一种应用于海上风电塔的新型支撑结构

1.本实用新型属于风电技术领域，具体涉及一种应用于海上风电塔的新型支撑结构。


背景技术：

2.风电支撑结构的研究已较多且有多种不同的结构型式。纤维增强复合材料在风机叶片中已有较成熟的应用。目前纤维增强复合材料对混凝土和钢管混凝土的约束效应已有较充分的研究，并已提出了大量的力学模型。但是这些研究主要集中在桥梁、房屋建筑领域，较少涉及风电支撑结构。在海工结构领域，海水海砂混凝土本身有一定的研究，一般认为其与普通混凝土的性能接近，但是需考虑海水海砂的腐蚀作用，纤维增强复合材料因其天然的抗腐蚀性能，在该领域将有广阔的应用前景。
3.目前纤维增强复合材料管混凝土芯柱-钢管混凝土组合柱还无工程应用，但已有个别试验研究。feng et al(2015)提出将frp管混凝土芯柱内嵌在矩形钢管混凝土中并进行了短柱轴压试验，由于约束效应，芯柱部分的抗压承载力有较大幅度的提高。由于纤维增强复合材料耐腐蚀，芯柱内的混凝土可以采用海水海砂混凝土。li and zhao (2020)对圆形不锈钢管混凝土柱内嵌纤维增强复合材料管芯柱的短柱进行了轴压试验并提出计算方法。纤维增强复合材料在桩基础中应用也有一定的研究，主要包括纤维增强复合材料拉挤成型的frp管约束混凝土和frp管约束钢管混凝土（guades et al.2012，abyaneh et al. 2020）。纤维增强复合材料管混凝土桩也有个别应用，例如直径为625 mm的纤维增强复合材料管混凝土桩已成功应用于高速公路桥梁的基础（fam et al.2003）。
4.纯纤维增强复合材料结构具有有自重小、抗拉强度高、耐腐蚀、耐疲劳等优良的性能优势，但是同时存在造价高、抗压强度低和节点构造的设计施工困难等局限性。纯钢管结构在海水的腐蚀环境表现效果较差，且造价高昂。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种应用于海上风电塔的新型支撑结构，该支撑结构一方面可以改善体系的受力性能，另一方面还可以提高体系在海洋环境中的抗腐蚀性能。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种应用于海上风电的新型支撑结构，自下而上依次由基础段、钢制塔筒组成，或者由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒组成；所述的基础段、格构式或框架式支撑段采用钢结构，或者钢管混凝土组合构件、纤维增强复合材料-混凝土组合构件、纤维增强复合材料-钢管混凝土组合构件和纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件中的任意一种。
7.优选地，所述的钢管-混凝土组合构件由内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒和不锈钢管，或者普通混凝土和钢管。
8.优选地，所述的纤维增强复合材料-混凝土组合构件由内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒或者普通混凝土，以及纤维增强复合材料管。
9.优选地，所述的纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件由内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒、纤维增强复合材料管、普通混凝土、钢管。
10.优选地，所述的纤维增强复合材料-钢管混凝土组合构件内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒、不锈钢管、纤维增强复合材料布；或者普通混凝土、钢管、纤维增强复合材料布；所述纤维增强复合材料布缠绕包裹在钢管或不锈钢管的外部。
11.优选地，由基础段、钢制塔筒段组成的支撑结构中，所述的基础段为单桩基础、群桩基础、导管架基础、漂浮式基础、半潜式基础或张力腿基础中的任意一种。
12.优选地，由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段组成的支撑结构中，所述的基础段为群桩基础、漂浮式基础、半潜式基础或张力腿基础中的任意一种。
13.本实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构，改善了海上风电塔在海水环境中的使用性能，在满足风电塔各项正常功能的前提下，具有增加风电塔使用寿命、安装便捷、节约成本的优点。
附图说明
14.图1（1）-图1（6）为本实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构中基础段的各种具体结构形式示意图，其中：图1（1）为群桩基础；图1（2）为单桩基础；图1（3）为漂浮式基础；图1（4）半潜式基础；图1（5）为张力腿式基础；图1（6）导管架基础；
15.图2为叶片机组及钢制塔筒的结构示意图；
16.图3为格构式支撑的结构示意图；
17.图4为两种不同的钢管-纤维增强复合材料-混凝土组合构件的截面示意图；（1）为其中一种组合构件；（2）为另一种组合构件；
18.图5为两种不同的钢管-混凝土组合构件的截面示意图；（1）为其中一种组合构件；（2）为另一种组合构件；
19.图6为两种不同的纤维增强复合材料-混凝土组合构件的截面示意图；（1）为其中一种组合构件；（2）为另一种组合构件；
20.图7为纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件的截面示意图；
21.图8为本实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构的其中一个较佳实施例；
22.图9为实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构的另一较佳实施例；
23.图10为实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构的另一较佳实施例；
24.图11为实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构的另一较佳实施例；
25.图中，001：海水海砂混凝土；002：纤维增强复合材料管；003：普通混凝土；004：钢管；005：不锈钢管；006：纤维增强复合材料布；007：群桩基础；008：格构式支撑；009为钢制塔筒；010：单桩基础，011：漂浮式基础；012：半潜式基础；013：张力腿式基础；014：导管架基础。
具体实施方式
26.下面将结合附图，对本发明实施例进行详细说明，该说明仅为本发明的新型支撑结构的较佳实施例之一，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内
所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
27.本实用新型提供一种应用于海上风电塔的新型支撑结构，该支撑结构沿高度方向可分为基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段这三部分；或基础段和钢制塔筒段两部分。
28.其中，由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段这三部分组成的支撑结构中，基础段可以采用群桩基础007、漂浮式基础011、半潜式基础012或张力腿基础013中的任意一种。
29.由基础段和钢制塔筒段两部分组成的支撑结构中，基础段可以采用单桩基础010、群桩基础007、导管架基础014、漂浮式基础011、半潜式基础012或张力腿基础013中的任意一种。
30.在本实用新型的一些实施例中，基础段、格构式或框架式支撑段可以采用如图4所示的钢管-纤维增强复合材料-混凝土组合构件，该组合构件从内到外依次为：海水海砂混凝土001、不锈钢管005、纤维增强复合材料布006，如图4中（1） 所示；或者普通混凝土003、钢管004、纤维增强复合材料布006，如图4中（2）所示。
31.在本实用新型的一些实施例中，基础段、格构式或框架式支撑段可以采用如图5所示的钢管-混凝土组合构件，该组合构件从内到外依次为：海水海砂混凝土实心筒001、不锈钢管005，如图5中（1）所示；或者普通混凝土003、钢管004，如图5中（2）所示。
32.在本实用新型的一些实施例中，基础段、格构式或框架式支撑段可以采用如图6所示的纤维增强复合材料-混凝土组合构件，该组合构件从内到外依次为：海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002，如图6中（1）所示；或者普通混凝土003、纤维增强复合材料管002，如图6中（2）所示。
33.在本实用新型的一些实施例中，基础段、格构式或框架式支撑段可以采用如7所示的纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件，该组合构件从内到外依次为：海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、普通混凝土003、钢管004。
34.在本实用新型的一些实施例中，基础段和格构式或框架式支撑段的组合构件可以采用相同的结构形式，也可以采用不同的结构形式。
35.其中，海水海砂混凝土实心筒001采用海水海砂作为混凝土原料，可节省运输成本，节约淡水资源，保护生态环境。
36.纤维增强复合材料具有较优异的耐腐蚀性，且同时兼具高强重比，易于施工等特性，将纤维增强复合材料替代钢材作为增强材料与海水海砂混凝土相结合，可消除钢材锈蚀的问题。纤维增强复合材料管002和纤维增强复合材料布006，其材料可采用碳纤维（cfrp）、玻璃纤维（gfrp）或芳纶纤维（afrp），在进一步的实施例中，可采用复合纤维来提高其性能并降低造价。
37.实施例1 如图8所示，为本实用新型的一种较佳实施例。本实施例中，支撑结构包括下部的群桩基础007，中部的格构式支撑008，上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，群桩基础007采用海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002构成的组合构件。格构式支撑008采用内层海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、外层普通混凝土003、钢管004组成的组合构件。
38.其中，海水海砂混凝土实心筒001和纤维增强复合材料管002构成的组合构件由工
厂预制，沉桩后，通过转换连接件与格构式支撑008的底部连接。
39.纤维增强复合材料管002、普通混凝土003和钢管004可由工厂预制，先由预制构件搭建格构式支撑008的骨架，再现场浇筑海水海砂混凝土实心筒001。也可都采用预制的方式，进一步保证施工质量和施工的便利性。构件之间通过钢管004焊接连接。
40.实施例2为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中的支撑结构，基本结构与实施例1相同，所不同的是，群桩基础007采用纤维增强复合材料布006全包裹海水海砂混凝土实心筒001的组合构件，且可以采用底层全包裹，外层条带约束的复合包裹形式，改善纤维增强复合材料约束海水海砂混凝土柱脆性破坏特性。
41.实施例3如图9所示，为本实用新型的较佳实施例。本实施例中的支撑结构，基本结构与实施例1相同，所不同的是，本实施例中采用漂浮式基础011代替群桩基础007。在其他一些实施例中，也可以采用半潜式基础012、张力腿式基础013代替群桩基础007。本实施例中，漂浮式基础011采用海水海砂混凝土实心筒001和不锈钢管005组成的组合构件。
42.实施例4如图10所示，为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中，支撑结构包括下部的单桩基础010和上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，单桩基础010采用海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002构成的组合构件或者普通混凝土003、钢管004构成的组合构件。
43.实施例5如图11所示，为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中，支撑结构包括下部的导管架基础014和上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，导管架基础014上部的格构式结构采用内层海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、外层普通混凝土003、钢管004组成的组合构件，导管架基础014下部的支柱采用普通混凝土003、钢管004构成的组合构件。
44.实施例6为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中的支撑结构包括下部的半潜式基础012和上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，半潜式基础012采用内层海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、外层普通混凝土003、钢管004组成的组合构件，或者采用普通混凝土003、钢管004构成的组合构件。
45.实施例7为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中的支撑结构包括下部的张力腿式基础013和上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，张力腿式基础013采用内层海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、外层普通混凝土003、钢管004组成的组合构件，或者采用普通混凝土003、钢管004构成的组合构件。
46.实施例8为本实用新型的另一较佳实施例。本实施例中的支撑结构包括下部漂浮式基础011和上部的钢制塔筒009及叶片机组。其中，半潜式基础012采用内层海水海砂混凝土实心筒001、纤维增强复合材料管002、外层普通混凝土003、钢管004组成的组合构件，或者采用普通混凝土003、钢管004构成的组合构件。
47.本实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构，工作原理为：在组合式构件受压时，纤维增强复合材料作为横向约束布置在海水海砂混凝土柱的环向能够大幅度提高构件的极限强度与变形能力。随着海水海砂混凝土轴压变形越来越大，钢管层也开始发挥侧向约束作用，海水海砂混凝土实心筒的强度和变形能力得到了进一步的增强。在组合式构件受拉时，钢管层的存在使组合结构不至于发生脆性破坏。
48.虽然已经参照本实用新型的示例性实例具体示出和描述了本实用新型，但是本领
域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式或细节的各种改变。

技术特征：
1.一种应用于海上风电塔的新型支撑结构，自下而上依次由基础段、钢制塔筒段组成，或者由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段组成，其特征在于：所述的基础段、格构式或框架式支撑段采用纤维增强复合材料-混凝土组合构件、纤维增强复合材料-钢管混凝土组合构件和纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件中的任意一种；所述的纤维增强复合材料-混凝土组合构件由内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒或者普通混凝土，以及纤维增强复合材料管；所述的纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件由内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒、纤维增强复合材料管、普通混凝土、钢管；所述的纤维增强复合材料-钢管混凝土组合构件内到外依次包括：海水海砂混凝土实心筒、不锈钢管、纤维增强复合材料布；或者普通混凝土、钢管、纤维增强复合材料布；所述纤维增强复合材料布缠绕包裹在钢管或不锈钢管的外部。2.根据权利要求1所述的应用于海上风电塔的新型支撑结构，其特征在于：由基础段、钢制塔筒段组成的支撑结构中，所述的基础段为单桩基础、群桩基础、导管架基础、漂浮式基础、半潜式基础或张力腿基础中的任意一种。3.根据权利要求1所述的应用于海上风电塔的新型支撑结构，其特征在于：由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段组成的支撑结构中，所述的基础段为群桩基础、漂浮式基础、半潜式基础或张力腿基础中的任意一种。

技术总结
本实用新型属于风电技术领域，具体涉及一种应用于海上风电塔的新型支撑结构。一种应用于海上风电的新型支撑结构，自下而上依次由基础段、钢制塔筒段组成，或者由基础段、格构式或框架式支撑段和钢制塔筒段组成，所述的基础段、格构式或框架式支撑段采用钢结构，或者钢管混凝土组合构件、纤维增强复合材料-混凝土组合构件、纤维增强复合材料-钢管混凝土组合构件和纤维增强复合材料-中空夹层钢管混凝土组合构件中的任意一种。本实用新型提供的应用于海上风电塔的新型支撑结构，改善了海上风电塔在海水环境中的使用性能，在满足风电塔各项正常功能的前提下，具有增加风电塔使用寿命、安装便捷、节约成本的优点。节约成本的优点。节约成本的优点。


技术研发人员：戴靠山 丁志斌 熊川楠 黄小瀚 孙弋明
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/5/24