扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法.pdf

本发明公开了一种扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法，涉及建设工程中大型风力发电机组固定技术领域。本系统是：在基础承台的圆周内均匀设置有钻孔和扩大室，在每个钻孔内设置有钢套管；在钢套管内设置有锚杆，在锚杆底端通过滑动销、从动销和固定销依次连接有金属连杆、上转动杆和下转动杆，形成扩大头；在基础承台的钻孔和扩大室内浇铸有高强混凝土；在钢套管的顶端套有金属基础环和高强螺母。本发明基础牢固，节省工程投资，施工进度快，尤其是扩大头具有更大的竖向抗拔力，能够抵抗风机上部塔筒传来的巨大弯矩作用。

权利要求书
1.  一种扩大头预应力锚杆风机基础系统，其特征在于：
包括基础承台（1）、锚杆（2）、高强螺母（3）、金属基础环（4）、钢套管（5）、高强混凝土（6）、金属连杆（7）、上转动杆（8）、下转动杆（9）、滑动销（10）、从动销（11）、固定销（12）和扩大头（13）；
其位置和连接关系是：
在基础承台（1）的圆周内均匀设置有钻孔（1.1），在每个钻孔（1.1）内设置有钢套管（5）；
在钢套管（5）内设置有锚杆（2），在锚杆（2）底端通过滑动销（10）、从动销（11）和固定销（12）依次连接有金属连杆（7）、上转动杆（8）和下转动杆（9），形成扩大头（13），扩大头13在扩大室1.2内；
在基础承台（1）的钻孔（1.1）和扩大室（1.2）内浇铸有高强混凝土（6）；
在钢套管（5）的顶端套有金属基础环（4）和高强螺母（3）。

2.  按权利要求1所述的扩大头预应力锚杆风机基础系统，其特征在于：
所述的扩大头由金属连杆（7）、上转动杆（8）、下转动杆（9）、滑动销（10）、从动销（11）和固定销（12）组成；
金属连杆（7）是一种金属杆，其外径略大于锚杆（2）的直径，其顶端带有和锚杆（2）外螺纹适配的内螺纹，其上端设置有滑动槽（7.1），其下端设置有固定槽（7.2）；
上转动杆（8）为前后两个呈八字形的两端有通孔的活动金属杆，其顶端利用滑动销（10）与金属连杆（7）的滑动槽（7.1）连接，其左右下端通过从动销（11）与下转动杆（9）连接；
下转动杆（9）为前后两个呈倒八字形的两端有通孔的活动金属杆，其底端利用固定销（12）与金属连杆（7）的固定槽（7.2）连接，其左右上端通过从动销（11）与上转动杆（8）连接。

3.  按权利要求1、2所述扩大头预应力锚杆风机基础系统的施工方法，其特征在于包括下列步骤：
①在需要施工的现场勘测、整平场地，形成基础承台（1），并钻孔至合适的深度，在钻孔（1.1）的下部再按照要求用特制的扩大头钻头钻出一段扩大室（1.2）；
②将锚杆（2）和预制好的扩大头（13）部分通过金属连杆（7）的内螺纹固定在一起，放入锚杆（2）和折叠状态下的扩大头（13），此过程中由于钻孔内径的限制，上转动杆（8）和下转动杆（9）无法撑开至展开状态，维持在折叠状态；
③等锚杆（2）就位、扩大头（13）进入钻孔（1.1）底部的扩大室（1.2）区域，上转动杆（8）和下转动杆（9）依靠重力自动撑开至展开状态；
④将钢套管（5）套在锚杆（2）上，钢套管（5）的底端支撑于金属连杆（7）的顶端；从扩大室（1.2）底部开始，依次向钻孔（1.1）和钢套管（5）之间浇筑高强度混凝土（6），直至钢套管（5）顶端；
将预制好的金属基础环（4）穿过锚杆（2），放置于浇筑好的高强度混凝土（6）之上，并通过高强螺母（3）将锚杆（2）和金属基础环（4）固定为一体，保证金属基础环（4）顶面与基础承台（1）的顶面在一个水平面上；
⑥待高强度混凝土（6）龄期达到要求后，对伸出基础承台（1）上端面的锚杆（2）进行张拉施加预应力，从而使混凝土受到压力，提高整个基础结构的稳定性。

说明书扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法
技术领域
本发明涉及建设工程中大型风力发电机组固定技术领域，尤其涉及一种扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法。
背景技术
目前我国已建成的陆上风电场装机规模约8000万kW，我国陆地风能资源可开发量约23.8亿kW。每个装机规模5万kW的风电场，C35~C40强度的基础混凝土用量约为13750m3。在满足基础安全稳定的前提条件下，采用优化的基础体型，可以节省大量的基础混凝土工程量。另外，对于大型风力发电机多采用现场构造的混凝土重力式支撑基础，或者是锚杆重力式基础，这些基础施工工序冗杂，施工历时长，混凝土和钢筋用量很大，且结构内部材料都是一次性的，结构耐久性差，随着使用时间的加长安全性大大降低。在对一些已有的风电场混凝土基础的加固中，需要钻孔打入预应力锚栓施工。而现有的预应力锚栓需要通过底部的锚板锚固，不适合钻孔的情况下使用。因此，有必要开发一种能抵抗巨大竖向拔力和弯矩，同时兼顾经济可靠性能的风机基础结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法，用于固定大型风力发电机组的上部结构，为陆上风电场安全运营提供技术保障。
本发明的目的是这样实现的：
一、扩大头预应力锚杆风机基础系统及其施工方法（简称系统）
本系统包括基础承台、锚杆、高强螺母、金属基础环、钢套管、高强混凝土、金属连杆、上转动杆、下转动杆、滑动销、从动销、固定销和扩大头；
其位置和连接关系是：
在基础承台的圆周内均匀设置有钻孔和扩大室，在每个钻孔内设置有钢套管；
在钢套管内设置有锚杆，在锚杆底端通过滑动销、从动销和固定销依次连接有金属连杆、上转动杆和下转动杆，形成扩大头，扩大头在扩大室内；
在基础承台的钻孔和扩大室内浇铸有高强混凝土；
在钢套管的顶端套有金属基础环和高强螺母。
二、扩大头预应力锚杆风机基础系统施工方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
①在需要施工的现场勘测、整平场地，形成基础承台，并钻孔至合适的深度，在钻孔的下部再按照要求用特制的扩大头钻头钻出一段扩大室；
②将锚杆和预制好的扩大头部分通过金属连杆的内螺纹固定在一起，放入锚杆和折叠状态下的扩大头，此过程中由于钻孔内径的限制，上转动杆和下转动杆无法撑开至展开状态，维持在折叠状态；
③等锚杆就位、扩大头进入钻孔底部的扩大室区域，上转动杆和下转动杆依靠重力自动撑开至展开状态；
④将钢套管套在锚杆上，钢套管的底端支撑于金属连杆的顶端；从扩大室底部开始，依次向钻孔和钢套管之间浇筑高强度混凝土，直至钢套管顶端；
将预制好的金属基础环穿过锚杆，放置于浇筑好的高强度混凝土之上，并通过高强螺母将锚杆和金属基础环固定为一体，保证金属基础环顶面与基础承台的顶面在一个水平面上；
⑥待高强度混凝土龄期达到要求后，对伸出基础承台上端面的锚杆进行张拉施加预应力，从而使混凝土受到压力，提高整个基础结构的稳定性。
本发明具有下列优点和积极效果：
①扩大头展开角度比较大，与一般混凝土锚杆（索）基础相比，具有更大的竖向抗拔力，能够抵抗风机上部塔筒传来的巨大弯矩作用；
②只需在钻孔内浇筑混凝土，因此混凝土用量少，节省了工程投资；锚杆及扩大头部分都是预制好的，可以在孔外拼装好后一起放入孔中，大大加快了施工进度；
③通过高强螺母将扩大头锚杆和金属基础环连为一体，并使用刚套管将锚杆和混凝土分隔开来，以保证预应力锚杆的张拉效果；
④对锚杆施加预应力，通过锚杆底端的扩大头将拔力和弯矩传递到四周更大范围的岩土体中，让地基和混凝土基础结构共同承担风机上部结构传来的静力和动力荷载。
总之，本发明基础牢固，节省工程投资，施工进度快，尤其是扩大头具有更大的竖向抗拔力，能够抵抗风机上部塔筒传来的巨大弯矩作用。
附图说明
图1为本系统的结构主视图；
图2为本系统的结构俯视图。
图中：
1—基础承台,1.1—钻孔，1.2—扩大室；
2—锚杆；
3—高强螺母；
4—金属基础环；
5—钢套管；
6—高强混凝土；
7—金属连杆，7.1—滑动槽，7.2—固定槽；
8—上转动杆；
9—下转动杆；
10—滑动销；
11—从动销；
12—固定销；
13—扩大头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明详细说明。
一、系统
1、总体
如图1、2，本系统包括基础承台1、锚杆2、高强螺母3、金属基础环4、钢套管5、高强混凝土6、金属连杆7、上转动杆8、下转动杆9、滑动销10、从动销11、固定销12和扩大头13；
其位置和连接关系是：
在基础承台1的圆周内均匀设置有钻孔1.1和扩大室1.2，在每个钻孔1.1内设置有钢套管5；
在钢套管5内设置有锚杆2，在锚杆2底端通过滑动销10、从动销11和固定销12依次连接有金属连杆7、上转动杆8和下转动杆9，形成扩大头13，扩大头13在扩大室1.2内；
在基础承台1的钻孔1.1和扩大室1.2内浇铸有高强混凝土6；
在钢套管5的顶端套有金属基础环4和高强螺母3。
2、功能部件
本系统的功能部件均为常用件或标准部件。
1）基础承台1
基础承台1是一个整平的圆形场地，在圆周内均匀设置有钻孔1.1，在钻孔1.1的底部设置有扩大室1.2，钻孔的规格（孔径、深度及间距）根据现场工程地质情况及设计风机容量而定。
其功能是整个基础系统的承台。
2）锚杆2
锚杆2为一种精轧螺纹钢杆；其底端设置有外螺纹，其顶端伸出基础承台1的上端面15cm左右。
其功能是为后期的张拉和与风机下法兰的拼接。
3）高强螺母3
高强螺母3是一种常用件或标准部件。
其功能是将锚杆2和金属基础环4紧紧固定为一个整体。
4）金属基础环4
金属基础环4为一种金属圆环，埋设于基础承台1的顶面；其上均匀设置有圆孔，圆孔数量与锚杆2数量一样，圆孔直径与锚杆2直径匹配，圆环的外径和基础承台1的外径一致。
其功能是固定锚杆2。
5）钢套管5
钢套管5为中空长管，内径大于锚杆2外径3～5毫米。
其功能是：把锚杆2和高强混凝土6分离。
6）高强混凝土6
高强混凝土6为C35-C40标号的混凝土，浇筑在钻孔1.1和钢套管5之间，以及扩大室1.2内部。
其功能是形成基础结构。
7）金属连杆7
金属连杆7是一种金属杆，其外径略大于锚杆2的直径，其顶端带有和锚杆2外螺纹适配的内螺纹，其上端设置有滑动槽7.1，其下端设置有固定槽7.2；
其功能是顶端接锚杆2，上端接上转动杆8，下端接下转动杆9。
8）上转动杆8
上转动杆8为前后两个呈八字形的两端有通孔的活动金属杆，其顶端利用滑动销10与金属连杆7的滑动槽7.1连接，其左右下端通过从动销11与下转动杆9连接；
其功能是和下转动杆9一起形成扩大头13，共同承担上部结构传递下来的荷载。
9）下转动杆9
下转动杆9为前后两个呈倒八字形的两端有通孔的活动金属杆，其底端利用固定销12与金属连杆7的固定槽7.2连接，其左右上端通过从动销11与上转动杆8连接；
其功能是和上转动杆8一起形成扩大头13，共同承担上部结构传递下来的荷载。
10）滑动销10
滑动销10为预制的金属销；
其功能是用于连接金属连杆7和上转动杆8。
11）从动销11
从动销11为预制的金属销；
其功能是用于连接上转动杆8和下转动杆9。
12）固定销12
固定销12为预制的金属销；
其功能是用于连接下转动杆9和金属连杆7。
13）扩大头13
由金属连杆7、上转动杆8、下转动杆9、滑动销10、从动销11和固定销12组成。
3、工作基理：
本系统主要由基础承台1、锚杆2、金属基础环4、高强混凝土6和锚杆扩大头13组成；扩大头13由金属连杆7、上转动杆8和下转动杆9通过滑动销10、从动销11和固定销12连接而成；滑动销12可以在金属连杆7的滑动槽7.1内上下自由滑动；在自由展开状态，上下转动杆组成两个菱形的扩大头13对称固定于金属连杆7的两侧；将锚杆2底端的外螺纹和金属连杆7顶部的内螺纹紧密连接后一同放入底部带有扩大室1.2的钻孔1.1中，等锚杆2就位、扩大头13进入扩大室1.2区域，上转动杆8和下转动杆9依靠重力自动撑开至展开状态；将钢套管5套于锚杆2上以后，从孔底开始依次向上浇筑高强度混凝土6，充满钻孔1.1底部的扩大室1.2直至钢套管2的顶端；待混凝土浇好后，以上所有部件都浇灌在混凝土里，成为本基础系统的永久部分；待混凝土强度达到要求后安装金属基础环4，基础环4上设有与风机塔筒底法兰螺栓孔相匹配的圆孔，数根与圆孔数量相同的锚杆2与金属基础环4固定为一体，并伸出金属基础环4上端面一定距离，利用张拉机具对锚杆2施加预应力从而使混凝土受到压力，提高整个基础系统结构的稳定性；锚杆2的伸出段将来和风机塔筒下法兰由高强螺母3固定，风机塔筒下法兰是由风机厂商提供，是标准模式，风机厂商都有详细的技术说明和图纸供参考。