风电机组混凝土-钢混合塔筒设计规范

CS27.180

P59

备案号：XX

中华人民共和国能源行业标准

PNB/T×××××-201×

风电机组混凝土-钢混合塔筒设计规范

DesigncodeforConcrete-SteelHybridTowerofwindturbine

（征求意见稿）

××××-××-××发布××××-××-××实施

国家能源局发布

1总则

1.0.1为规范风电机组混凝土-钢混合塔筒设计，做到安全适用、技术先进、经

济合理、确保质量、保护环境，制定本规范。

1.0.2本规范适用于陆上和海上风电机组混凝土与钢上下组合的圆形管状塔筒

设计。

1.0.3本规范仅对风电机组混凝土塔筒段及其与钢制塔筒段的连接设计作出规

定，钢制塔筒段的设计应符合现行行业标准《风电机组塔筒设计制造安装规范》

NB/T的有关规定。

1.0.4风电机组混凝土-钢混合塔筒设计，除应符合本规范外，尚应符合国家现

行有关标准的规定。

1

2术语

2.0.1混凝土-钢混合塔筒concrete-steelhybridtower

由下部预应力钢筋混凝土塔筒段和上部钢制塔筒段组成的用于支撑风力发

电机组的圆形管状结构。

2.0.2体内预应力internalprestress

置于塔筒混凝土构件截面内的用于承受拉力的预应力体系。

2.0.3体外预应力externalprestress

置于塔筒混凝土构件截面外的用于承受拉力的预应力体系。

2.0.4转换段transformationsection

用于连接混凝土塔筒段和钢制塔筒段的转换连接结构段。

2.0.5现浇式塔筒cast-in-placetower

采用现场浇筑方式施工的混凝土塔筒。

2.0.6装配式塔筒assembledtower

采用预制拼装方式施工的混凝土塔筒。

2.0.7横缝transversejoint

装配式混凝土塔筒上下环段间的水平拼接缝。

2.0.8纵缝longitudinaljoint

装配式混凝土塔筒左右环片间的竖向拼接缝。

2.0.9座浆料seatsize

涂抹于横缝上连接上下环段的胶结材料。

2

3基本规定

3.1一般要求

3.1.1本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构

构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。

3.1.2本规范采用的设计基准期为50年。

3.1.3风电机组混凝土塔筒段的设计使用年限为50年，钢制塔筒段的设计使用年

限应与风电机组使用年限一致。

3.1.4风电机组塔筒在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：

1在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种荷载和作用；

2在正常使用时，具有良好的工作性能；

3在正常维护下，具有足够的耐久性能；

4当发生偶然事件时，结构能保持必需的整体稳定性。

3.1.5风电机组塔筒结构安全等级应为二级，结构安全重要性系数为1.0。

3.1.6风电机组塔筒结构疲劳设计可采用容许应力法。

3.1.7风电机组混凝土塔筒宜采用预应力混凝土结构体系。

3.1.8风电机组混凝土-钢混合塔筒总高度、混凝土段与钢制塔筒段高度比的确定

应综合考虑风电场风能资源、风电机组机型、结构受力状况、工程造价以及施工

条件等因素。

3.1.9风电机组混凝土-钢混合塔筒的结构分析，根据结构类型、材料性能和受力

特点等，可选择弹性分析方法、弹塑性分析方法、塑性极限分析方法和试验分析

方法进行分析。

3.1.10预应力混凝土塔筒段的结构设计应计入预应力作用效应，考虑二阶效应的

影响。

3.1.11风电机组混凝土-钢混合塔筒结构的地震作用计算应采用振型分解反应谱

法。

3.1.12装配式混凝土塔筒横缝、纵缝的连接应符合下列要求：

1连接缝的承载力应保证构件之间的传力性能；

2混凝土构件之间的连接应采取可靠的措施；

3应考虑构件变形对连接节点及相邻结构或构件造成的影响；

3

4应避免拼接纵缝上下贯通；

5拼接缝采用的胶结材料强度应高于混凝土构件本体。

3.1.13装配式混凝土塔筒结构设计时应考虑横缝和纵缝的影响。

3.1.14风电机组正常使用极限状态下，应根据正常运行结构刚度要求对塔筒的变

形进行验算，且不得超过规定的限值。

3.1.15预应力混凝土塔筒段结构自身的阻尼比可采用0.0065。

3.1.16预应力混凝土塔筒截面抗震受剪承载力应满足国家现行标准《建筑抗震设

计规范》GB50011、《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ140的有关规定；斜

截面抗震受剪承载力应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的

有关规定。

3.1.17风电机组混凝土-钢混合塔筒除应根据设计状况进行承载力计算和正常使

用极限状态验算外，尚应对施工阶段进行验算。

3.2承载能力极限状态计算

3.2.1混凝土塔筒段的承载能力极限状态应计算下列内容：

1混凝土塔筒段正截面抗压、抗弯承载力计算。

2端部锚固区局部受压面局部受压承载力计算。

3有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算。

4分片、分段预制塔筒，应进行拼接缝抗剪验算。

5疲劳验算。

3.2.2承载能力极限状态，应采用荷载基本组合和偶然组合的效应设计值，并按

下式设计：

SR

0d（3.2.2）

式中：0——结构重要性系数，风电机组混凝土-钢混合塔筒为二级，取1.0；

S

d——荷载组合的效应设计值；

R——结构的抗力设计值。

3.3正常使用极限状态验算

3.3.1混凝土塔筒正常使用极限状态验算应包括下列内容：

4

1变形验算。

2抗裂验算。

3应力验算。

4动力特性分析。

3.3.2正常使用极限状态应采用荷载标准组合的效应设计值，并按下列公式设计：

SC（3.3.2）

式中：S——正常使用极限状态荷载标准组合的效应设计值；

C——结构达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频

率等的限值。

3.3.3混凝土塔筒段的最大裂缝宽度应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》

GB50010的相关规定，且不应大于0.2mm。

3.3.4风力发电机组混合塔筒水平位移角限值应符合表3.3.4的规定。

表3.3.4混凝土塔筒水平位移角限值

以风或多遇地震为主的荷载标准组合作用下以罕遇地震作用为

结构类型主的荷载标准组合

按线性分析按非线性分析

作用下

混凝土段Δu/H1/1501/100Δv/h1/50

注：Δu为水平位移，与分母代表的高度对应；Δv为由剪切变形引起的水平位移，与分母代

表的高度对应；H为总高度，h为塔的层高。

3.3.5风电机组塔筒固有频率应符合下列规定：

1混合塔筒在工作状态下，整体一阶固有频率应在大于风轮激振频率一倍转

频1P的105%且小于风轮激振频率三倍转频3P的95%的范围内；

2进行混合塔筒固有频率分析时，应综合考虑地基、基础和风力发电机组的

影响。

3.4施工阶段验算

3.4.1预应力混凝土塔筒应对其张拉、运输及安装等施工阶段进行承载能力极限

状态计算。

3.4.2混凝土塔筒应进行局部承压验算、预应力束弯折处曲率半径验算及防崩裂

5

验算。混凝土强度应按张拉时的实际强度确定。

3.4.3施工阶段验算时，应考虑混凝土塔筒自重、施工荷载和施工路径对预应力

的影响等。环片和环段的吊装验算，应将其自重乘以动力系数，动力系数可取

1.5，但可根据环片和环段吊装时的受力情况作适当增减。

3.4.4对荷载分批施加的混凝土塔筒，应根据不同的张拉工况分别进行施工验

算。

3.4.5施工阶段计入构件自重后的应力限值应按表3.4.5的规定采用。

表3.4.5施工阶段计入构件自重后的应力限值

项目不允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件

C50~C60

混凝土压应力C30~C450.8fck0.8fck

超张拉时

混凝土拉应力1.0ftk2.0ftk

注：fc——混凝土抗压强度标准值；ftk——混凝土抗拉强度标准值。

3.4.6施工阶段预拉区不允许出现裂缝的构件，预拉区纵向配筋率不应小于

0.2%，对后张法构件不应考虑预应力筋。施工阶段允许出现裂缝的构件，当名义

拉应力σct等于2.0ftk时，纵向非预应力筋的配筋率不应小于0.4%。当σct大于1.0ftk

小于2.0ftk时，纵向非预应力筋的配筋率在0.2%与0.4%间按线性内插求得。

6

4材料

4.1混凝土

4.1.1混凝土强度等级应该按照立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标

准值是指按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在28天或设计

规定龄期以标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值。

4.1.2混凝土的轴心抗压、抗拉强度标准值和设计值应按照表4.1.2确定。

表4.1.2强度标准值和设计值（N/mm2）

符混凝土强度等级

种类

号

C40C45C50C55C60C65C70C75C80

轴心抗压强度标准值fck26.829.632.435.538.541.544.547.450.2

轴心抗拉强度标准值ftk2.392.512.642.742.852.932.993.053.11

轴心抗压强度设计值fc19.121.123.125.327.529.731.833.835.9

轴心抗拉强度设计值ft1.711.801.891.962.042.092.142.182.22

4.1.3混凝土的受压、受拉弹性模量Ec应该按照表4.1.3确定。混凝土的剪切变形

模量可按照相应的弹性模量的进行折减。混凝土泊松比可按采

GcEc40%c0.2

用。

表4.1.3混凝土的弹性模量（l04N/mm2)

混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80

Ec3.253.353.453.553.603.653.703.753.80

f

4.1.4混凝土疲劳变形模量Ec应按表4.1.4确定。

表4.1.4混凝土的疲劳模量（l04N/mm2)

混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80

f

Ec3.253.353.453.553.603.653.703.753.80

4.1.5预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40。

4.1.6预应力混凝土塔筒宜采用后张法的预应力混凝土结构，并配置一定量的非

预应力钢筋。

4.1.7混凝土宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或者矿渣硅酸盐水泥进行配置。

当采用其他品种或者标号的水泥时应进行对比试验分析。

7

4.1.8为了节约水泥、改善混凝土性能，在拌制混凝土时可参入矿物粉质拌合料。

常用的有粉煤灰、硅粉、磨细矿渣粉、烧粘土、天然火山灰质材料一级磨细自燃

煤矸石，其中粉煤灰的应用最为普遍。

4.1.9当温度在0℃~100℃范围内时，混凝土的热工参数可按照下列规定取值：

线性膨胀系数5；

1c=110/℃

2热导系数=10.6kJ/（mh℃）；

3比热容c=0.96kJ/（kg℃）。

4.2钢筋

4.2.1钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。普通钢筋的屈服强度标准

值fyk及极限强度标准值fstk应按表4.2.1-1采用。预应力钢丝、钢绞线、预应力

螺纹钢筋的极限强度标准值fpyk及极限强度标准值fptk应按表4.2.1-2采用。

表4.2.1-1普通钢筋强度标准值

屈服强度标准值极限强度标准值

牌号符号公称直径(mm)

（2）2

fykN/mmfstk（N/mm）

HPB300A6～22300420

C

HRB400

HRBF400CF6～50400540

RRB400

CR

D

HRB500

6～50500630

HRBF500

DF

表4.2.1-2预应力筋强度标准值

公称直径屈服强度标准值极限强度标准值

种类符号

（2）2

(mm)fykN/mmfstk（N/mm）

5620800

APM

光面7780970

中强度预应力钢丝或

螺旋肋99801270

AHM

18、25、32785980

预应力螺纹钢筋螺纹AT

409301080

8

公称直径屈服强度标准值极限强度标准值

种类符号

（2）2

(mm)fykN/mmfstk（N/mm）

5010801230

/1570

5

AP/1860

光面或

消除应力钢筋7/1570

螺旋肋

AH/1470

9

/1570

/1570

1×3（三8.6、10.8、

/1860

股）12.9

/1960

预应力钢绞线AS/1720

9.5、12.7、

1×7/1860

15.2、17.8

(七股)/1960

21.6/1860

4.2.2普通钢筋强度设计值应按表4.2.2-1采用。预应力筋强度设计值应按表

4.2.2-2采用。

表4.2.2-1普通钢筋强度设计值（N/mm2）

牌号抗拉强度设计值fy抗压强度设计值fy

HPB300270270

HRB400、HRBF400、RRB400360360

HRB500、HRBF500435410

表4.2.2-2预应力筋强度设计值（N/mm2）

种类极限强度标准值fptk抗拉强度设计值fpy抗压强度设计值fpy

800510

中强度预应力钢丝970650410

1270810

14701040

消除应力钢/p>

18601320

15701110

17201220

预应力钢绞线390

18601320

19601390

980650

预应力螺纹钢筋1080770400

1230900

4.2.3普通钢筋和预应力筋的弹性模量Es可按表4.2.3采用。

表4.2.3弹性模量Es（105N/mm2）

牌号或种类弹性模量Es

9

HPB3002.10

HRB400、HRB500

HRBF400、RRB400、HRBF5002.00

预应力螺纹钢筋

消除应力钢丝、中强度预应力钢丝2.05

预应力钢绞线1.95

ff

4.2.4普通钢筋和预应力筋的疲劳应力幅限值Δfy和Δfpy应符合下列规定：

普通钢筋的疲劳应力幅限值f根据钢筋疲劳应力比值f按照表

1Δfys4.2.4-1

线性内插取值。

表4.2.4-1普通钢筋疲劳应力幅限值（N/mm2）

f

疲劳应力幅限值Δfy

疲劳应力比值f

s

HRB400

0175

0.1162

0.2156

0.3149

0.4137

0.5123

0.6106

0.785

0.860

0.931

f

2普通钢筋疲劳应力比值s应按下式计算：

f

fs,min（）

sf4.2.4-1

s,max

f、f

式中：s,mins,max——构件疲劳验算时同一层钢筋的最小应力、最大应力。

ff

3预应力筋的疲劳应力幅限值Δfpy根据钢筋疲劳应力比值p按照表4.2.4-2

线性内插取值。

表4.2.4-2预应力筋疲劳应力幅限值

f

疲劳应力幅限值Δfpy

疲劳应力比值f

p22

钢绞线fptk=1570N/mm消除应力钢丝fptk=1570N/mm

0.7144240

0.8118168

0.97088

f

4预应力筋疲劳应力比值p应按下式计算：

10

f

fp,min（）

pf4.2.4-2

p,max

f、f

式中：p,minp,max——构件疲劳验算时同一层预应力筋的最小应力、最大应

力。

预应力筋在最大力下的总伸长率不应小于。

4.2.5gt3.5%

4.3锚具及承压体系

4.3.1预应力结构设计中，应根据工程环境条件、结构特点、预应力筋品种和张

拉施工方法，选择锚具和连接器。常用金属预应力筋的锚具可按表4.3.1选用。

表4.3.1常用金属预应力筋的锚具

固定端

预应力筋品种张拉端

安装在结构之外安装在结构之内

夹片锚具

钢绞线夹片锚具挤压锚具

挤压锚具

镦头锚具

钢丝束冷（热）铸锚镦头锚具

冷（热）铸锚

4.3.3夹片式锚具应具有防松性能。

4.3.4当锚具使用环境温度-50℃时，锚具的低温锚固性能应符合现行国家标准

《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370的规定。

4.3.5高强预应力锚栓力学性能参数应按照表4.3.5-1采用，高强预应力螺母力学

性能应该按照表4.3.5-2采用，高强预应力锚栓机械性能参数应按照表4.3.5-3采

用。

表4.3.5-1高强预应力锚栓力学性能参数

屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）

序号规格强度等级

8.810.98.810.9

1M30（2m-11m）8.8/10.9

2M36（2m-11m）8.8/10.9

3M42（2m-11m）8.8/10.9

6609408301040

4M48（2m-11m）8.8/10.9

5M56（2m-11m）8.8/10.9

6M64（2m-11m）8.8/10.9

表4.3.5-2螺母力学性能参数

11

保证载荷（kN）硬度（HV）

序号规格螺纹应力截面积（mm2）

8级10级8级10级

1M30516.1594.7561

2M36751.6866.0817

3M421030.41187.31120

4M481352.41558.31470

233～353272～353

5M561867.62152.02030

6M642465.52841.02680

表4.3.5-3高强预应力锚栓机械性能参数

锚栓规格M30～M648.8级10.9级

最小断后伸长率（%）1212

初始应力为0.8Rel的松弛率200小时后应力松弛率3%

抗疲劳200万次疲劳试验不断裂

最小断面收缩率（%）5248

硬度（HRC）23～3432～39

-40℃低温平均冲击功Akv（J）4040

螺纹未脱碳层高度E（mm）1/2H12/3H1

螺纹全脱碳层深度G（mm）0.0150.015

4.3.6高强预应力锚栓在公称规定塑性延伸强度Rp0.2的70%初始预应力作用下，

同一批次锚栓单位伸长量的张拉力偏差为±4kN/mm，卸载后螺母可顺利旋出；在

公称规定塑性延伸强度Rp0.2的80%初始预应力作用下，锚杆10小时应力松弛率

应不大于2%。1000小时应力松弛不超过3%；在经受最少200万次循环荷载后，

试样不因疲劳破坏，试样表面状态完好；锚栓材料的低温脆性转变温度不得高于

-40℃。

4.3.7后张法预应力筋所用的锚具、夹具和连接器等的形式和质量应符合国家现

行标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370、《混凝土结构工程施工

规范》GB50666及《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85的

规定。

4.3.8后张法预应力混凝土塔筒外露金属锚具，应采取可靠的防腐及防火措施，

并应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定。

12

4.4孔道及其它材料

4.4.1孔道成型材料可采用金属波纹管或塑料波纹管。

4.4.2用于制作预应力混凝土的金属波纹管的钢带应为软钢带，钢带厚度宜根据

金属波纹管的直径及刚度指标要求确定，不同直径的标准型及增强型金属波纹管

的钢带厚度不应小于表4.4.2的规定。

表4.4.2金属波纹管的钢带厚度（mm）

圆管内径405055606570758085909596

最小钢标准型0.280.280.300.300.300.300.300.350.350.350.350.40

带厚度增强型0.300.300.350.350.350.400.400.400.450.45—0.50

圆管内径102108114120126132——————

最小钢标准型0.400.400.400.400.400.40——————

带厚度增强型0.500.500.500.500.500.60——————

4.4.3预应力混凝土用金属波纹管的波纹高度hc应根据管径及径向刚度要求确

定，其波纹高度不应小于表4.4.3的规定。

表4.4.3金属波纹管的波纹高度（mm）

圆管内径40455055606570

最小波纹高度hc2.52.52.52.52.52.52.5

圆管内径758085909596≥102

最小波纹高度hc2.52.52.52.52.52.53.0

4.4.4圆形塑料波纹管规格应符合表4.4.4的规定。

表4.4.4圆形塑料波纹管规格

内径（mm）外径（mm）壁厚（mm）

不圆度

标称值偏差标称值偏差标称值偏差

50632.5

60±1.073±1.02.5

75882.5＋0.56%

901062.5

±2.0±2.0

1001162.5

13

1151312.5

1301462.5

4.4.5塑料波纹管原材料应使用原始颗粒状原料，不得使用粉状和再造颗粒状原

料。

4.4.6塑料波纹管刚度应不小于6kN/m2。

4.4.7高强水泥基灌浆材料抗压强度标准值确定应符合下列规定：

1高强灌浆材料的最大集料粒径不大于4.75mm时，抗压强度标准试件应采

用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体，抗压强度的检验应满足现行国标标准

《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671中的有关规定。

2高强灌浆材料的最大集料粒径大于4.75mm且不大于16mm时，抗压强度

标准试件应采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，抗压强度的检验应满

足现行国标标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081中的有关规

定。

4.4.8高强灌浆材料设计参数应符合下列规定：

1高强灌浆材料性能指标应按表4.4.8-1确定：

表4.4.8-1高强灌浆材料性能指标

类别Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类

最大集料粒径(mm)4.754.75且16

初始值380340290270*650**

流动度(mm)

30分钟保留值340310260240*550**

3小时0.1～3.5

竖向膨胀率(%)

24小时与3小时的膨胀值之差0.02～0.5

1天20.0

抗压强度(MPa)3天40.0

28天60.0

对钢筋有无锈蚀作用无

泌水率(%)0

注：1表中性能指标均应按产品要求的最大用水量检验；

2*表示坍落度数值，**表示坍落扩展度数值；

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3快凝快硬型水泥基灌浆材料的性能指标除30分钟流动度（或坍落度和坍落扩展度）保留值、24小时

与3小时的膨胀值之差及24小时内抗压强度值由供需双方协商确定外，其他性能指标应符合本表的规定；

4当Ⅳ类水泥基灌浆材料用于混凝土结构改造和加固时，对其3小时的竖向膨胀率指标不作要求；

5对用于冬期施工的水泥基灌浆材料的30分钟保留值和24小时与3小时的膨胀值之差不作要求。

2低温水泥基高强座浆材料性能指标应按表4.4.8-2确定：

表4.4.8-2低温水泥基高强座浆材料性能指标

检验项目性能指标

初始130~200

-5℃流动性/mm

30min-

-5℃养护1d≥30

抗压强度/MPa-5℃养护3d≥60

-5℃养护7天后标养28d≥80

抗折强度/MPa-5℃养护7天后标养28d≥11

3h≥0.02

竖向膨胀率/%

24h与3h差值0.02~0.5

氯离子含量/%≤0.03

泌水率/%0

3二次灌浆用水泥基灌浆材料应按表4.4.8-3选择：表4.4.8-3二次灌浆用水泥基灌浆材

料

灌浆层厚度(mm)水泥基灌浆材料类别

5～30Ⅰ类

20～100Ⅱ类

80～200Ⅲ类

200Ⅳ类

注：1采用压力法或高位漏斗法灌浆施工时，可放宽水泥基灌浆材料的类别选择。

2当灌浆层厚度大于150mm时，可平均分成两次灌浆。根据实际分层厚度按上表选择合适的水泥基

灌浆材料类别。第二次灌浆宜在第一次灌浆24小时后，灌浆前应对第一次灌浆层表面做凿毛处理。

4.4.9后张预应力混凝土结构孔道灌浆应根据现行国家标准《混凝土结构设计规

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范》GB50010环境类别分类，不同环境类别孔道灌浆料应按照表4.4.9规定选择。

表4.4.9不同环境类别孔道灌浆料

环境类别一、二三四、五

可采用第Ⅰ类水泥宜采用第Ⅰ类水泥应采用第Ⅰ类水泥

灌浆材料

基灌浆材料基灌浆材料基灌浆材料

4.4.10接缝处防水密封材料应选用与混凝土槽壁粘结力强、回弹性好、适应混凝

土板收缩、不溶于水、不渗水、高温时不流淌、低温时不脆裂、耐老化的材料。

防水密封宜选用弹性体改性沥青防水卷材，弹性体改性沥青防水卷材性能指标应

满足表4.4.10的规定。

表4.4.10弹性体改性沥青防水卷材性能指标

序号检测项目指标

试样厚度（mm）可溶物含量（g/m2）

3≥2100

1可溶物含量

4≥2900

5≥3500

耐热温度105℃

2耐热性试样厚度≤2mm

试验现象无流淌、滴落

3低温柔性-25℃

4不透水性：30min0.3MPa