风电塔架的体外预应力束的布置结构、风电塔架及施工方法

本发明属于风力发电，尤其涉及一种风电塔架附属结构的布置结构、风电塔架及施工方法。

背景技术：

1、风电塔的容量、效率等性能均与风电塔架的高度密切相关，但受结构形式、材料、建设成本、施工条件等因素限制，目前风电塔架的高度尚未能突破200米。为解决上述难题，专利文献cn116641845a中公开了一种基于uhpc的带地锚束的风电塔架，其核心思路和构造特点如下：

2、(1)uhpc风电塔架呈格构式，由多层上下堆叠的uhpc空心塔柱节段组成，上下相邻uhpc空心塔柱节段间通过塔柱过渡段连接；uhpc空心塔柱节段包括多根围绕风电塔架的竖向中心线分布的uhpc空心塔柱单元，塔柱过渡段包括多根uhpc过渡段与多根用于将uhpc过渡段连接成一整体的横向联系构件；横向联系构件优选为预制的uhpc空心箱形截面构件或钢桁架结构，且横向联系构件顶面设有地锚束预留孔。

3、(2)风电塔架包括多根已施加预应力的地锚束，地锚束设于塔柱过渡段与地面基础之间；地锚束两端分别锚固在横向联系构件和地面基础中，且两端均可张拉；地锚束可采用常规的预应力钢丝或钢绞线，也可采用碳纤维预应力束。在每层横向联系构件的锚固束沿风电塔架的竖向中心线对称布置。

4、根据uhpc格构式风电塔架的上述特点，须在塔架高度方向张拉地锚束，以确保uhpc空心塔柱长期处于较高的压应力状态(但需确保压应力在设计强度允许范围内)，进而充分利用其超高的抗压强度，避免了uhpc空心塔柱出现大的拉应力而诱发受拉开裂，同时，地锚束使得uhpc空心塔柱节段之间的连接更加稳定和牢固，能够提高风电塔架在强风作用下的整体稳定性。因此，地锚束具有将各层uhpc空心塔柱连成整体、避免uhpc空心塔柱开裂、避免塔架基础出现拉拔反力、提升结构稳定性等多重作用，是uhpc格构式风电塔架的重要组成部分。

5、但该专利中，由于uhpc空心塔柱的水平间距从下层往上层逐层变小(即横截面由下至上逐层变小)，横向联系构件的平面尺寸也随之变小，导致地锚束的布置位置由上层往下层依次向外、向下张开。目前主要借助预埋在uhpc横向联系构件顶面的转向块实现转向，对体外预应力传递不利：一方面，预应力在转向位置对uhpc横向联系构件产生较大的水平力，导致uhpc横向联系构件在体外预应力向外张开位置处受拉、在体外预应力向下张开位置处受压，受拉时易导致uhpc横向联系构件开裂。另一方面，由于张开角度较大，导致预应力损失较大，进而降低了体外预应力的效率。此外，体外预应力束位于uhpc空心塔柱外侧，在日照、雨水等环境作用下易锈蚀，增加了预应力筋束的维护成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种uhpc格构式风电塔架的体外预应力束的布置结构、uhpc格构式风电塔架及施工方法，该体外预应力束的布置结构及施工方法通过合理的预应力束布置形式，减小由于预应力束角度变化而在uhpc横向联系构件中产生较大的水平拉力，降低uhpc横向联系构件的开裂风险，使得预应力的传递更为平顺，且降低体外预应力束的锈蚀风险。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种uhpc格构式风电塔架的体外预应力束的布置结构，所述uhpc格构式风电塔架包括多层上下堆叠设置的框架式uhpc塔柱单元与张拉设于所述框架式uhpc塔柱单元和地面基础之间的体外预应力束，所述框架式uhpc塔柱单元包括uhpc空心塔柱和uhpc空心过渡段(最上层的框架式uhpc塔柱单元可只包括uhpc空心塔柱)，所述uhpc格构式风电塔架的横截面为下大上小，所述体外预应力束设于所述uhpc空心塔柱和所述uhpc空心过渡段交替连接而成的空心管内，所述空心管内设有用于所述体外预应力束锚固和/或转向的锚固/转向块。

4、本发明中，锚固/转向块可兼具锚固和转向的功能，当作用于该层(即该锚固/转向块设置的框架式uhpc塔柱单元)的体外预应力束时，可当着锚固块，当作用于该层上方的体外预应力束时，可当着转向块。

5、上述布置结构中，优选的，当任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束可以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部时，该层所述框架式uhpc塔柱单元中设有一个锚固/转向块，当任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束不可以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部时，该层所述框架式uhpc塔柱单元中设有两个或多个锚固/转向块。

6、本发明中，通过设置锚固/转向块的目的是用于使体外预应力束在空心管内转向，锚固/转向块设置的原则是保证体外预应力束以小倾斜角度设置在空心管内，显著降低体外预应力束在转向位置的转角，使体外预应力的传递更为平顺，减少预应力损失。当uhpc空心过渡段的相比于竖向中心线的倾斜角度不大，且uhpc空心过渡段的长度不长时，每层框架式uhpc塔柱单元内设置一个锚固/转向块即可满足本发明对体外预应力束布置的要求。当uhpc空心过渡段的相比于竖向中心线的倾斜角度较大，且uhpc空心过渡段的长度较长时，每层框架式uhpc塔柱单元内设置一个锚固/转向块，可能不能满足本发明对体外预应力束布置的要求，此时，体外预应力束不可以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部，此时需要设置两个锚固/转向块，使体外预应力束呈一根张紧状态的折线。

7、上述布置结构中，优选的，所述uhpc空心塔柱竖向设置，所述uhpc空心过渡段倾斜设置，每个所述uhpc空心过渡段处均设有一个锚固/转向块，且任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部。上述一个锚固/转向块可设置在uhpc空心过渡段的上部位置，此时，每层框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束均呈一根倾斜的直线位于该层框架式uhpc塔柱单元内部，中间各层框架式uhpc塔柱单元内部的体外预应力束可平行设置。

8、上述布置结构中，优选的，所述uhpc空心塔柱竖向设置，所述uhpc空心过渡段倾斜设置，每个所述uhpc空心过渡段处均设有两个锚固/转向块，且最上方所述框架式uhpc塔柱单元下的任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束以一根张紧状态的折线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部。上述两个锚固/转向块可设置在uhpc空心过渡段的上部和下部位置，此时，每层框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束均呈一折线位于该层框架式uhpc塔柱单元内部，中间各层框架式uhpc塔柱单元内部的体外预应力束的布置方式可保持相同。

9、上述布置结构中，优选的，最上层所述uhpc空心塔柱的内腔上端设有上锚固端，地面基础上设有下锚固端，所述下锚固端的位置位于最下层所述uhpc空心塔柱的内腔下部，最上层所述uhpc空心塔柱内的体外预应力束的上端锚固设于所述上锚固端，且该体外预应力束沿所述uhpc空心塔柱内壁竖直设置，最下层所述uhpc空心塔柱内的体外预应力束的下端锚固设于所述下锚固端，且该体外预应力束倾斜设置或沿所述uhpc空心塔柱内壁竖直设置，中间层所述uhpc空心塔柱内的体外预应力束倾斜设置，位于所述uhpc空心过渡段内的体外预应力束倾斜设置。最下层所述uhpc空心塔柱内的体外预应力束的设置方式可根据下锚固端的位置而定，更优选的方案中，下锚固端位于其上方最近的一个锚固/转向块下方，这样最下方的uhpc空心塔柱内的体外预应力束沿uhpc空心塔柱内壁竖直设置，这样可减少最下方的体外预应力束的转角。更优选的方案中，上锚固端位于其下方最近的一个锚固/转向块上方，这样最上方的uhpc空心塔柱内的体外预应力束沿uhpc空心塔柱内壁竖直设置，这样可减少最上方的体外预应力束的转角。

10、上述布置结构中，优选的，所述uhpc空心过渡段在其和所述uhpc空心塔柱相接处设有横隔板，所述横隔板的边缘局部加厚得到所述锚固/转向块。上述锚固/转向块的设置方式即相当于是将横隔板与锚固/转向块集成于一体，一方面有利于施工预制，搭设模具更加方便，另一方面，锚固/转向块需要承受体外预应力束的力，将锚固/转向块集成于横隔板，更有利于锚固/转向块上承受的力的传递与分散，可以保证锚固/转向块处的受力性能，保证将体外预应力束由外部设置到空心管内部时的受力性能。

11、上述布置结构中，优选的，所述锚固/转向块上开设有多个用于体外预应力束穿过的通孔，所述通孔沿所述横隔板的边缘均匀开设，各层所述框架式uhpc塔柱单元对应的体外预应力束交错布置穿过所述通孔。各层框架式uhpc塔柱单元对应的体外预应力束交错布置，有利于保证锚固/转向块处受力分散，整体受力性能更好。

12、上述布置结构中，优选的，相邻所述uhpc空心过渡段通过横向联系构件相连，相邻所述uhpc空心过渡段之间设有水平预应力束，所述水平预应力束位于所述横向联系构件内。通过设置水平预应力束，可进一步降低uhpc横向联系构件在水平拉力作用下的开裂风险。

13、上述布置结构中，优选的，所述锚固/转向块上预设有预先弯折的转向器。

14、上述布置结构中，优选的，所述空心管内设有减震器，所述减震器与所述体外预应力束相连。

15、上述布置结构中，体外预应力束和水平预应力束为钢束或碳纤维束，由若干股组成，具体股数则由计算确定。

16、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种uhpc格构式风电塔架，所述uhpc格构式风电塔架包括多层上下堆叠设置的框架式uhpc塔柱单元与张拉设于所述框架式uhpc塔柱单元和地面基础之间的体外预应力束，所述体外预应力束采用上述的布置结构。

17、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的uhpc格构式风电塔架的施工方法，包括以下步骤：

18、s1：施工uhpc格构式风电塔架的地面基础，并在地面基础中预设下锚固端；

19、s2：预制所述uhpc空心塔柱和所述uhpc空心过渡段，并在所述uhpc空心过渡段中预制得到锚固/转向块，在最上层所述uhpc空心塔柱的内腔上端预制施工上锚固端；

20、s3：在地面基础上施工下方第一层所述框架式uhpc塔柱单元，当下方第一层所述框架式uhpc塔柱单元施工完毕后，张拉该层的体外预应力束，该体外预应力束的下端锚固设于所述下锚固端上，上端锚固设于下方第一层所述框架式uhpc塔柱单元中的所述uhpc空心过渡段的锚固/转向块上；

21、s4：在下方第一层所述框架式uhpc塔柱单元上施工下方第二层所述框架式uhpc塔柱单元，施工完毕后，张拉该层的体外预应力束，该体外预应力束的下端锚固设于所述下锚固端上，中部穿过下方第一层所述框架式uhpc塔柱单元中的所述uhpc空心过渡段的锚固/转向块，上端锚固设于下方第二层所述框架式uhpc塔柱单元中的所述uhpc空心过渡段的锚固/转向块上；

22、s5：重复步骤s4，直至完成最上层所述uhpc空心塔柱的施工，再张拉该层的体外预应力束，该层的体外预应力束的下端锚固设于所述下锚固端上，中部穿过中间各层所述框架式uhpc塔柱单元中的所述uhpc空心过渡段的锚固/转向块，上端锚固设于所述上锚固端；

23、s6：在最上层所述uhpc塔柱单元上安装附属件及塔筒，即完成施工。

24、上述施工方法中，体外预应力束张拉时，可两端张拉或一端张拉，各层体外预应力束的起点为上锚固端或锚固/转向块、终点为下锚固端，中间经过由若干个锚固/转向块实现体外预应力束的转向。在施工uhpc空心过渡段时，在相邻uhpc空心过渡段之间张拉水平预应力束。

25、本发明的uhpc格构式风电塔架的体外预应力束的布置结构，体外预应力束设于所述uhpc空心塔柱和所述uhpc空心过渡段交替连接而成的空心管内，同时，对体外预应力束的锚固和转向位置进行优化，以降低体外预应力束的转向次数，显著降低体外预应力束在锚固位置或转向位置的转角，uhpc风电塔架中体外预应力的传递更为平顺，可减少预应力损失，且能够降低竖向预应力束转向在横向联系构件中引起的水平拉力，降低结构的开裂风险，特别适用于大弯折uhpc空心塔柱的预应力布置。

26、与现有技术相比，本发明的优点在于：

27、1、现有技术中的uhpc风电塔架的体外预应力束锚固块和转向块均设置在uhpc横向连接构件顶面，即位于uhpc塔柱单元之外，导致体外预应力转角较大，不仅预应力损失增大，且体外预应力筋束转角在uhpc横向联系构件中产生较大的水平分力，当水平分力为拉力时，易导致uhpc横向联系构件开裂；本发明将体外预应力束布置在uhpc空心塔柱和uhpc空心过渡段交替连接而成的空心管内，显著降低了体外预应力束的转角，使得预应力传递更为平顺，进而显著减小预应力损失、提升预应力效率，且能够降低体外预应力束转向在横向联系构件中引起的水平拉力，降低结构的开裂风险。

28、2、现有技术中的uhpc风电塔架的体外预应力束均位于框架式uhpc塔柱单元之外，暴露在环境中，在日照、雨水等环境作用下易发生侵蚀，导致运维成本增加；本发明将体外预应力束布置在在uhpc空心塔柱和uhpc空心过渡段交替连接而成的空心管内，空心管为预应力束提供了防护，进而有效降低了体外预应力束的锈蚀风险，且能够进一步降低维护成本。

技术特征：

1.一种uhpc格构式风电塔架的体外预应力束的布置结构，所述uhpc格构式风电塔架包括多层上下堆叠设置的框架式uhpc塔柱单元与张拉设于所述框架式uhpc塔柱单元和地面基础(1)之间的体外预应力束(4)，所述框架式uhpc塔柱单元包括uhpc空心塔柱(2)和uhpc空心过渡段(3)，所述uhpc格构式风电塔架的横截面为下大上小，其特征在于，所述体外预应力束(4)设于所述uhpc空心塔柱(2)和所述uhpc空心过渡段(3)交替连接而成的空心管内，所述空心管内设有用于所述体外预应力束(4)锚固和/或转向的锚固/转向块(13)。

2.根据权利要求1所述的布置结构，其特征在于，当任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束(4)可以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部时，该层所述框架式uhpc塔柱单元中设有一个锚固/转向块(13)，当任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束(4)不可以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部时，该层所述框架式uhpc塔柱单元中设有两个或多个锚固/转向块(13)。

3.根据权利要求2所述的布置结构，其特征在于，所述uhpc空心塔柱(2)竖向设置，所述uhpc空心过渡段(3)倾斜设置，每个所述uhpc空心过渡段(3)处均设有一个锚固/转向块(13)，且任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束(4)以一根张紧状态的直线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部。

4.根据权利要求2所述的布置结构，其特征在于，所述uhpc空心塔柱(2)竖向设置，所述uhpc空心过渡段(3)倾斜设置，每个所述uhpc空心过渡段(3)处均设有两个锚固/转向块(13)，且最上方所述框架式uhpc塔柱单元下的任意一层所述框架式uhpc塔柱单元中的体外预应力束(4)以一根张紧状态的折线位于该层所述框架式uhpc塔柱单元内部。

5.根据权利要求3或4所述的布置结构，其特征在于，最上层所述uhpc空心塔柱(2)的内腔上端设有上锚固端(5)，地面基础(1)上设有下锚固端(6)，所述下锚固端(6)的位置位于最下层所述uhpc空心塔柱(2)的内腔下部，最上层所述uhpc空心塔柱(2)内的体外预应力束(4)的上端锚固设于所述上锚固端(5)，且该体外预应力束(4)沿所述uhpc空心塔柱(2)内壁竖直设置，最下层所述uhpc空心塔柱(2)内的体外预应力束(4)的下端锚固设于所述下锚固端(6)，且该体外预应力束(4)倾斜设置或沿所述uhpc空心塔柱(2)内壁竖直设置，中间层所述uhpc空心塔柱(2)内的体外预应力束(4)倾斜设置，位于所述uhpc空心过渡段(3)内的体外预应力束(4)倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的布置结构，其特征在于，所述uhpc空心过渡段(3)在其和所述uhpc空心塔柱(2)相接处设有横隔板(7)，所述横隔板(7)的边缘局部加厚得到所述锚固/转向块(13)。

7.根据权利要求6所述的布置结构，其特征在于，所述锚固/转向块(13)上开设有多个用于体外预应力束(4)穿过的通孔，所述通孔沿所述横隔板(7)的边缘均匀开设，各层所述框架式uhpc塔柱单元对应的体外预应力束(4)交错布置穿过所述通孔。

8.根据权利要求1-4、6或7中任一项所述的布置结构，其特征在于，相邻所述uhpc空心过渡段(3)通过横向联系构件(8)相连，相邻所述uhpc空心过渡段(3)之间设有水平预应力束(9)，所述水平预应力束(9)位于所述横向联系构件(8)内。

9.一种uhpc格构式风电塔架，所述uhpc格构式风电塔架包括多层上下堆叠设置的框架式uhpc塔柱单元与张拉设于所述框架式uhpc塔柱单元和地面基础(1)之间的体外预应力束(4)，其特征在于，所述体外预应力束(4)采用权利要求1-8中任一项所述的布置结构。

10.一种如权利要求9所述的uhpc格构式风电塔架的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种UHPC格构式风电塔架的体外预应力束的布置结构，UHPC格构式风电塔架包括多层上下堆叠设置的框架式UHPC塔柱单元与张拉设于框架式UHPC塔柱单元和地面基础之间的体外预应力束，框架式UHPC塔柱单元包括UHPC空心塔柱和UHPC空心过渡段，体外预应力束设于UHPC空心塔柱和UHPC空心过渡段交替连接而成的空心管内，空心管内设有锚固/转向块。本发明还提供一种UHPC格构式风电塔架及其施工方法。本发明的布置结构可减小由于预应力束角度变化而在UHPC横向联系构件中产生较大的水平拉力，降低UHPC横向联系构件的开裂风险，使得预应力的传递更为平顺，且降低体外预应力束的锈蚀风险。

技术研发人员：曹君辉,邵旭东,孙璇,罗敏,郭健
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23