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装配式风电塔架整体结构可靠性研究

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第48卷第l】期2017年11月 v0l_48 No.11 Nov.2017 Architecture Technology 建 筑 技 术 ・l127・ 装配式风电塔架整体结构可靠性研究 刘占省 , 张 禹2, 王竞超 , 徐瑞龙2 (1.北京工业大学建筑工程学院,100124,北京;2.北京金风科创风电设备有限公司,100176,北京) 摘 要:分析装配式风电塔架在荷载作用下的位移和应力,以塔架顶部位移和各构件最大应力为控制条 件对塔架进行可靠性分析,并研究预应力松弛对于塔架整体可靠性的影响。结果表明对塔架结构性能影响最 大的两个参数分别为钢塔筒壁厚和混凝土塔简门洞口附近预应力筋束的应力;预应力松弛会降低塔架位移和 钢塔筒的可靠指标而提高混凝土塔筒的可靠指标。 关键词:装配式风电塔架;有限元;可靠性;预应力松弛 中图分类号:TU 398 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2017)1 1-1 127—04 RELIABILITY ANALYSiS OF FABRICATED WIND TURBINE TOWER LIU Zhan.sheng ,ZHANG Yu ,WANG Jing.chao ,XU Rui.1ong (1.College ofArchitecture and Civil Engineering,Beijing University ofTechnology,100124,Beijing,China; 2.Beijing Jinfeng Wind Power Equipment Co.,Ltd.,100176,Beijing,China) Abstraet:The stress distribution and deformation under design load are obtained.And the reliability analysis based on the results of stress distribution and deformation for the whole wind turbine tower iS carried out.Numerical simulation results show that the components which have big influence on the tower are the thickness of steel and prestressed bars around the portal and the relaxation of prestressing will reduce the reliable index of tower deformation and stress of stee1.and enhance the reliable index of concrete. Keywords:fabricated wind turbine tower;finite element method;reliability analysis;relaxation of prestressing 装配式风电塔架是将混凝土塔筒和钢塔筒进行 下部采用混凝土塔筒,混凝土强度等级为C60,塔筒 现场装配的组合结构塔架形式。目前国内外对风电 顶部标高14.380m。上部钢塔筒采用Q235钢材,壁 塔架在静力和动力性能等方面的研究已取得很多成 厚35 mm,与混凝土塔筒间通过法兰连接,法兰与混 果[1I2】。可靠性理论经过几十年的发展也已广泛应用 凝土塔筒1司设50mm厚钢垫片。混凝土段采用预应 于实际工程中,实现了从可靠性角度得出结构的量化 力混凝土,塔筒中设置4O根无粘结预应力筋,预应 评价指标口 】,目前的研究主要集中在塔架的整体力 力施加方式为后张法,张拉控制应力为1 200MPa。 学性能分析和钢混连接段结构的设计方面[6, 】,但对 通过法兰将上部钢筒锚固于下部混凝土塔简顶面, 其整体可靠性的研究还较罕见。本文应用可靠性分析 以实现两种结构的共同受力。混凝土塔筒上设有门洞 理论,以某型号的装配式风电塔架为研究对象,基于 口,朝向垂直于风场主风向(图1,2)。 有限元的可靠度分析计算和随机变量分析方法研究塔 架整体结构在荷载作用下的可靠性,并分析混凝土塔 筒中的预应力筋松弛 明对塔架整体可靠性的影响。 1装配式塔架力学性能分析 1.1工程概况 本文的研究对象为某2.0 MW风力机组。机组采 用装配式塔架结构形式,塔顶标高为91.800m,塔架 收稿日期:2017-08-05 图1装配式塔架结构 图2装配式塔架施工 基金项目:北京工业大学基础研究基金(004000546317500) 作者简介:刘占省(1983一),男,河南濮阳人,副教授,高级工程 师,博士,e—mail:lzs4216@163.tom. 1.2装配式塔架有限元模型建立 单元类型和材料属性如下:混凝土弹性模量 ・1128・ 建筑技术 第48卷第l1期 3.6×10加,泊松比0.2,材料密度2.6×10。,预应 力筋截面积0.00196m2,钢塔筒板材厚度0.035m, 钢材弹性模量2.06X 10“,泊松比O.3,材料密度 7.85×10 kg/m ,热膨胀系数2×lff 。 第一荷载步为预应力筋张拉过程模拟,预应力施 加方法采用降温法。 第二荷载步为在塔架顶部施加荷载,建模过程是 在塔架顶部的中心创建参考点,并设置其与周围钢塔 筒上表面节点间的刚性连接。 在此参考点上施加弯矩、剪力和轴力,将荷载 施加至塔架整体模型上。施加在塔架顶部荷载的具 体数值为弯矩50537kN・m,剪力548.8kN,轴力 1 365kN。 1.3数值模拟结果分析 两荷载步计算完毕后,提取塔架整体位移和各 部件应力,分析结果显示塔架顶部节点最大位移值 为0.797m,混凝土塔筒最大压应力为26.86MPa, 最大拉应力为1.85MPa。钢塔筒受压侧最大应力为 11 1.9MPa,受拉侧最大应力为135MPa,符合相关规 范的要求。混凝土塔筒最大应力出现在过渡段部位, 在门洞口附近区域也出现一定程度的应力集中。 2装配式塔架可靠性分析 本文计算中采用基于响应面的蒙特卡罗法分析塔 架的可靠性。该法利用ANSYS软件中的PDS模块, 先通过抽样方法拟合结构的响应面,再用拟合出的响 应面方程代替结构有限元模型,之后通过蒙特卡罗方 法对结构进行可靠性分析。 2.1随机变量定义 本文将混凝土塔筒中的40根预应力筋平均分为 5组,每组8根预应力筋。以混凝土塔筒门洞口为起点, 第一组为左右靠近门洞口各l~4根,第二组为左右各 靠近门洞口的4-8根,以此类推。与之对应,各组预 应力值分别为PRE1-PRE5,以考虑不同位置的预应 力筋对塔架力学及可靠性的影响。随机输入变量及其 统计信息见表1。 2.2输入变量灵敏度计算 对塔架顶部位移而言,其顶部所受迎风荷载灵敏 度最大;而塔架所受叶轮俯仰力矩对塔架顶部位移的 影响并不十分显著。其次,塔架自身物理力学特陛中, 对塔架顶部位移影响最大的前3位依次为钢材的弹眭 模量、钢塔筒壁厚和第1组预应力筋的张拉应力。 模型中的输出变量为塔架结构受荷载后各个部位 的应力及顶部位移,具体见表2。 表1各输入变量的分布类型及变异系数 名称 分布 平均值 变异系数 预应力筋张拉应力(PRE1) 高斯分布 1.2×10 0.288 预应力筋张拉应力(PRE2) 高斯分布 1.2×10 0.288 预应力筋张拉应力(PRE3) 高斯分布 1.2×10 0.288 预应力筋张拉应力(PRE4) 高斯分布 1.2×109 0.288 预应力筋张拉应力(PRE5) 高斯分布 1.2×10 0.288 预应力筋截面面积(AS) 对数正态分布 O.OOl96 O.05 混凝土弹性模量(E1) 高斯分布 3.6×10 。 O.06 钢材弹}生模量(E2) 高斯分布 2.06×10” O.O6 混凝土密度(DENS1) 高斯分布 2.6 x10 0.05 钢材密度(DENS2) 高斯分布 7.8×1 0.05 钢塔筒壁厚(T) 高斯分布 0.035 0.O5 塔架迎风荷载(FZI) 对数正态分布 ll38900 0.15 机舱重力荷载(FY1) 对数正态分布 548 800 0.15 叶片俯仰力矩(MX1) 对数正态分布 5085300 0.15 表2塔架可靠性分析输出变量 输出变量 名称 塔架顶部位移 UMAX 钢筒段受拉侧最大应力 GTMAX 钢筒段受压侧最大应力 GTMIN 混凝土最大拉应力 HNTMAX 混凝土最大压应力 HNTMrN 塔架自身特f生参数中,对钢筒受拉侧最大应力影 响最大的为第2组预应力筋的张拉应力,其次为钢塔 筒壁厚;而在钢筒受压侧,塔架自身特性参数中对应 力影响最大的首先为钢塔筒壁厚,其次为第1组预应 力筋的张拉应力。 对混凝土最大压应力,影响最大的前两个参数分 别为第5组和第4组预应力筋张拉应力;而对混凝土 最大拉应力影响最大的前两个参数则分别为第1组和 第2组预应力筋张拉应力。这与混凝土塔筒的拉应力 与压应力分布区域不同有关。 提交ANSYS软件进行计算,生成可靠性分析报 告。得到各输入变量对输出变量的线性相关系数见 表3。 2.3塔架结构可靠指标计算 2.3.1极限状态设定 (1)塔架整体变形控制:参考GB50135-2006 《高耸结构设计规范》中关于顶部位移限值的规定, 本文模型中考察标准为塔架顶部位移不超过离地高度 的l/1OO。 2017年11月 刘占省,等:装配式风电塔架整体结构可靠性研究 表3随机输出变量与随机输入变量的线性相关系数 名称 UMAX Hl、rrMAX PRE1 PRE2 PRE3 PRE4 PRE5 small small 0.078 -0.003 O.13 0.046 AS small 0.166 E1 -0.O3 -0.045 E2 DENS1 DENS2 T -0.291 small FYl 0 -0.004 FZl O.821 0.094 MX1 O.139 O _o.134 _J0.083 0.553 O.4 _J0.353 --0.002 -0.OO1 0.262 -0.009 _J0.002 HNTMIN GTMAX GTMIN small O.128 O.105 small __0-3 -0.04 -0.325 _J0.752 .J0.183 -0.058 _Jo.177 -0.003 -0.0O1 O.O6 small 0 O.017 -0.001 small _Jo.217 -0.026 0.754 0.088 _o.072 -0.003 -J0.1O5 small _o.055 small small small -0.O19 -J0.179 _0.003 0.333 _Jo.023 -0.004 _J0.103 _0.108 -0.032 _0.892 -0.097 (2)塔架承载能力控制:取Q235钢材的设计 表5不同顶部位移限值下的可靠指标 强度值和c60混凝土的设计强度值。本文模型中考 察标准为钢塔筒和混凝土塔筒中的最大应力不超过材 料的设计强度。 2.3.2可靠指标计算结果 经过ANSYS中的PDS模块分析后得到的塔架 整体变形控制下的失效概率及可靠度指标为输出变量 UMAX,失效概率0.0845,可靠指标1.37。 塔架承载能力控制下的失效概率及可靠度指标见 表4。 表4塔架承载能力控制下的失效概率及可靠度指标 输出变量 失效概率 可靠指标 HNTMAX 0.1472 1.04 HNTMIN 0.1633 O.98 GTMAX 0.0030 2.77 GTMIN 0.0006 3.29 通过ANSYS算出的塔架可靠性偏低,这与采用 的荷载数值过大和极限状态建立有关。结合塔架自身 重要性和应用条件等情况,以上数据可为装配式风电 塔架可靠度限值的建立提供参考,建议在塔架设计过 程中对构件应力过大的部位采取加强措施。 2.3.3 不同限值下的塔架结构可靠度 考虑到实际工程中材料和荷载的变异陛,将上文 中的限值进行一定程度的改变,得出结构在不同限值 下的失效概率和可靠指标变化情况。 (1)塔架整体变形控制:将顶部位移限值以5% 的比例递减,得出不同限值下塔架变形控制的失效概 率和可靠指标(表5)。 随着位移限值的减小,可靠指标接近线性下降。 针对以上数据,拟合出线性方程如式(1)所示: =一7.42703+9.0897x (1) 式中:Y为可靠度指标; 为塔架顶部位移限值。 (2)塔架承载能力控制:针对上部钢塔筒,改 顶部位移限值 I『MAX O.95% 1.03 O.9% 0.69 O.85% O_33 O.8% -0.O7 O.75% _o.5O O.7% -0.93 . O.65% -1.43 0.6% -I.94 O.55% -2.46 O.5% -3.O9 料设计强度得到不同钢材强度下的可靠指标,见 衣O0 表6不同钢材强度的可靠指标 材料强度/MPa 205 195 185 175 165 GTMAX 2.77 2.54 2.28 2.03 1.75 GTMIN 3.29 2.85 2.47 2.O6 1.60 针对下部混凝土塔简,查阅混凝土设计规范 关于不同强度等级混凝土的材料强度以给出相应限 值。不同强度等级下塔架承载能力控制的可靠指标见 表7。 表7不同强度等级混凝土的可靠指标 混凝土强度等级 C75 C70 C65 C6O C55 C50 C45 C40 HNTMAX l_39 1.29 1.17 1.04 O_85 O.67 0.43 O.17 HNTMIN 2-3l 1.92 1.48 O.98 0.48 -0.07 -0.57 -0.98 承载力控制下,上部钢筒的可靠指标明显比下 部混凝土大,说明上部钢简在强度方面还有很大的富 裕。与受压侧相比,钢筒受拉俱 靠指标减小速度更 慢。针对以上数据,拟合出线性方程如式(2)一(5) 所示: -2.4435+0.0255x (2) -5.2605+0.0417x (3) 一1.11298+0.0346x (4) -4.86869+0.09674x (5) ・l130・ 建筑技术 第48卷第11期 式(2),(3)中:Y为可靠指标, 为钢材强 预应力松弛对混凝土塔筒最大应力可靠指标的提高 度;式(4),(5)中:Y为可靠指标, 为混凝土强度 程度并不高。针对以上数据,拟合出线性方程如式 等级。 (9),(10)所示: y=1.508—0.4x (9) 3预应力筋松弛对结构可靠性影响 y=1.607-0.57x (10) 式中:Y为可靠指标; 为塔架的整体预应力水 考虑到塔架的恶劣工作环境,本文从结构可靠  度的角度出发,研究混凝土塔筒中的预应力筋松弛 平(%)。对塔架结构可靠性的影响。将塔筒预应力筋整体应 力水平按百分比形式,从100%依次下降至50%。分 别计算各级预应力作用下各个输出变量的可靠指标 (表8)。 表8整体预应力松弛情况下各参数的可靠指标 松弛程度 UMAX GTMAX GTMIN }王]NTMAX HNTMIN O.9 O.8 0.7 0.6 O.5 1.33 1.28 1.19 1.05 O.92 2.24 1.64 1.15 0.73 O-37 3.15 3.Ol 2.91 2.62 2.14 1.12 1.21 1.25 1-27 1.29 1.07 1.17 1.23 1.26 1_31 4结论 (1)通过ANSYS计算的塔架可靠性偏低。这 与计算中采用的荷载数值过大和极限状态建立较为严 格有关,建议在塔架的设计过程中对构件应力过大的 部位采取加强措施。 (2)综合考虑各输入变量对输出变量的灵敏度, 从控制塔架变形和各部件最大应力的角度综合考虑, 影响最大的两个参数分别为塔架上部钢塔筒壁厚和混 凝土塔筒门洞口附近预应力筋的应力。 (3)在承载能力控制下,钢塔筒的可靠指标高 于混凝土塔筒。在塔架设计时宜专门对混凝土塔筒予 将上述各参数的可靠度指标进行整理,可得出整 以加强处理。随着失效控制限值的改变,各输出变量 的可靠指标大致呈线性变化。 体预应力水平降低情况下塔架可靠指标变化趋势。 (4)预应力松弛将降低塔架位移和钢塔简的可 参考上述关于塔架各输入变量对输出变量的灵敏 度计算可知,各组预应力筋的张拉应力对顶部位移的 靠指标。由于混凝土塔简应力主要由预应力筋张拉应 灵敏度均较小,故此处可靠指标计算中预应力筋松弛 力引起,预应力松弛将导致混凝土塔筒应力降低,所  塔架顶部位移的可靠指标的影响也相对较小。针对以 以预应力松弛将提高混凝土塔筒的可靠指标。上数据,拟合出线性方程如式(6)所示: y=1.05+0.419x (6) 参考文献 [1】金涛,周勇,李杰.钢筋混凝土风力发电高塔数值分析[J】.华中科 技大学学报(城市科学版),2008(4):270-272,279. [2]李长凤.风力发电结构动力反应的一体化有限元模型分析[J].特 种结构,2008(2):1 7—1 9. 式中:Y为可靠指标; 为塔架的整体预应力水 平(%)。 钢筒受拉侧,预应力筋松弛初期,可靠指标降低 较陕,随松弛程度加深,可靠指标的降低速度逐渐变 慢;而对钢筒受压侧变化趋势则相反。整体而言,钢 [31徐伟,孙曼,骆艳斌,等一 海环球金融中心整体钢平台模板体系 动力可靠性分析[J】.建筑技术,2008,39(5):336-339 [4】吴燕开,许文龙.基于蒙特卡罗法的基坑整体稳定性分析[J]l建 筑技术,2009,40(5):461 ̄63. 筒受压侧的可靠指标始终维持在较高水平且高于钢筒 受拉侧。针对以上数据,拟合出线性方程如式(7),(8) 所示: 一2.029+4.65x y=1.079+2.41x (7) (8) [5】贺广零,李杰.风力发电高塔系统抗风动力叮靠度分析Ⅲ同济 大学学报(自然科学版),2011(4):474__481. [6】牛家兴.预应力混凝土一钢组合风电塔架结构性能研究【D].长沙: 湖南大学,2014. [7]陈俊岭,阳荣昌,马人乐.大型风电机组组合式塔架结构优化设 计[J].湖南大学学报(自然科学版),2015(5):29—35. [8]Liu Z S,Xu R L.Reliability analysis of beam string structure considering the failure of key components[J],Advanced Materials 式中:Y为可靠指标; 为塔架整体预应力水 平(%)。 Research,2011(243—249):351-354 [9】刘占省,王欢欢,李斌,等.考虑拉索锈蚀与松弛的弦支筒壳 结构可靠性分析[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2016(S1):48——54. [10]Cheng J,Li Q s,Application of the response surface methods to solve inverse reliability problems with implicit response functions[J]. Computational Mechanics,2009,43(4):45 1—459. 预应力的松弛能提升混凝土塔筒的可靠指标, 这是由于混凝土塔筒中的应力绝大部分由预应力筋 的张拉应力引起,预应力筋的松弛将减/J、混凝土塔 筒中应力水平,提高了混凝土塔筒的可靠指标;但 

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