CN114718816B - 一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，包括：根据机组参数、吊装设备、荷载水平等基本条件，以各截面承载能力、塔架频率及叶片净空是否满足设计要求为判据，确定参考项目的混塔体型及模具体系；比较新项目与参考项目的机组参数及风机荷载，保证锥度一致的前提下，通过向下(或向上)增加(或减少)数段混凝土塔筒节段的方式，确保中间大部分塔筒节段不变，以实现模具通用性设计的目的，并通过微调混凝土强度等级、预应力筋数量等，实现设计方案的经济最优化效果。本发明可适配不同高度塔筒、不同荷载水平风电机组的设计需求，设计高效、节约成本，是预制装配式混塔通用性设计的一种较优技术方案。

Description

一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法

技术领域

本发明属于陆上风电混凝土塔筒技术领域，具体涉及一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法。

背景技术

随着我国风资源的进一步开发利用，风力发电机组逐步向大功率化、高空化发展，传统全钢塔筒技术已很难满足大刚度、大直径的风力发电机组塔架需求。近几年预制装配式混塔在风电领域得到了广泛关注，这种结构下部采用混凝土塔筒，上部采用常规钢制塔筒，同时具备混凝土塔筒的刚度优势和钢塔筒的快速施工优势，可有效弥补柔性钢塔低刚度、小直径的缺点，具有向高空化发展的优势。

混塔下部的混凝土塔筒由若干中空圆台形预制塔筒段竖向连接而成，分段方式为水平分段；每一段塔筒段由多片圆弧形预制混凝土分片环向连接而成，分片方式为竖向分片。

常见混凝土塔筒主要结构型式之一为锥筒式，锥筒式塔筒各段直径由下至上递减，能够确保混凝土塔筒各截面高程处的承载能力均匀变化，不易产生应力集中。然而，因这种塔筒型式的各段尺寸均不相同，在混凝土预制生产前需要定制较多模具，且高精度的模具造价昂贵，对施工效率与成本造成一定影响。因此，如何合理设计塔筒分段及尺寸，以确保模具通用性，控制混凝土塔筒生产周期与投资成本，成为今后风电行业预制装配式混塔技术所要面临的新的挑战和难题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种分片预制装配式混塔设计方法，提出创新的设计流程，实现混凝土塔筒模具的通用性，达到经济高效的目的；设计方法可以满足不同高度塔筒的设计需求，适配不同荷载水平和单机容量的风电机组。本发明采用以下技术方案：

分片预制装配式混塔设计方法的控制性设计要素在于塔筒尺寸、混凝土强度、预应力筋张拉力值、塔架频率和风电机组净空。

一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据参考项目的机组参数、吊装设备条件，初步确定混凝土塔筒段与钢塔筒段的高度比例，并假定一个初始混凝土塔筒锥度值；

(2)根据参考项目塔筒底部的荷载水平，选择合适的混凝土强度等级及预应力筋张拉力值，计算确定混凝土塔筒段底部截面的外径、内径与壁厚；

(3)根据混凝土塔筒段高度、锥度及底部截面尺寸，计算得到选定的各不同高程的混凝土塔筒段截面尺寸，从而确定混凝土塔筒初步体型；

(4)针对初定的混凝土塔筒体型，进行所述截面承载能力校核分析；若混凝土塔筒各所述截面设计指标均满足设计要求且安全冗余度相当，则进行第(5)步；若混凝土塔筒各所述截面设计指标存在不满足设计要求或安全冗余度差别较大的情况，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒锥度、截面尺寸；

(5)混凝土塔筒段体型确定后，根据混凝土塔筒段顶部截面尺寸及风机接口法兰尺寸差值确定钢制转换段及选定的各不同高程的钢塔筒段截面直径，并根据承载能力计算确定钢板壁厚；

(6)混凝土塔筒段和钢塔筒段尺寸确定后，需复核混塔的频率以及叶片净空是否满足风电机组的设计要求，以规避混塔与风机共振或扫塔的风险；若频率和净空满足设计要求，则进行第(7)步；若不满足，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒高度、锥度、截面尺寸；

(7)为满足混凝土塔筒的正常道路运输要求，对混凝土塔筒段进行分段、分片切割，确定各分段、分片的尺寸；

(8)根据混凝土塔筒分段、分片的尺寸，设计混凝土塔筒的整套模具；通过将每一分段等分成若干分片，实现同一分段的若干分片共用同一个模具；

(9)考虑不同项目、不同机型、不同轮毂高度之间的模具通用性，针对新项目的设计，将新项目的机组参数、风机荷载与参考项目情况进行比较分析；

(10)当新项目的风机荷载与参考项目相比明显偏大或偏小时，在保证塔筒锥度不变的情况下，通过上下延伸或缩减混凝土塔筒节段以满足承载能力需求，从而实现混塔体型快速设计；也即：若新项目风机荷载偏大，在塔筒下部适当增加混凝土塔筒节段；若新项目风机荷载偏小，在塔筒下部适当减少混凝土塔筒节段，上部根据钢塔筒的承载能力以及吊装设备能力适当增加、保持不变或减少混凝土塔筒节段；

(11)新项目混塔体型确定后，根据塔筒结构承载能力冗余度情况，通过在一定范围内适当调整混凝土强度、预应力筋张拉力值，实现混凝土塔筒各分段界面的截面设计指标均满足设计要求，并达到设计方案的经济最优化效果；

(12)根据新项目混凝土塔筒节段增减情况，对少量新增的塔筒节段模具进行设计，实现大部分模具的通用性。

进一步地，上述步骤(4)中所述的设计指标包括但不限于：各截面抗弯承载力、抗倾覆稳定性、竖向承载力、水平抗剪承载力、裂缝宽度、疲劳应力水平等。

进一步地，上述步骤(7)中各分段、分片之间可采取灌浆湿式连接，也可以采取螺栓组件干式连接。

进一步地，步骤(3)、(4)中所指的各不同高程为混凝土塔筒段各分段的界面所对应的高程。

进一步地，步骤(5)中所指的各不同高程为钢制转换段界面及钢塔筒段各分段界面所对应的高程。

进一步地，除延伸或缩减混凝土塔筒节段，其它的混凝土塔筒分段使用步骤(8)所述的模具。

根据本发明目的的第二个方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法的步骤。

根据本发明目的的第三个方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法的步骤。

本发明提供的一种预制装配式混塔设计方法，便于新项目进行快速高效设计并最大化地利用参考项目的模具。进一步地，本发明的方案灵活性强，在保持塔筒锥度不变的前提下，通过向下(或向上)增加(或减少)混凝土塔筒节段数的方式，确保中间大部分塔筒节段不变，实现对不同单机容量、轮毂高度、风机荷载的风电机组的通用适配，从而保证了塔筒模具的通用性，达到高效设计的目的。

并且，本发明通过利用通用段模具生产管片，可减少新开模具的数量，大幅缩减模具的制作周期，有利于缩短混凝土塔筒管片生产工期，同时节约模具制作成本，达到降本增效的目的。

本发明的技术方案在兼顾模具通用性的同时，也可通过微调混凝土强度等级、预应力筋数量等，实现设计方案的经济最优化效果。

附图说明

图1是本发明一种预制装配式混塔设计流程图。

图2是本发明实施例中，经本发明设计方法设计的新项目和参考项目预制装配式混塔整体分段对比图。

图3是本发明实施例中混凝土塔筒分段、分片及拼接示意图。

具体实施方式

本实施例的参考项目和新项目均为轮毂高度150m的钢混组合式塔架。下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图2所示，一种分片预制装配式混塔，塔架主体结构为混凝土-钢组合式结构，以参考项目塔架为例，由上至下包括顶部钢塔筒101、钢制转换段102、混凝土塔筒103、底部中空风机基础104和预应力钢绞线系统105。混凝土塔筒103为锥筒式体型，经设计，每段高均为3.0m的锥筒段组成。钢塔筒101与钢混过渡段102通过高强螺栓组件连接，钢混过渡段102、混凝土塔筒103和中空风机基础104通过预应力钢绞线系统105进行整体连接以提高塔架整体抗弯能力。

如图1所示，本发明提供一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，该设计方法包括以下步骤：

(1)根据参考项目的机组参数与吊装设备条件，初步确定混凝土塔筒段103高度为99m，钢塔筒101与钢制转换段102高度约50m，并假定初始混凝土塔筒103锥度值为0.0175。

(2)根据参考项目塔筒底部的荷载水平，混凝土塔筒103选取强度C60的混凝土，采用24束(每束15根)预应力钢绞线105，上端锚固于钢混过渡段102的锚固法兰板，下端锚固于风机基础104牛腿底面，预应力钢绞线105环向间隔15°布置；并计算得出混凝土塔筒段103底部截面的外径7600mm、内径6800mm、壁厚400mm。

(3)根据混凝土塔筒段103高度、锥度及底部截面尺寸，计算得到各高程的截面尺寸，从而确定混凝土塔筒103的初步体型。在本实施例中，除门洞段外，混凝土塔筒段103截面外径、内径从下至上分别在7500mm～4100mm、6700mm～3300mm之间均匀变化，各段筒节壁厚均为400mm。所述各高程优选采用混凝土塔筒段各分段的界面所对应的高程，这样能优先确定每一分段上下截面尺寸，方便快速确定各分段模具尺寸。所述混凝土塔筒段各分段是指在开始步骤(3)的计算步骤前所确定的混凝土塔筒段各分段。

(4)针对初定的混凝土塔筒103体型，进行各截面承载能力校核分析；并以各截面抗弯承载力、抗倾覆稳定性、竖向承载力、水平抗剪承载力、裂缝宽度、疲劳应力水平作为设计指标，经验算本实施例中混凝土塔筒103各截面设计指标均满足设计要求且安全冗余度相当。需要说明的是，若混凝土塔筒103各截面设计指标存在不满足设计要求或安全冗余度差别较大的情况，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒103锥度、截面尺寸。

(5)混凝土塔筒段103体型确定后，根据混凝土塔筒段103顶部截面尺寸及风机接口法兰尺寸差值确定钢制转换段102及钢塔筒段101各截面的直径，并根据承载能力计算确定钢板壁厚。钢塔筒段101各截面优选为钢塔筒段各分段界面，这样能优先确定每一分段上下截面尺寸，方便快速确定各分段钢板下料尺寸。所述钢塔筒段各分段是指在开始步骤(3)的计算步骤前所确定的钢塔筒段各分段。

(6)混凝土塔筒段103和钢塔筒段101尺寸确定后，复核塔架的频率以及叶片净空是否满足风电机组的设计要求，以规避塔架与风机共振或扫塔的风险，经校核，本实施例中塔架频率与净空均满足设计要求。若不满足，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒103高度、锥度、截面尺寸。

(7)为满足混凝土塔筒103的正常道路运输要求，对混凝土塔筒段103进行分段、分片设计，确定各分段、分片的尺寸；各分段、分片之间可采取灌浆钢筋连接，也可以采取螺栓组件连接。如图3所示，在本实施例中，高度99m的混凝土塔筒103分为33段、段高均为3m的混凝土筒节107，每段筒节107由4片尺寸相同的四分之一预制管片108环向拼接而成，所有管片108尺寸满足正常道路运输要求，不存在超宽、超高以及大部件运输情况。作为优选方案，预制管片108之间通过结构胶109与弯螺栓110连接成整环，上下段混凝土塔筒筒节107通过定位销111确定安装位置后进行错缝安装。

(8)根据混凝土塔筒103分段、分片的尺寸，设计混凝土塔筒103的整套模具，包括内模112、外模113和侧模114，如图3所示；在本实施例中，通过将每一分段等分成四个分片108，实现同一分段的若干分片共用同一个模具。

(9)考虑不同项目之间的模具通用性，针对新项目的设计，将新项目的机组参数、风机荷载与参考项目情况进行比较分析。

(10)经计算，在本实施例中新项目的风机荷载与参考项目相比偏大，在保证锥度不变的情况下，在下部增加、上部减少各4段混凝土塔筒筒节(不含门洞段与最顶段)以满足承载能力需求，从而实现混塔体型快速设计。初步塔筒体型设计后，新项目混凝土塔筒段106底部截面外径8100mm，内径7300mm，壁厚400mm，第2段至第33段各高程截面外径、内径分别在8000mm～4600mm、7200mm～3800mm之间递减，各段壁厚均为400mm。

(11)本实施例中，在下增、上减各四节筒节后，新项目混凝土塔筒106结构承载能力冗余度偏小，通过在一定范围内适当调整混凝土强度(C65)和预应力筋数量(24束，每束17根)，可实现混凝土塔筒106各截面设计指标均满足设计要求。

(12)为实现模具通用性，在本实施例中，参考项目混凝土塔筒103的第2～28段与新项目混凝土塔筒106的第6～32段截面尺寸完全一致，可利用参考项目的模具浇筑生产位于新项目混凝土塔筒106中间的通用段部分，以达到节约成本、缩短工期的目的；并根据新项目混凝土塔筒节段增减情况，对少量新增的塔筒节段(第1～5段与第33段)模具进行设计。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明的设施可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。本发明的实施例可以使用现有的处理器来实现，或者由被用于此目的或其他目的用于适当系统的专用处理器来实现，或者由硬接线系统来实现。本发明的实施例还包括非暂态计算机可读存储介质，其包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质；这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或任何其他可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码，并可被由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的介质。当信息通过网络或其他通信连接(硬接线、无线或硬接线或无线的组合)传输或提供给机器时，该连接也被视为机器可读介质。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据参考项目的机组参数、吊装设备条件，初步确定混凝土塔筒段与钢塔筒段的高度比例，并假定一个初始混凝土塔筒锥度值；

(2)根据参考项目塔筒底部的荷载水平，选择合适的混凝土强度等级及预应力筋张拉力值，计算确定混凝土塔筒段底部截面的外径、内径与壁厚；

(3)根据混凝土塔筒段高度、锥度及底部截面尺寸，计算得到选定的各不同高程的混凝土塔筒段截面尺寸，从而确定混凝土塔筒初步体型；

(4)针对初定的混凝土塔筒体型，进行所述截面承载能力校核分析；若混凝土塔筒各所述截面设计指标均满足设计要求且安全冗余度相当，则进行第(5)步；若混凝土塔筒各所述截面设计指标存在不满足设计要求或安全冗余度差别较大的情况，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒锥度、截面尺寸；

(5)混凝土塔筒段体型确定后，根据混凝土塔筒段顶部截面尺寸及风机接口法兰尺寸差值确定钢制转换段及选定的各不同高程的钢塔筒段截面直径，并根据承载能力计算确定钢板壁厚；

(6)混凝土塔筒段和钢塔筒段尺寸确定后，需复核混塔的频率以及叶片净空是否满足风电机组的设计要求，以规避混塔与风机共振或扫塔的风险；若频率和净空满足设计要求，则进行第(7)步；若不满足，则返回第(1)步，调整塔筒体型参数，包括混凝土塔筒高度、锥度、截面尺寸；

(7)为满足混凝土塔筒的正常道路运输要求，对混凝土塔筒段进行分段、分片切割，确定各分段、分片的尺寸；

(8)根据混凝土塔筒分段、分片的尺寸，设计混凝土塔筒的整套模具；通过将每一分段等分成若干分片，实现同一分段的若干分片共用同一个模具；

(9)考虑不同项目、不同机型、不同轮毂高度之间的模具通用性，针对新项目的设计，将新项目的机组参数、风机荷载与参考项目情况进行比较分析；

(10)当新项目的风机荷载与参考项目相比偏大或偏小时，在保证塔筒锥度不变的情况下，通过上下延伸或缩减混凝土塔筒节段以满足承载能力需求，从而实现混塔体型快速设计；也即：若新项目风机荷载偏大，在塔筒下部适当增加混凝土塔筒节段；若新项目风机荷载偏小，在塔筒下部适当减少混凝土塔筒节段，上部根据钢塔筒的承载能力以及吊装设备能力适当增加、保持不变或减少混凝土塔筒节段；

(11)新项目混塔体型确定后，根据塔筒结构承载能力冗余度情况，通过在一定范围内适当调整混凝土强度、预应力筋张拉力值，实现混凝土塔筒各分段界面的截面设计指标均满足设计要求，并达到设计方案的经济最优化效果；

(12)根据新项目混凝土塔筒节段增减情况，对少量新增的塔筒节段模具进行设计，实现大部分模具的通用性。

2.根据权利要求1所述的一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：上述步骤(4)中所述的设计指标包括：各截面抗弯承载力、抗倾覆稳定性、竖向承载力、水平抗剪承载力、裂缝宽度、疲劳应力水平。

3.根据权利要求1所述的一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：上述步骤(7)中各分段、分片之间采取灌浆湿式连接，或采取螺栓组件干式连接。

4.根据权利要求1所述的一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：步骤(3)、(4)中所指的各不同高程为混凝土塔筒段各分段的界面所对应的高程。

5.根据权利要求1所述的一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：步骤(5)中所指的各不同高程为钢制转换段界面及钢塔筒段各分段界面所对应的高程。

6.根据权利要求1所述的一种考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法，其特征在于：除延伸或缩减混凝土塔筒节段，其它的混凝土塔筒分段使用步骤(8)所述的模具。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法的步骤。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的考虑模具通用性的分片预制装配式混塔设计方法的步骤。