CN107339200A - 用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱 - Google Patents

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钱佳敏
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    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
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Abstract

本发明公开了一种用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，包括一核心混凝土柱、一不锈钢管和一不锈钢片。相比于现有海上风力机支撑结构的构件，可以有效缓解海洋中的涡激振动，具有经济和耐腐蚀的优点。

Description

用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱
技术领域
本发明属于海上风力发电设备技术梁宇，具体涉及一种用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，正越来越受到世界各国的重视。近十年来，全球每年风电装机容量增长速率为20％-30％，世界风电正以迅猛的速度发展。在国家政策引导下，我国海上风力发电也得到了广泛的应用和发展，总装机容量已居世界第一。目前海上风力机大都部署在离海岸较近的浅水海域。但大部分海上风力机的支撑结构将长期处于恶劣的海洋环境中，承受复杂的海、浪、流等作用。这些载荷的长期周期作用以及它们之间的耦合效应，会引起结构的振动从而降低结构的疲劳寿命，甚至可能造成海上风电机的大幅度运动直接导致结构破坏，会给风力机的安全和可靠运行带来严重威胁，需要给予重点关注。
涡激振动一直以来是海上风电机结构疲劳破坏的一个主要因素，也是长期以来海洋工程中颇具挑战性的问题之一。随着水深的增加，结构的涡激振动问题变得更加严峻.严重的可导致风力机失稳、倒塌，造成重大损失。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱。
本发明的具体技术方案如下：
用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，包括一核心混凝土柱、一不锈钢管和一不锈钢片；
该核心混凝土柱填充适配于不锈钢管内，使核心混凝土柱被不锈钢管有效约束，提高核心混凝土的承载力和变形能力，同时使不锈钢管被核心混凝土柱支撑，防止不锈钢管发生内凹屈服破坏，提高不锈钢管的稳定承载力；上述核心混凝土柱中的混凝土的强度等级为C30～C40，不锈钢的型号为304；；
不锈钢片呈螺旋状包绕于不锈钢管的外壁面以有效缓解海洋环境中的涡激振动，上述螺旋状的具体参数如下：螺距取5～17.5D，螺高为0.15D～0.25D，其中D表示不锈钢管的外径。
在本发明的一个优选实施方案中，所述核心混凝土柱中埋设有一型钢，型钢所用钢材的型号优选为Q235。
进一步优选的，所述型钢的横截面为Y形。
进一步优选的，所述型钢包括尺寸相同第一支板、第二支板和第三支板，该第一支板、第二支板和第三支板以120度的两两夹角构成型钢的Y形的横截面。
在本发明的一个优选实施方案中，所述核心混凝土柱的横截面的形状为圆形、椭圆形或多边形。
本发明的有益效果是：
1、本发明包括一核心混凝土柱、一不锈钢管和一不锈钢片，相比于现有海上风力机支撑结构的构件，可以有效缓解海洋中的涡激振动，具有经济和耐腐蚀的优点。
2、本发明的核心混凝土柱中具有一型钢，相比于传统的钢筋混凝土结构具备承载力大、刚度大和抗震性能好的优点；与钢结构相比，具有结构局部、整体稳定性好和节省钢材的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1的横截面示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例2的横截面示意图。
图5为本发明实施例1和实施例2的效果图之一。
图6为本发明实施例1和实施例2的效果图之二。
图7为本发明实施例1和实施例2的效果图之三。
图8为本发明实施例1和实施例2中不锈钢筋和普通钢筋在盐雾腐蚀试验中的质量损失率的对比图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
如图1和2所示，一种用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，包括一核心混凝土柱1(横截面的形状优选为圆形、椭圆形或多边形)、一不锈钢管2和一不锈钢片3；
该核心混凝土柱1填充适配于不锈钢管2内，使核心混凝土柱1被不锈钢管2有效约束，提高核心混凝土柱1的承载力和变形能力，同时使不锈钢管2被核心混凝土柱1支撑，防止不锈钢管2发生内凹屈服破坏，提高不锈钢管2的稳定承载力，其中不锈钢型号为304；
不锈钢片3呈45度螺旋状包绕于不锈钢管2的外壁面以有效缓解海洋环境中的涡激振动，螺距取5～17.5D，螺高为0.15D～0.25D，其中D表示不锈钢管的外径，同时不锈钢片3具备耐腐蚀、高强度和不易锈蚀等优点，从而提高了结构的寿命。
本发明的制作方法如下：
(1)材料准备：将不锈钢管切割至设计长度，作为不锈钢管2。不锈钢管2的外表面与内表面采用喷射除锈进行去污和平整处理。
(2)螺旋状不锈钢片焊接：将螺旋状不锈钢片3焊接于不锈钢管2外表面，从而形成复合管。
(3)混凝土浇筑：按设计配比拌制混凝土，使得混凝土强度等级处于C30-C40之间，可适当掺加减水剂和矿物外加剂，以提高复合管的防腐蚀能力。直立复合管，将混凝土填入不锈钢管2内侧，并充分振捣密实，从而形成核心混凝土柱1。
(4)混凝土养护：将制作好的由型钢核心型钢混凝土柱1、不锈钢管2和不锈钢片3构成的复合构件按照混凝土相关规范进行养护处理。
实施例2
如图3和4所示，一种用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，包括一核心混凝土柱1(横截面的形状优选为圆形、椭圆形或多边形)、一不锈钢管2和一不锈钢片3；
该核心混凝土柱1填充适配于不锈钢管2内，使核心型钢混凝土柱1被不锈钢管2有效约束，提高核心型钢混凝土柱1的承载力和变形能力，同时使不锈钢管2被核心型钢混凝土柱1支撑，防止不锈钢管2发生内凹屈服破坏，提高不锈钢管2的稳定承载力；
不锈钢片3呈45度螺旋状包绕于不锈钢管2的外壁面以有效缓解海洋环境中的涡激振动，同时不锈钢片3具备耐腐蚀、高强度和不易锈蚀等优点，从而提高了结构的寿命。
核心混凝土柱1包括混凝土柱本体10和埋设于其中的横截面为Y形的型钢11(所用钢材的型号优选为Q235)。具体的，所述型钢11包括尺寸相同第一支板111、第二支板112和第三支板113，该第一支板111、第二支板112和第三支板113以120度的两两夹角构成型钢11的Y形的横截面。
本发明的制作方法如下：
(1)材料准备：将不锈钢管切割至设计长度，作为不锈钢管2。不锈钢管2的外表面与内表面采用喷射除锈分别进行去污和平整处理。
(2)螺旋状不锈钢片焊接：将螺旋状不锈钢片3焊接于不锈钢管2外表面，从而形成复合管。
(3)型钢焊接：第一支板111、第二支板112和第三支板113以120度的两两夹角焊接构成型钢11的Y形的横截面。
(4)混凝土浇筑：型钢11直立固定，外套复合管。按设计配比拌制混凝土，使得混凝土强度等级处于C30-C40之间，可适当掺加减水剂和矿物外加剂，以提高复合管的防腐蚀能力。将混凝土填入型钢11和不锈钢管2之间，并充分振捣密实，从而形成核心混凝土柱1。
(5)混凝土养护：将制作好的由型钢核心混凝土柱1、不锈钢管2和不锈钢片3构成的复合构件按照混凝土相关规范进行养护处理。
将上述实施例1和实施例2制得的复合立柱与未添加不锈钢片3的具有光滑表面的立柱进行对比，如图5所示，光滑立柱与本发明的复合立柱升力系数的傅里叶变换(FFT)可以得出，螺旋状的不锈钢片3结构的存在彻底破坏了流场尾涡的泄放频率，也改变了泄放模式。原本周期性的漩涡发放变的毫无规则，或者不再发放，或者周期无限大，很好的解释了螺旋结构对立柱尾流场的涡激抑制。
将上述实施例1和实施例2制得的复合立柱与未添加螺旋不锈钢片3的具有光滑表面的立柱进行对比。图6和图7是选取三维尾流场沿XOZ平面的不同展向位置处涡量场云图，以说明本发明的复合立柱较之光滑表面立柱对涡激抑制的效果。对于光滑立柱流场如图6所示，立柱后缘处产生漩涡紧贴管壁，不同截面尾流场漩涡发放较为剧烈，却呈现各展向截面相似特性。本发明的流场如图7所示，漩涡发放明显缓和。体现了具有螺旋结构的复合立柱在深海洋流中具有全向性的优势。各向同性的良好结构特征更适合于复杂洋流的实际海况中。
图8为不锈钢筋和普通钢筋在盐雾腐蚀试验中的质量损失率的对比，由图8可见，在盐雾腐蚀环境中，各种钢筋的腐蚀规律相同，锈蚀量(质量损失率)均随着腐蚀时间的增加而线性增加，腐蚀速度近似恒定值.与普通钢筋相比，不锈钢筋锈蚀极其缓慢，00Cr23Ni4N(2304)不锈钢筋的耐腐蚀能力约是HRB335普通钢筋的100倍，不锈钢筋比普通钢筋有更优异的抗盐雾腐蚀能力。
表1为不同型钢的钢材在3倍浓缩海水浸泡时的腐蚀速率，由表可知，Q235与HRB400的腐蚀速率非常相近，但都远远高于不锈钢。
表1
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，其特征在于：包括一核心混凝土柱、一不锈钢管和一不锈钢片；
该核心混凝土柱填充适配于不锈钢管内，使核心混凝土柱被不锈钢管有效约束，提高核心混凝土的承载力和变形能力，同时使不锈钢管被核心混凝土柱支撑，防止不锈钢管发生内凹屈服破坏，提高不锈钢管的稳定承载力；上述核心混凝土柱中的混凝土的强度等级为C30～C40，不锈钢的型号为304；
不锈钢片呈螺旋状包绕于不锈钢管的外壁面以缓解海洋环境中的涡激振动，上述螺旋状的具体参数如下：螺距取5～17.5D，螺高为0.15D～0.25D，其中D表示不锈钢管的外径。
2.如权利要求1所述的用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，其特征在于：所述核心混凝土柱中埋设有一型钢。
3.如权利要求2所述的用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，其特征在于：所述型钢的横截面为Y形。
4.如权利要求3所述的用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，其特征在于：所述型钢包括尺寸相同第一支板、第二支板和第三支板，该第一支板、第二支板和第三支板以120度的两两夹角构成型钢的Y形的横截面。
5.如权利要求1所述的用于海洋环境的不锈钢混凝土复合立柱，其特征在于：所述核心混凝土柱的横截面的形状为圆形、椭圆形或多边形。
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