现工厂化预制；采用高性能材料形成高强轻量化结构，有效缩减单元尺寸，减少吊装重量，且分拆构件能符合运输尺寸要求,实现低成本高效率公路运输；塔架转接结构与格构式塔架、钢塔筒之间均采用高强螺栓连接，提高现场施工效率，保证现场施工质量。这一结构装配式的设计优势使得整个施工过程更加通畅和高效。

30、本发明专利提升了结构的抗拉性能和刚度，使得整体结构更加稳定。此外，结构截面的拓展变得更为便捷，从而能够更灵活地适应更大高度的风电塔架结构。这一创新设计不仅有助于提高结构的整体性能，还为未来的工程应用提供了更大的适用性和可扩展性。

31、本发明专利先张法预应力钢管uhpc标准化构件，可实现整体结构预制，避免了高空张拉体外束预应力制不好控应力水平筋的问题，同时先张法预应力钢管uhpc标准化构件中的钢材可采用耐腐材料，这样一来，在全寿命周期内无需更换材料，避免体外束预应力筋因易腐蚀，造成的后期维修、高空更换，增加了项目总体成本问题；其内部的预应力抵消掉一部分的外部载荷，由于预应力件的存在，混凝土处于受压状态，具有压力储备，有效降低混凝土开裂的风险，提高钢管混凝土构件的安全性；先张预应力构件单元能够实现轻量化运输与安装，相较于传统的大直径塔筒结构，本专利结构更有利于公路运输。

32、本发明专利上下单元主柱之间采用带加劲肋外法兰和钢管uhpc柱内大口径全连接灌浆uhpc套筒的组合式接头提升节点在拉压交替荷载作用下的轴拉承载能力，避免了常规节点在后期还要进行的后张预应力施工；大口径全连接灌浆uhpc套筒节点连接处的施工相对简单，不需要特殊的设备和技术，只需要按照设计图纸进行下主柱套筒的uhpc灌浆和上主柱钢筋的插入即可实现上下主柱的连接，降低了施工难度，也是一种较为经济实用的结构连接方式；带加劲肋外法兰和钢管uhpc柱或中空夹层钢管uhpc柱内大口径全连接灌浆uhpc套筒的联合应用连接方式，由于有高强螺栓及普通钢筋的连接，可以有效地提高节点连接处的刚度以及螺栓的抗疲劳性能。

33、本发明专利结构中塔架转接结构采用新型钢管外包uhpc组合结构,形成一种嵌入式结构。这种设计使得格构式塔架到钢塔筒刚度的过渡更为平滑，有效减少了结构之间的不连续性。平滑过渡有助于降低应力集中，提高整体结构的稳定性。在过渡区域，通过嵌入式设计，能够更好地控制结构刚度的分布，减小由于刚度不一致引起的结构变形，从而保持结构的整体一体性，提高整体性能。这使得在外部荷载作用下能更有效地传递力，降低结构的应力集中。同时，该结构具有较强的适应性，能够灵活地满足不同部位的刚度要求，降低了基础的要求和成本。这种设计有效解决了传统钢混转接环中钢筋栓钉数量多、布置复杂、加工制作难度大，且钢混转接环结构体积大、吊装要求高等问题。这使得本发明结构更为可行和经济。