预应力砼-钢组合风电塔架穿筋连接段弹塑性分析

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1、第33卷第7期可再生能源Vol.33No.72015年7月RenewableEnergyResourcesJul.2015预应力砼-钢组合风电塔架穿筋连接段弹塑性分析许斌，谢咏剑，李正超（湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082）摘要：预应力砼-钢组合结构形式是发展大功率风机以及解决山区风场建设运输难题的必然选择，其预应力砼段与钢结构连接段的分析与设计是关键。文章提出一种新型的嵌入式开孔板和穿孔钢筋连接段结构方案，并以某高度为77.5m的风电塔架为例，建立有限元模型，在预应力和最不利荷载组合设计值作用下进行了弹性及弹塑性结构分析，得到钢

2、制连接件、砼、穿孔钢筋的应力分布和变形特点。结果表明：在法兰盘下部设置嵌入式钢筒和穿孔钢筋可以有效提高过渡段刚度，改善应力分布；当连接过渡段中砼榫发生塑性变形后，穿孔钢筋有效地发挥了传递剪力作用，并将上部荷载分散传递到下部砼塔筒中；从而验证所提方案的合理性。关键词：预应力砼-钢组合塔架；开孔板穿筋连接；有限元；弹性分析；弹塑性分析中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）07-1033-09DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.07.0120引言架连接段的结构设计分析。本文

3、提出一种新型带随着风机单机装机容量的增大，传统钢制塔孔穿筋钢板连接段结构方案并利用有限元数值模架高度以及塔架底部直径不断增大，导致塔筒运拟方法对其进行弹性及弹塑性模拟分析，得到结输困难及经济性差等一系列问题。传统钢制塔段构的应力应变分布及变形规律，并对其传力机理具有重量大、直径大的特点，如将其下部塔段部分进行了分析。换成砼，并在砼塔段中引入预应力钢筋，确保砼全1连接过渡段结构方案及受力特点截面受压或仅产生较小拉应力，砼不开裂，可以大本文的研究对象为某风电场的2MW风机，大提高塔架结构的耐久性及抗疲劳特性；上部直所提出的钢-砼连接过渡包括一

4、个钢制连接构件，径较小且重量较轻的塔顶仍为钢塔，形成砼-钢将预应力砼塔段与钢制塔段连接成整体。（图1）组合塔架结构形式。这种组合风电塔架具有明显77.500的技术优势。此外，采用砼制塔筒可以现浇或者预制，能有效避免大直径钢制塔筒的运输难题，提高00塔架的稳定性，降低成本。51116预应力砼-钢组合风电塔架的钢-砼连接段0穿孔钢筋057钢制连接件立面图结构选型、分析与设计是关键所在。国内外未见详7细设计资料和方案的报道。风电塔筒结构尺寸大、进行足寸模型试验花费大，且由于截面荷载大、结016.00008构试验困难，故有必要对其进行有限元数值分

5、析。15.200SeidelM对已建成的钢-砼组合塔架和钢塔架整002穿孔钢筋5[1]1体结构进行了结构动力性能分析。金涛以某砼1-1剖面图±0.0000风力发电高塔的工程实例为数值模拟对象，采用复合壳单元和三维实体单元对全砼发电高塔进行图1组合塔筒及连接件示意图[2]了有限元模拟。这些研究均未涉及组合发电塔Fig.1Thehybridtowerandtheconnectionsegment收稿日期：2015-01-27。基金项目：国家自然科学基金项目（51478175）。作者简介：许斌（1972-），男，博士，教授，主要从事风力发电组合

6、塔筒结构、结构健康监测等方面的研究。E-mail：binxu@hnu.edu.cn·1033·可再生能源2015，33（7）组合塔筒总高77.5m，底部第一段砼塔筒高15.22.3边界条件和加载方式m，15.2~16m高度处为过渡段，上部3段钢制塔过渡段砼筒底部加法兰盘，对法兰盘底面各筒总高61.5m。在钢制连接构件的嵌入式钢筒段个节点的水平位移和转动进行约束。为了便于施上开孔，并穿插钢筋，形成抗剪连接键，穿孔钢筋加荷载，在过渡段的上端截面圆心处建立参考点直径为20mm。参考桥梁结构中PBL剪力键研究RP1并使之与该截面耦合。于参考点RP

7、1施加弯[3]，[4]成果，沿嵌入式钢筒段的竖直方向布置4排穿矩、剪力和轴力等集中荷载，直接作用于与其耦合[7]筋孔，环向每8°布置一列穿筋孔，穿筋孔直径为的过渡段的上截面。60mm。该连接方案通过嵌入式钢筒孔洞中的砼2.4材料选取和砼塑性本构模型榫和穿孔钢筋的协同作用传递剪力，提高连接段模型中钢制连接件和锚具为Q345E钢材，屈[5]的抗剪强度、承载能力及延性。服强度为345MPa、弹性模量为209000MPa；穿2连接段有限元建模孔钢筋和普通钢筋为HRB400，屈服强度为4002.1有限元模型的建立MPa、弹性模量为200000MPa

8、；钢绞线的极限强连接段模型包括钢制连接件（含钢筒、法兰、度标准值为1860MPa、弹性模量为195000带穿筋孔的嵌入式钢筒）、砼塔段、穿孔钢筋、钢绞MPa，钢材泊松比取0.3。砼强度等级为C