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新型风力发电高塔节点的失效机理和极限承载力研究

高春彦  
【摘要】:随着风电机组单机装机容量不断增大,要求其支撑构架结构具有更大的高度以及相应的强度、刚度。基于工作性能更优,拆装和运输方便,材料用量更省,一种新型钢管混凝土格构式风力发电机塔架结构应运而生。节点作为新型风电塔架结构的关键部位,应力状态非常复杂,一旦发生破坏,将导致塔架结构传力路径改变或中断,会造成整个风电机组的倒塌。目前国内外关于钢管混凝土节点的研究成果主要取自桁架、桥梁、输电塔架、格构柱、海洋平台等结构中,均不能直接用于指导风电塔架结构节点的设计与计算。因此,对风电塔架结构节点的破坏机理、极限承载力以及控制指标和参数等问题进行研究,有重要的理论意义和实用价值。本文对圆钢管混凝土相贯节点和管板连接节点的破坏机理、承载力和设计方法等进行了较为系统深入的研究,主要研究内容和成果如下:以内蒙古白云鄂博地区某2MW水平轴变桨距式风电机组塔架结构为研究对象,基于日本土木学会《风力发电设备塔架结构设计指南及解说》和国际风电软件GH Bladed的荷载计算结果,分析了钢管混凝土格构式风力发电机塔架这种典型的“高鸡腿哑铃式”高耸结构与其他塔类结构受力的差异。结果表明,塔架柱肢的轴力和刚度相对腹杆大得多;水平腹杆的轴力很小,其仅作为受压斜腹杆失效后的“冗余度杆件”;塔架体系各节点的内力比差别较大。对轴向荷载作用下圆钢管混凝土K型相贯节点进行了试验研究和有限元模拟,分析了柱肢径厚比γ、腹杆与柱肢管径比β、壁厚比τ和夹角θ等参数对节点力学性能的影响,并与空心圆钢管相贯节点的力学性能进行比较。试验结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点在节点交汇区无应力集中现象,在本文试验参数取值范围内,腹杆失效是主要破坏形态。有限元分析结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点的控制破坏形态是腹杆失效和柱肢冲剪失效;发生哪一种破坏主要取决于腹杆与柱肢的壁厚比τ和夹角θ;节点极限承载力的判别准则与空心圆钢管节点完全不同。从安全性和经济性角度考虑,建议τ≤1,θ≤45°,以避免节点冲剪破坏的发生。对轴向荷载作用下圆钢管混凝土K型管板连接节点进行了试验研究和有限元模拟,研究了柱肢径厚比γ、腹杆与柱肢管径比β和壁厚比τ、节点板厚度与腹杆厚度比t_g/t_i等参数对这种节点力学性能的影响。试验结果表明:圆钢管混凝土K型管板节点的破坏形态为受压腹杆整体弯曲或局部屈曲、节点板失稳等,完全不同于空心圆钢管K型管板节点;节点区应力集中程度也大大降低。有限元参数分析结果表明:圆钢管混凝土K型管板节点的控制破坏形态为腹杆失效和节点板失效;节点板作为将各次构件连接到主结构钢管上的“过渡杆件”,其与腹杆的厚度比t_g/t_i直接决定了节点的破坏形态。建议t_g/t_i2,以避免节点板提前失效的发生。对两种类型节点承载效率的分析表明,腹杆失效时节点的承载效率总体较高;而柱肢冲剪失效或节点板失效时节点的承载效率均很低,说明为了保证风电机组正常工作,在节点处可通过改变几何参数和构造参数,使得腹杆失效首先发生,保证风电塔架体系在冗余度减小的情况下仍可以正常工作。在试验研究和有限元分析的基础上,从典型的破坏形态入手,建立了圆钢管混凝土K型相贯节点和K型管板连接节点的极限承载力计算方法。通过与有限元计算结果进行比较,表明建立的理论计算公式能准确地预测两种类型节点的极限承载力,可为工程设计提供参考。


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