發(fā)布時間：2020-05-13 13:27

【摘要】：隨著風電機組單機裝機容量不斷增大,要求其支撐構(gòu)架結(jié)構(gòu)具有更大的高度以及相應(yīng)的強度、剛度�；�于工作性能更優(yōu),拆裝和運輸方便,材料用量更省,一種新型鋼管混凝土格構(gòu)式風力發(fā)電機塔架結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。節(jié)點作為新型風電塔架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,應(yīng)力狀態(tài)非常復雜,一旦發(fā)生破壞,將導致塔架結(jié)構(gòu)傳力路徑改變或中斷,會造成整個風電機組的倒塌。目前國內(nèi)外關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點的研究成果主要取自桁架、橋梁、輸電塔架、格構(gòu)柱、海洋平臺等結(jié)構(gòu)中,均不能直接用于指導風電塔架結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)計與計算。因此,對風電塔架結(jié)構(gòu)節(jié)點的破壞機理、極限承載力以及控制指標和參數(shù)等問題進行研究,有重要的理論意義和實用價值。本文對圓鋼管混凝土相貫節(jié)點和管板連接節(jié)點的破壞機理、承載力和設(shè)計方法等進行了較為系統(tǒng)深入的研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:以內(nèi)蒙古白云鄂博地區(qū)某2MW水平軸變槳距式風電機組塔架結(jié)構(gòu)為研究對象,基于日本土木學會《風力發(fā)電設(shè)備塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計指南及解說》和國際風電軟件GH Bladed的荷載計算結(jié)果,分析了鋼管混凝土格構(gòu)式風力發(fā)電機塔架這種典型的“高雞腿啞鈴式”高聳結(jié)構(gòu)與其他塔類結(jié)構(gòu)受力的差異。結(jié)果表明,塔架柱肢的軸力和剛度相對腹桿大得多;水平腹桿的軸力很小,其僅作為受壓斜腹桿失效后的“冗余度桿件”;塔架體系各節(jié)點的內(nèi)力比差別較大。對軸向荷載作用下圓鋼管混凝土K型相貫節(jié)點進行了試驗研究和有限元模擬,分析了柱肢徑厚比γ、腹桿與柱肢管徑比β、壁厚比τ和夾角θ等參數(shù)對節(jié)點力學性能的影響,并與空心圓鋼管相貫節(jié)點的力學性能進行比較。試驗結(jié)果表明:圓鋼管混凝土K型相貫節(jié)點在節(jié)點交匯區(qū)無應(yīng)力集中現(xiàn)象,在本文試驗參數(shù)取值范圍內(nèi),腹桿失效是主要破壞形態(tài)。有限元分析結(jié)果表明:圓鋼管混凝土K型相貫節(jié)點的控制破壞形態(tài)是腹桿失效和柱肢沖剪失效;發(fā)生哪一種破壞主要取決于腹桿與柱肢的壁厚比τ和夾角θ;節(jié)點極限承載力的判別準則與空心圓鋼管節(jié)點完全不同。從安全性和經(jīng)濟性角度考慮,建議τ≤1,θ≤45°,以避免節(jié)點沖剪破壞的發(fā)生。對軸向荷載作用下圓鋼管混凝土K型管板連接節(jié)點進行了試驗研究和有限元模擬,研究了柱肢徑厚比γ、腹桿與柱肢管徑比β和壁厚比τ、節(jié)點板厚度與腹桿厚度比t_g/t_i等參數(shù)對這種節(jié)點力學性能的影響。試驗結(jié)果表明:圓鋼管混凝土K型管板節(jié)點的破壞形態(tài)為受壓腹桿整體彎曲或局部屈曲、節(jié)點板失穩(wěn)等,完全不同于空心圓鋼管K型管板節(jié)點;節(jié)點區(qū)應(yīng)力集中程度也大大降低。有限元參數(shù)分析結(jié)果表明:圓鋼管混凝土K型管板節(jié)點的控制破壞形態(tài)為腹桿失效和節(jié)點板失效;節(jié)點板作為將各次構(gòu)件連接到主結(jié)構(gòu)鋼管上的“過渡桿件”,其與腹桿的厚度比t_g/t_i直接決定了節(jié)點的破壞形態(tài)。建議t_g/t_i2,以避免節(jié)點板提前失效的發(fā)生。對兩種類型節(jié)點承載效率的分析表明,腹桿失效時節(jié)點的承載效率總體較高;而柱肢沖剪失效或節(jié)點板失效時節(jié)點的承載效率均很低,說明為了保證風電機組正常工作,在節(jié)點處可通過改變幾何參數(shù)和構(gòu)造參數(shù),使得腹桿失效首先發(fā)生,保證風電塔架體系在冗余度減小的情況下仍可以正常工作。在試驗研究和有限元分析的基礎(chǔ)上,從典型的破壞形態(tài)入手,建立了圓鋼管混凝土K型相貫節(jié)點和K型管板連接節(jié)點的極限承載力計算方法。通過與有限元計算結(jié)果進行比較,表明建立的理論計算公式能準確地預測兩種類型節(jié)點的極限承載力,可為工程設(shè)計提供參考。
【圖文】：

早期小型風機的塔體結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1 所示，這為現(xiàn)有塔架以及新型塔架的形成提供了雛形。圖1.1 早期風機塔架形式在過去的三十年中，實際工程中應(yīng)用較多的風電塔架形式主要有：圓筒鋼塔架、鋼格構(gòu)式塔架、圓筒混凝土塔架等，如圖 1.2 所示，，其中以圓筒鋼塔為主流塔架。近年來隨著新一代風機的單機最大裝機容量達到 6MW，需要超過百米高度的塔架用來支撐風機的運轉(zhuǎn)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷也大大增加，此時圓筒鋼塔在用料、運輸安裝等方面都存在困難。研究表明，超過85m 的圓筒鋼塔將存在結(jié)構(gòu)振動方面的挑戰(zhàn)。目前世界上最高的風力發(fā)電機塔架位于波蘭 Nowy Tomy l，2012 年建成，單機容量為2.5MW

與鋼塔筒結(jié)合的索塔型塔架等。（a） （b） （c）圖1.2 傳統(tǒng)塔架形式（a） （b） （c）圖1.3 新型塔架形式到目前為止，國內(nèi)外學者在風力發(fā)電機塔架的載荷計算、靜動力性能、疲勞性能、優(yōu)化設(shè)計、新型塔架的性能研究等方面已取得較大進展，其中在塔架動力學方面的研究居多[18-21]。國外在風電塔架的性能研究方面，2002 年，N Bazeos 等對 450KW 的水平軸風力發(fā)電機原型塔架進行了承載力和抗震性能研究，并將有限元分析結(jié)果與其他簡化模型分析結(jié)果進行了比較[22]。2007 年，Harte 等認為：塔高超過 85m 時鋼結(jié)構(gòu)塔架將不能克服自身的振動激勵作用；并以德國威廉港附近的一座功率為 3MW、塔高 92m 的預應(yīng)力混凝土塔架為原型，考慮了預應(yīng)力和風荷載的作用
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM614

【參考文獻】

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本文編號：2662031