用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱的製作方法

2023-05-30 12:34:26 3

本發明屬於海上風力發電設備技術梁宇，具體涉及一種用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱。

背景技術：

風能作為一種清潔的可再生能源，正越來越受到世界各國的重視。近十年來，全球每年風電裝機容量增長速率為20％-30％，世界風電正以迅猛的速度發展。在國家政策引導下，我國海上風力發電也得到了廣泛的應用和發展，總裝機容量已居世界第一。目前海上風力機大都部署在離海岸較近的淺水海域。但大部分海上風力機的支撐結構將長期處於惡劣的海洋環境中，承受複雜的海、浪、流等作用。這些載荷的長期周期作用以及它們之間的耦合效應，會引起結構的振動從而降低結構的疲勞壽命，甚至可能造成海上風電機的大幅度運動直接導致結構破壞，會給風力機的安全和可靠運行帶來嚴重威脅，需要給予重點關注。

渦激振動一直以來是海上風電機結構疲勞破壞的一個主要因素，也是長期以來海洋工程中頗具挑戰性的問題之一。隨著水深的增加，結構的渦激振動問題變得更加嚴峻.嚴重的可導致風力機失穩、倒塌，造成重大損失。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術缺陷，提供一種用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱。

本發明的具體技術方案如下：

用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱，包括一核心混凝土柱、一不鏽鋼管和一不鏽鋼片；

該核心混凝土柱填充適配於不鏽鋼管內，使核心混凝土柱被不鏽鋼管有效約束，提高核心混凝土的承載力和變形能力，同時使不鏽鋼管被核心混凝土柱支撐，防止不鏽鋼管發生內凹屈服破壞，提高不鏽鋼管的穩定承載力；上述核心混凝土柱中的混凝土的強度等級為c30～c40，不鏽鋼的型號為304；；

不鏽鋼片呈螺旋狀包繞於不鏽鋼管的外壁面以有效緩解海洋環境中的渦激振動，上述螺旋狀的具體參數如下：螺距取5～17.5d，螺高為0.15d～0.25d，其中d表示不鏽鋼管的外徑。

在本發明的一個優選實施方案中，所述核心混凝土柱中埋設有一型鋼，型鋼所用鋼材的型號優選為q235。

進一步優選的，所述型鋼的橫截面為y形。

進一步優選的，所述型鋼包括尺寸相同第一支板、第二支板和第三支板，該第一支板、第二支板和第三支板以120度的兩兩夾角構成型鋼的y形的橫截面。

在本發明的一個優選實施方案中，所述核心混凝土柱的橫截面的形狀為圓形、橢圓形或多邊形。

本發明的有益效果是：

1、本發明包括一核心混凝土柱、一不鏽鋼管和一不鏽鋼片，相比於現有海上風力機支撐結構的構件，可以有效緩解海洋中的渦激振動，具有經濟和耐腐蝕的優點。

2、本發明的核心混凝土柱中具有一型鋼，相比於傳統的鋼筋混凝土結構具備承載力大、剛度大和抗震性能好的優點；與鋼結構相比，具有結構局部、整體穩定性好和節省鋼材的優點。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的結構示意圖。

圖2為本發明實施例1的橫截面示意圖。

圖3為本發明實施例2的結構示意圖。

圖4為本發明實施例2的橫截面示意圖。

圖5為本發明實施例1和實施例2的效果圖之一。

圖6為本發明實施例1和實施例2的效果圖之二。

圖7為本發明實施例1和實施例2的效果圖之三。

圖8為本發明實施例1和實施例2中不鏽鋼筋和普通鋼筋在鹽霧腐蝕試驗中的質量損失率的對比圖。

具體實施方式

以下通過具體實施方式結合附圖對本發明的技術方案進行進一步的說明和描述。

實施例1

如圖1和2所示，一種用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱，包括一核心混凝土柱1(橫截面的形狀優選為圓形、橢圓形或多邊形)、一不鏽鋼管2和一不鏽鋼片3；

該核心混凝土柱1填充適配於不鏽鋼管2內，使核心混凝土柱1被不鏽鋼管2有效約束，提高核心混凝土柱1的承載力和變形能力，同時使不鏽鋼管2被核心混凝土柱1支撐，防止不鏽鋼管2發生內凹屈服破壞，提高不鏽鋼管2的穩定承載力，其中不鏽鋼型號為304；

不鏽鋼片3呈45度螺旋狀包繞於不鏽鋼管2的外壁面以有效緩解海洋環境中的渦激振動，螺距取5～17.5d，螺高為0.15d～0.25d，其中d表示不鏽鋼管的外徑，同時不鏽鋼片3具備耐腐蝕、高強度和不易鏽蝕等優點，從而提高了結構的壽命。

本發明的製作方法如下：

(1)材料準備：將不鏽鋼管切割至設計長度，作為不鏽鋼管2。不鏽鋼管2的外表面與內表面採用噴射除鏽進行去汙和平整處理。

(2)螺旋狀不鏽鋼片焊接：將螺旋狀不鏽鋼片3焊接於不鏽鋼管2外表面，從而形成複合管。

(3)混凝土澆築：按設計配比拌制混凝土，使得混凝土強度等級處於c30-c40之間，可適當摻加減水劑和礦物外加劑，以提高複合管的防腐蝕能力。直立複合管，將混凝土填入不鏽鋼管2內側，並充分振搗密實，從而形成核心混凝土柱1。

(4)混凝土養護：將製作好的由型鋼核心型鋼混凝土柱1、不鏽鋼管2和不鏽鋼片3構成的複合構件按照混凝土相關規範進行養護處理。

實施例2

如圖3和4所示，一種用於海洋環境的不鏽鋼混凝土複合立柱，包括一核心混凝土柱1(橫截面的形狀優選為圓形、橢圓形或多邊形)、一不鏽鋼管2和一不鏽鋼片3；

該核心混凝土柱1填充適配於不鏽鋼管2內，使核心型鋼混凝土柱1被不鏽鋼管2有效約束，提高核心型鋼混凝土柱1的承載力和變形能力，同時使不鏽鋼管2被核心型鋼混凝土柱1支撐，防止不鏽鋼管2發生內凹屈服破壞，提高不鏽鋼管2的穩定承載力；

不鏽鋼片3呈45度螺旋狀包繞於不鏽鋼管2的外壁面以有效緩解海洋環境中的渦激振動，同時不鏽鋼片3具備耐腐蝕、高強度和不易鏽蝕等優點，從而提高了結構的壽命。

核心混凝土柱1包括混凝土柱本體10和埋設於其中的橫截面為y形的型鋼11(所用鋼材的型號優選為q235)。具體的，所述型鋼11包括尺寸相同第一支板111、第二支板112和第三支板113，該第一支板111、第二支板112和第三支板113以120度的兩兩夾角構成型鋼11的y形的橫截面。

本發明的製作方法如下：

(1)材料準備：將不鏽鋼管切割至設計長度，作為不鏽鋼管2。不鏽鋼管2的外表面與內表面採用噴射除鏽分別進行去汙和平整處理。

(2)螺旋狀不鏽鋼片焊接：將螺旋狀不鏽鋼片3焊接於不鏽鋼管2外表面，從而形成複合管。

(3)型鋼焊接：第一支板111、第二支板112和第三支板113以120度的兩兩夾角焊接構成型鋼11的y形的橫截面。

(4)混凝土澆築：型鋼11直立固定，外套複合管。按設計配比拌制混凝土，使得混凝土強度等級處於c30-c40之間，可適當摻加減水劑和礦物外加劑，以提高複合管的防腐蝕能力。將混凝土填入型鋼11和不鏽鋼管2之間，並充分振搗密實，從而形成核心混凝土柱1。

(5)混凝土養護：將製作好的由型鋼核心混凝土柱1、不鏽鋼管2和不鏽鋼片3構成的複合構件按照混凝土相關規範進行養護處理。

將上述實施例1和實施例2製得的複合立柱與未添加不鏽鋼片3的具有光滑表面的立柱進行對比，如圖5所示，光滑立柱與本發明的複合立柱升力係數的傅立葉變換(fft)可以得出，螺旋狀的不鏽鋼片3結構的存在徹底破壞了流場尾渦的洩放頻率，也改變了洩放模式。原本周期性的漩渦發放變的毫無規則，或者不再發放，或者周期無限大，很好的解釋了螺旋結構對立柱尾流場的渦激抑制。

將上述實施例1和實施例2製得的複合立柱與未添加螺旋不鏽鋼片3的具有光滑表面的立柱進行對比。圖6和圖7是選取三維尾流場沿xoz平面的不同展向位置處渦量場雲圖，以說明本發明的複合立柱較之光滑表面立柱對渦激抑制的效果。對於光滑立柱流場如圖6所示，立柱後緣處產生漩渦緊貼管壁，不同截面尾流場漩渦發放較為劇烈，卻呈現各展向截面相似特性。本發明的流場如圖7所示，漩渦發放明顯緩和。體現了具有螺旋結構的複合立柱在深海洋流中具有全向性的優勢。各向同性的良好結構特徵更適合於複雜洋流的實際海況中。

圖8為不鏽鋼筋和普通鋼筋在鹽霧腐蝕試驗中的質量損失率的對比，由圖8可見，在鹽霧腐蝕環境中，各種鋼筋的腐蝕規律相同，鏽蝕量(質量損失率)均隨著腐蝕時間的增加而線性增加，腐蝕速度近似恆定值.與普通鋼筋相比，不鏽鋼筋鏽蝕極其緩慢，00cr23ni4n(2304)不鏽鋼筋的耐腐蝕能力約是hrb335普通鋼筋的100倍，不鏽鋼筋比普通鋼筋有更優異的抗鹽霧腐蝕能力。

表1為不同型鋼的鋼材在3倍濃縮海水浸泡時的腐蝕速率，由表可知，q235與hrb400的腐蝕速率非常相近，但都遠遠高於不鏽鋼。

表1

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，故不能依此限定本發明實施的範圍，即依本發明專利範圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的範圍內。