桁架式预应力抗疲劳钢管高风塔研究及160m塔设计施工实例-马人乐-同济大学-solarbe文库

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桁架式预应力抗疲劳钢管高风塔研究及 160m塔设计施工实例同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司马人乐同济大学土木工程学院目录 Part1 研究背景 Part2 桁架式钢管风电塔 Part3 关键节点力学性能与预应力抗疲劳方法 Part4 成果与优势研究背景Part 1 风电发展区域转换我国电力消纳矛盾三北地区风资源丰富，能源需求少；国际可再生能源机构 IRENA 单机容量大型化是国际风电发展趋势之一，自 1985年以来，轮毂高度和叶轮尺寸不断提升。中东部地区风资源相对匮乏，电力需求高。矛盾解决方法改变三北地区能源消耗配置；专用特高压输电线路建设；风场布局由三北向中东部低风速高负荷区转移。低风速区风塔方案提高效益的主要方法为提高风轮直径和轮毂高度，以产生经济效益，即在低风速区建立更高、叶片更大的风塔，以获取更多且更平稳的风资源。 “ 风塔大型化”带来的结构变化塔身弯矩 M 约正比于塔高 h的 1.5次方；结构变形约正比于塔高 h的 2次方；支承结构用钢量约正比于塔高 h的 1.5次方；结构频率随刚度减少而下降，更易与风机叶轮共振；钢塔筒结构若不调整，局部稳定要求（径厚比）限制筒径加大，材料效率降低；钢塔筒结构阻尼比低，不利于抑制共振，依靠控制系统调节。转移中求生存之法刚性高风塔柔性塔方案的局限柔性塔要在不改变材料用量的条件下提高结构抗弯模量和惯性矩（对应于承载能力和刚度），就要加大筒身直径并减小壁厚。但受到两方面约束 1）筒身直径大于 4.3m时公路运输无法过立交； 2）筒身径厚比太大则局部稳定无法满足。所以筒状柔性塔的结构效率无法提高。用各种控制技术避免共振的风险。振动控制技术是一个复杂的系统，包括采集信息 → 传递 → 计算机处理 → 控制指令传递 → 机械系统执行 → 进一步采集信息 → 直到共振被抑制，但存在两个问题 1）在机组整个生命周期内，要保证这个复杂系统的所有元器件都有效，难度较大； 2）即使振动控制技术有效，这是以振动控制为目标的应变，不是以提高发电效率为目标，所以发电效率也会受影响。转移中求生存之法刚性高风塔混塔方案刚性方案特点在于结构刚度大，阻尼比大，可直接有效避免塔身与机头的共振。渐变形全现浇混凝土塔翻模或滑模现浇体外预应力板状预制拼接混凝土塔环向多板拼接体外预应力分段变径预制混凝土塔分段变径环状预制体外预应力钢 -预应力混凝土复合塔下段现浇混凝土上段钢塔筒目前已有的刚性塔方案大多为混凝土结构或钢 -混组合结构。但相比于全钢结构塔而言，混凝土塔施工过程铺场大、周期长，工业化程度较低。转移中求生存之法刚性高风塔桁架式角钢风电塔方案构架式角钢风电塔优点用桁架塔代替筒状塔，结构效率提高；用高强螺栓抗剪连接解决节点抗疲劳问题，桁架部分几乎无焊接。缺点角钢的迎风体型系数太大；角钢截面回转半径太小，受压稳定折减较大；角钢规格受限制，目前只能做 140m以下的塔。转移中求生存之法桁架式钢管风电塔Part 2 刚度大，承载能力高；底部构架式结构材料分布合理；工业化制造、散件运输、现场拼装；基础根开大、受力小、造价低。塔身采用全钢结构，以提升刚性风塔的工业化程度；将塔身底部设计为桁架式，高效提高结构刚度；对塔柱施加预压力，以提高塔柱节点的抗疲劳性能。桁架式预应力抗疲劳钢管风电塔方案特点设计理念整塔 or 筒状天圆地方单管式塔筒过渡段独立基础桁架式塔架结构组成塔柱采用圆钢管，材料分布于截面四周，整体稳定性高，风荷载体型系数相对较小。塔柱节点桁架式塔架钢管预应力钢绞线全熔透对接焊缝高颈法兰螺栓结构组成塔架上部斜杆、顶部横杆由疲劳控制，采用 H型钢，用摩擦型高强螺栓连接；下部横杆采用端部开槽圆钢管，槽口焊接端板后与塔柱节点板用摩擦型高强螺栓连接。斜杆节点横杆节点上部斜杆全熔透对接焊缝桁架式塔架结构组成塔架下部斜撑由整体稳定控制，采用圆钢管截面。下部斜撑节点桁架式塔架结构组成利用过渡段完成圆形塔筒到四边形塔架的过渡。过渡段加劲肋应力集中消除孔全熔透对接焊缝塔柱锚板横杆斜杆过渡段壁纵向法兰过渡段结构组成关键节点力学性能与Part 3 预应力抗疲劳方法锻造高颈法兰构造简单、焊缝较少，疲劳危险点一般位于颈部焊缝焊趾、法兰螺栓；应力分布全熔透对接焊缝全熔透对接焊缝螺栓法兰颈部存在垂直于壁厚方向的弯曲应力；法兰板翘曲后，在法兰板的带动下螺栓存在较大弯曲变形。塔柱法兰荷载应力曲线全熔透对接焊缝全熔透对接焊缝螺栓法兰螺栓与法兰颈部焊趾应力变化存在不同程度的非线性。塔柱法兰法兰螺栓法兰颈部焊缝全熔透对接焊缝全熔透对接焊缝螺栓外荷载作用下，塔柱法兰颈部与螺栓存在弯曲应力。特殊点解决方法利用有限元分析结果，读取名义应力（螺栓）或线性外推得到热点应力（焊趾）。外荷载作用下，塔柱法兰颈部与螺栓应力变化非线性。利用各法兰载荷应力曲线，得到各荷载循环中的应力上下限，进而基于线性损伤累计准则求得疲劳损伤。塔柱法兰荷载应力曲线（ 2）颈部对接焊缝焊趾处法兰板张开后，颈部垂直于壁厚方向的弯曲应力上升。预压力作用下法兰荷载应力曲线塔柱预压力将降低塔柱在疲劳荷载下的平均应力，在一定程度上抑制法兰板张开。 𝛥𝑃 𝑁𝑡 𝐴𝑏𝐴 𝑝 𝐴𝑏 式中为螺栓拉力变化值，为法兰所受拉力分配到单个螺栓上的力，为螺栓截面面积，为法兰挤压面面积。但法兰板张开后，螺栓拉力变化将表现出非常强的非线性，疲劳荷载作用下的名义应力幅攀升。 𝛥𝑃 𝑁𝑡 𝐴𝑏 𝐴𝑝 （ 1）螺栓法兰板张开前高强螺栓在外荷载作用下拉力变化可按上塔柱预应力钢绞线全熔透对接焊缝高颈法兰螺栓预应力抗疲劳塔柱法兰下塔柱塔柱预压力抑制了法兰板张开，降低了螺栓与法兰颈部在疲劳荷载循环下的应力变化。荷载应力曲线（螺栓）荷载应力曲线（法兰颈部）预应力抗疲劳预压力作用下法兰荷载应力曲线塔柱法兰根据上述分析，现结合风电塔的疲劳荷载评估预应力抗疲劳的效果。（ 1）法兰螺栓塔柱预压力可大幅降低法兰螺栓损伤累计值，提高螺栓疲劳寿命。预应力抗疲劳损伤累计（ 2）法兰（ ZFL7）颈部焊缝焊趾相比于增大塔柱壁厚降低疲劳危险点损伤累计值的方法，预应力抗疲劳方法具有更高效率。塔柱法兰稳定分析屈曲模态特征值较大。基于一致模态法和弧长法对过渡段进行荷载位移全过程分析，全过程曲线下降段出现在材料大范围进入塑性之后，表明过渡段稳定性较高。过渡段应力集中消除孔过渡段局部（应力集中处）疲劳效应起控制作用，采用特殊的方法转移应力集中位置，提高局部抗疲劳性能。应力集中消除孔使应力集中处远离焊根焊趾，转移至初始缺陷与残余应力均较小的孔边。应力集中消除孔过渡段不同规范和标准所考虑的应力比 R对疲劳寿命的影响程度不同，且与节点部位的残余应力程度相关。注疲劳荷载应力比 RSmin/Smax，即应力循环中的最小应力 /最大应力。预应力抗疲劳应力比对疲劳寿命的影响无明显残余应力应力比对疲劳寿命的影响存在较低残余应力应力集中消除孔过渡段现结合风电塔的疲劳荷载评估预应力抗疲劳的效果。相比于增大塔柱壁厚降低疲劳危险点损伤累计值的方法，预应力抗疲劳方法具有更高效率。预应力抗疲劳应力集中消除孔注按 DNVGL规定（低残余应力）对压区应力幅进行折减。过渡段以塔架过渡段的“钢管 -插板焊接节点”为对象，进行了多组预应力抗疲劳试验。钢管 -插板焊接节点应力集中消除孔疲劳寿命提高 2.56倍；高颈锻造法兰对焊部位疲劳寿命提高 3倍以上。全压状态（）下𝑅 −∞ 基于构架式钢管塔过渡段的焊接节点抗疲劳试验预应力抗疲劳试验研究实际裂纹萌生后，焊接残余应力随即释放，其后在全压力循环下裂纹扩展缓慢，可长时间带裂工作，即 “ 裂纹扩展寿命 ” 很长。预应力抗疲劳实际将疲劳的 “ 脆性破坏 ” 改善为一种特殊的 “ 延性破坏 ” 模式，具有较好意义。裂纹扩展速率基于构架式钢管塔过渡段的焊接节点抗疲劳试验预应力抗疲劳试验研究预应力抗疲劳理论基础塔柱预应力降低疲劳荷载循环下塔柱平均应力降低抑制塔柱疲劳危险点应力比 R 法兰板张开降低降低法兰颈部应力变化法兰螺栓应力变化降低裂纹扩展速度提高疲劳寿命注疲劳荷载应力比 RSmin/Smax，即应力循环中的最小应力 /最大应力。预应力抗疲劳设计方法采用预压力降低塔柱及其节点在疲劳荷载下的平均应力，从而提升疲劳寿命，具有较好的可行性和经济性。设计开始极限荷载 Pu设计截面选定疲劳荷载 Pf 验算不通过通过施加预压力根据极限状态调整截面验算损伤累计值通过设计完成不通过结论预应力抗疲劳设计方法