海上风机预应力装配式UHPC支撑结构及其施工方法

海上风机预应力装配式uhpc支撑结构及其施工方法
技术领域
1.本技术属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种海上风机预应力装配式uhpc支撑结构及其施工方法。


背景技术：

2.为了更高效利用风能，更大容量(≥10mw)海上固定式风力发电机已成为全球风电市场的重要增长点，其支撑结构在泥线以上的高度通常大于150m。大容量海上风力机的支撑结构承受巨大的风致往复荷载、波浪荷载、自重荷载，加之自身属于柔性结构，会发生大幅度长期振动并一直处于复杂受力状态。因此，需要保证支撑机构具有足够的强度、刚度及抗疲劳性能，才能保证上部风电机组的长期平稳运行，产生经济效益。
3.目前，应用较多的海上固定式风力机支撑结构形式多为薄壁圆钢筒，而钢材在海水环境下易腐蚀，维护成本高，因而海上风电开发的大量成本被用于解决钢材腐蚀问题。若仍将薄壁圆钢筒应用于更高容量的海上风力机上，会有造价过高、刚度过低、抗疲劳能力不足等缺陷。
4.在此背景下，为进一步提高海上风力机支撑结构的经济性及耐久性，很有必要发展基于新材料及新结构体系的新型海上风力机支撑结构，提高安全性及耐久性，降低建造及维护成本。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的是提供一种海上风机预应力装配式uhpc支撑结构及其施工方法，其克服了传统海上钢结构风电支撑结构耐久性能、经济性等方面的不足，因此，可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
7.一种海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，包括从下至上依次设置的基桩、预制uhpc塔筒以及钢塔筒，所述预制uhpc塔筒套设于所述基桩上，所述基桩与所述预制uhpc塔筒通过灌浆节点固定连接，所述预制uhpc塔筒与所述钢塔筒通过预应力筋连接。
8.可选的，所述预制uhpc塔筒包括与所述基桩通过灌浆节点固定连接的整体预制uhpc塔筒和连接所述整体预制uhpc塔筒和所述钢塔筒的分段预制uhpc塔筒。
9.可选的，所述整体预制uhpc塔筒包括两端开口的第一筒身、设置于所述第一筒身的顶部开口端的第一横肋、沿第一筒身轴线方向贯穿所述第一筒身的第一预应力孔道以及沿第一筒身轴线方向贯穿所述第一横肋的第二预应力孔道，所述预应力筋包括设置于所述第一预应力孔道内以用于在所述整体预制uhpc塔筒的上下端进行自锚固的第一预应力筋。
10.可选的，所述第一预应力孔道的数量为多个，且多个所述第一预应力孔道沿所述第一筒身的周向方向均匀间隔设置。
11.可选的，所述第二预应力孔道的数量为多个，且多个所述第二预应力孔道沿所述第一横肋的周向方向均匀间隔设置。
12.可选的，所述分段预制uhpc塔筒由多个uhpc塔筒节段组成，每个所述uhpc塔筒节段由两个半圆形uhpc预制段拼接形成。
13.可选的，所述半圆形uhpc预制段包括半圆形第二筒身、设置于所述第二筒身顶部和底部的第二横肋、沿第二筒身轴线方向设置并连接所述第二横肋的纵肋以及沿第二筒身轴线方向贯穿所述第二横肋的第三预应力孔道，所述预应力筋还包括一端穿过所述第三预应力孔道另一端穿过所述第二预应力孔道的第二预应力筋，所述第二预应力筋将所述分段预制uhpc塔筒与所述整体预制uhpc塔筒固定连接。
14.可选的，所述半圆形uhpc预制段沿圆周方向上的两端的端面上，凹陷形成沿所述半圆形uhpc预制段轴线方向延伸的竖向缝，所述竖向缝内插设有纵筋、箍筋且灌注uhpc。
15.本技术实施例还提供了一种所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构的施工方法，包括：
16.步骤s1：在工厂预制钢塔筒、基桩、整体预制uhpc塔筒以及分段预制uhpc塔筒，并在整体预制uhpc塔筒中通过第一预应力筋施加预应力进行自锚固，随后将钢塔筒、基桩、整体预制uhpc塔筒以及若干节段的分段预制uhpc塔筒运输至安装地点；
17.步骤s2：将基桩打压至预定位置，并吊装整体预制uhpc塔筒至泥线位置，随后在整体预制uhpc塔筒与基桩连接处灌浆；
18.步骤s3：吊装分段预制uhpc塔筒的两个半圆形uhpc预制段至整体预制uhpc塔筒的顶面，并通过竖向缝将两半圆形uhpc预制段装配为整个圆节段，随后再吊装若干节段的uhpc塔筒节段并通过水平缝连接；
19.步骤s4：吊装钢塔筒至分段预制uhpc塔筒的顶部，通过预应力筋将钢塔筒、分段预制uhpc塔筒及整体预制uhpc塔筒连接为整体。
20.本技术的有益效果在于：
21.1、预制uhpc塔筒采用分段预应力技术，有效保证了塔筒中预应力的连续，能有效提高风力机支撑结构的整体刚度、强度和抗疲劳性能。
22.2、在分段预制uhpc塔筒中设置横肋及纵肋，便于布置第二预应力筋，能显著提高塔筒刚度及强度，另外，还可以使得塔筒壁厚更薄。
23.3、采用预制uhpc塔筒，由于uhpc具有超高的致密性，能够有效防止水及氯离子渗透，避免内部预应力筋的锈蚀与腐蚀；同时，uhpc在海洋环境下的使用寿命远大于普通钢结构，可提高现有海上风力机支撑结构的使用寿命。
24.4、采用分段预应力技术，使得整体预制uhpc塔筒的底部与基桩能够通过灌浆节点连接，其顶部与上部结构通过预应力连接，避免了水下预应力施工，有效提高施工效率；同时，uhpc的密度约为钢材的1/3，由于其优异的抗压性能及良好的抗拉性能，结合预应力筋施加的预压应力，使得本技术的预制uhpc塔筒横截面尺寸及壁厚相对较小，预制节段自重较轻，预制过程简单，便于运输与现场吊装。
25.5、相比于钢结构风力机支撑结构，相同荷载下预应力uhpc支撑结构的造价低约30％，同时还有优异的抗疲劳及抗冲击性能，且在碳排放方面具有显著优势；此外，本技术避免了服役阶段钢结构风力机支撑结构严重的海水腐蚀问题，有效减少风力机支撑结构运营维护成本，有很高的经济效益和社会效益。
26.6、整体预制uhpc塔筒采用自锚固技术，使得其具有足够的强度连接上部的分段预
制uhpc塔筒。
27.7、预制uhpc塔筒中无需设置钢筋，可简化构件预制及装配过程。
附图说明
28.图1是本技术实施例提供的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构的整体结构示意图；
29.图2本技术实施例提供的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构的剖面结构示意图；
30.图3是本技术实施例提供的整体预制uhpc塔筒的立体结构示意图；
31.图4图3中a部分的放大图；
32.图5是本技术实施例提供的第一预应力筋的结构示意图；
33.图6是本技术实施例提供的半圆形uhpc预制段的结构示意图；
34.图7是本技术实施例提供的第二预应力筋的结构示意图；
35.图8是本技术实施例提供的两个半圆形uhpc预制段合拢后的竖向缝的结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
38.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构进行详细地说明。
39.请参见图1和2所示，本技术实施例1提供了一种海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，包括从下至上依次设置的基桩1、预制uhpc塔筒2以及钢塔筒3，所述预制uhpc塔筒2套设于所述基桩1上，所述基桩1与所述预制uhpc塔筒2通过灌浆节点固定连接，所述预制uhpc塔筒2与所述钢塔筒3通过预应力筋连接。
40.所述基桩1打压至设计位置，顶部伸出泥线外，然后吊装所述预制uhpc塔筒2至泥线处，在所述基桩1与所述预制uhpc塔筒2连接处浇灌高强砂浆。
41.所述预制uhpc塔筒2包括与所述基桩1通过灌浆节点固定连接的整体预制uhpc塔筒21和连接所述整体预制uhpc塔筒21和所述钢塔筒3的分段预制uhpc塔筒22。
42.再结合图3-5所示，具体的，所述整体预制uhpc塔筒21包括两端开口的第一筒身211、设置于所述第一筒身211的顶部开口端的第一横肋212、沿第一筒身211轴线方向贯穿
所述第一筒身211的第一预应力孔道213以及沿第一筒身211轴线方向贯穿所述第一横肋212的第二预应力孔道214，所述预应力筋包括设置于所述第一预应力孔道214内以用于在所述整体预制uhpc塔筒21的上下端进行自锚固的第一预应力筋41，通过设置所述第一预应力筋41，可以实现所述整体预制uhpc塔筒21自锚固，从而显著提升其结构强度。
43.在一些实施例中，所述第一预应力孔道213的数量为多个，且多个所述第一预应力孔道213沿所述第一筒身211的周向方向均匀间隔设置。每条所述第一预应力孔道213内设置一根所述第一预应力筋41，这样，所述整体预制uhpc塔筒21的上下两端实现自锚固，整体结构强度显著提升。
44.相应的，所述第二预应力孔道214的数量为多个，且多个所述第二预应力孔道214沿所述第一横肋212的周向方向均匀间隔设置。
45.再结合图6-8所示，所述分段预制uhpc塔筒22由多个uhpc塔筒节段23组成，每个所述uhpc塔筒节段23由两个半圆形uhpc预制段24拼接形成。
46.在一些实施例中，所述uhpc塔筒节段23长度为5m～15m。
47.所述半圆形uhpc预制段24包括半圆形第二筒身241、设置于所述第二筒身241顶部和底部的第二横肋242、沿第二筒身241轴线方向设置并连接所述第二横肋242的纵肋243以及沿第二筒身241轴线方向贯穿所述第二横肋242的第三预应力孔道244，所述预应力筋还包括一端穿过所述第三预应力孔道244另一端穿过所述第二预应力孔道214的第二预应力筋42，所述第二预应力筋42将所述分段预制uhpc塔筒22与所述整体预制uhpc塔筒21固定连接。
48.所述半圆形uhpc预制段24沿圆周方向上的两端的端面上，凹陷形成有沿所述半圆形uhpc预制段24轴线方向延伸的竖向缝246，所述竖向缝246内插设有纵筋247、箍筋248且灌注uhpc。
49.进一步的，为了提高密封性，两个所述半圆形uhpc预制段24在合拢形成圆节段时，在其之间还设有弹性密封胶249，可以这样防止漏浆。
50.本技术实施例还提供了一种所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构的施工方法，包括：
51.步骤s1：在工厂预制钢塔筒3、基桩1、整体预制uhpc塔筒21以及分段预制uhpc塔筒22，并在整体预制uhpc塔筒21中通过第一预应力筋41施加预应力进行自锚固，随后将钢塔筒3、基桩1、整体预制uhpc塔筒21以及若干节段的分段预制uhpc塔筒22运输至安装地点；
52.步骤s2：将基桩1打压至预定位置，并吊装整体预制uhpc塔筒21至泥线位置，随后在整体预制uhpc塔筒21与基桩1连接处灌浆；
53.步骤s3：吊装分段预制uhpc塔筒22的两个半圆形uhpc预制段24至整体预制uhpc塔筒21的顶面，并通过竖向缝将两半圆形uhpc预制段24装配为整个圆节段，随后再吊装若干节段的uhpc塔筒节段23并通过水平缝连接；
54.步骤s4：吊装钢塔筒3至分段预制uhpc塔筒22的顶部，通过预应力筋将钢塔筒3、分段预制uhpc塔筒22及整体预制uhpc塔筒21连接为整体。
55.本技术的有益效果在于：
56.1、预制uhpc塔筒采用分段预应力技术，有效保证了塔筒中预应力的连续，能有效提高风力机支撑结构的整体刚度、强度和抗疲劳性能。
57.2、在分段预制uhpc塔筒中设置第二横肋及纵肋，便于布置第二预应力筋，能显著提高塔筒刚度及强度，另外，还可以使得塔筒壁厚更薄。
58.3、采用预制uhpc塔筒，由于uhpc具有超高的致密性，能够有效防止水及氯离子渗透，避免内部预应力筋的锈蚀与腐蚀；同时，uhpc在海洋环境下的使用寿命远大于普通钢结构，可提高现有海上风力机支撑结构的使用寿命。
59.4、采用分段预应力技术，使得整体预制uhpc塔筒的底部与基桩能够通过灌浆节点连接，其顶部与上部结构通过预应力连接，避免了水下预应力施工，有效提高施工效率；同时，uhpc的密度约为钢材的1/3，由于其优异的抗压性能及良好的抗拉性能，结合预应力筋施加的预压应力，使得本技术的预制uhpc塔筒横截面尺寸及壁厚相对较小，预制节段自重较轻，预制过程简单，便于运输与现场吊装。
60.5、相比于钢结构风力机支撑结构，相同荷载下预应力uhpc支撑结构的造价低约30％，同时还有优异的抗疲劳及抗冲击性能，且在碳排放方面具有显著优势；此外，本技术避免了服役阶段钢结构风力机支撑结构严重的海水腐蚀问题，有效减少风力机支撑结构运营维护成本，有很高的经济效益和社会效益。
61.6、整体预制uhpc塔筒采用自锚固技术，使得其具有足够的强度连接上部的分段预制uhpc塔筒。
62.7、预制uhpc塔筒中无需设置钢筋，可简化构件预制及装配过程。
63.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。

技术特征：
1.一种海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，包括从下至上依次设置的基桩、预制uhpc塔筒以及钢塔筒，所述预制uhpc塔筒套设于所述基桩上，所述基桩与所述预制uhpc塔筒通过灌浆节点固定连接，所述预制uhpc塔筒与所述钢塔筒通过预应力筋连接。2.根据权利要求1所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述预制uhpc塔筒包括与所述基桩通过灌浆节点固定连接的整体预制uhpc塔筒和连接所述整体预制uhpc塔筒和所述钢塔筒的分段预制uhpc塔筒。3.根据权利要求2所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述整体预制uhpc塔筒包括两端开口的第一筒身、设置于所述第一筒身的顶部开口端的第一横肋、沿第一筒身轴线方向贯穿所述第一筒身的第一预应力孔道以及沿第一筒身轴线方向贯穿所述第一横肋的第二预应力孔道，所述预应力筋包括设置于所述第一预应力孔道内以用于在所述整体预制uhpc塔筒的上下端进行自锚固的第一预应力筋。4.根据权利要求3所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述第一预应力孔道的数量为多个，且多个所述第一预应力孔道沿所述第一筒身的周向方向均匀间隔设置。5.根据权利要求3或4所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述第二预应力孔道的数量为多个，且多个所述第二预应力孔道沿所述第一横肋的周向方向均匀间隔设置。6.根据权利要求2所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述分段预制uhpc塔筒由多个uhpc塔筒节段组成，每个所述uhpc塔筒节段由两个半圆形uhpc预制段拼接形成。7.根据权利要求6所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述半圆形uhpc预制段包括半圆形第二筒身、设置于所述第二筒身顶部和底部的第二横肋、沿第二筒身轴线方向设置并连接所述第二横肋的纵肋以及沿第二筒身轴线方向贯穿所述第二横肋的第三预应力孔道，所述预应力筋还包括一端穿过所述第三预应力孔道另一端穿过所述第二预应力孔道的第二预应力筋，所述第二预应力筋将所述分段预制uhpc塔筒与所述整体预制uhpc塔筒固定连接。8.根据权利要求7所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构，其特征在于，所述半圆形uhpc预制段沿圆周方向上的两端的端面上，凹陷形成沿所述半圆形uhpc预制段轴线方向延伸的竖向缝，所述竖向缝内插设有纵筋、箍筋且灌注uhpc。9.一种如权利要求1-8任意一项所述的海上风机预应力装配式uhpc支撑结构的施工方法，其特征在于，包括：步骤s1：在工厂预制钢塔筒、基桩、整体预制uhpc塔筒以及分段预制uhpc塔筒，并在整体预制uhpc塔筒中通过第一预应力筋施加预应力进行自锚固，随后将钢塔筒、基桩、整体预制uhpc塔筒以及若干节段的分段预制uhpc塔筒运输至安装地点；步骤s2：将基桩打压至预定位置，并吊装整体预制uhpc塔筒至泥线位置，随后在整体预制uhpc塔筒与基桩连接处灌浆；步骤s3：吊装分段预制uhpc塔筒的两个半圆形uhpc预制段至整体预制uhpc塔筒的顶面，并通过竖向缝将两半圆形uhpc预制段装配为整个圆节段，随后再吊装若干节段的uhpc塔筒节段并通过水平缝连接；
步骤s4：吊装钢塔筒至分段预制uhpc塔筒的顶部，通过预应力筋将钢塔筒、分段预制uhpc塔筒及整体预制uhpc塔筒连接为整体。

技术总结
本申请公开了一种海上风机预应力装配式UHPC支撑结构及其施工方法，属于风力发电设备技术领域。该支撑结构包括：从下至上依次设置的基桩、预制UHPC塔筒以及钢塔筒，所述预制UHPC塔筒套设于所述基桩上，所述基桩与所述预制UHPC塔筒通过灌浆节点固定连接，所述预制UHPC塔筒与所述钢塔筒通过预应力筋连接。本申请有益效果如下：相比于钢结构风力机支撑结构，相同荷载下预应力UHPC支撑结构的造价低约30％，同时还有优异的抗疲劳及抗冲击性能，且在碳排放方面具有显著优势；此外，本申请避免了服役阶段钢结构风力机支撑结构严重的海水腐蚀问题，有效减少风力机支撑结构运营维护成本，有很高的经济效益和社会效益。有很高的经济效益和社会效益。有很高的经济效益和社会效益。


技术研发人员：周政 陈超 沈秀将 周绪红 华旭刚
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/6/26