格构式钢管混凝土三肢柱风力发电机塔架的受力性能研究

摘要

随着风力发电机组日趋大型化,风电技术对塔架结构的要求与依存度越来越高。目前国际风电市场上普遍采用锥台型钢结构塔筒,其优点是外形简洁美观,传力明确,维修方便安全;但其具有运输困难、材料利用率低、高度受限制等缺点。较之锥台型塔筒,格构式塔架具有节约材料,刚度大,可以突破由于运输条件对塔架高度的限制等诸多优点。鉴于此,本文以白云鄂博地区某1.5MW风力发电机锥台型钢结构塔筒的受荷状态为参考对象,设计了格构式钢管混凝土三肢柱风力发电机塔架原型,并根据相似理论计算得到格构式钢管混凝土三肢柱塔架模型。通过对塔架模型进行低周反复水平荷载试验,研究了该类塔架的破坏机理及破坏特征、各杆件及节点的内力分布和发展规律、滞回曲线、延性和耗能能力等力学性能,在此基础上通过有限元数值模拟得到了腹杆与塔柱刚度比、塔柱径厚比和长细比对塔架破坏模式和极限承载力的影响规律。
　　由试验结果可知:格构式钢管混凝土三肢柱塔架的滞回曲线较为饱满,无捏缩现象,说明其具有较好的抗震性能和耗能能力;在整个受力过程中,由于试件本身的非对称性,其正向加载的位移曲线与反向加载时不同,正向加载无明显的下降段,而反向加载有明显的屈服段和下降段;正、反向加载时位移延性系数分别为3.22和2.70。塔架的破坏发展过程为:底层受压斜腹杆首先屈曲;之后底层受力较大侧塔柱在反向加载时发生纵向挠曲,而其他各层塔柱以一层节点为“假想柱脚”发生弯曲变形,最后一层节点由内侧冠点位置开始发生断裂,最后整个钢管截面完全裂通。一层节点交汇区的Mises应力分析可知,受力较大侧节点在接头处冠点以及鞍点位置的应力最大。在明确钢材和混凝土的材料模型的基础上,利用 ABAQUS有限元软件,对试验塔架进行了数值模拟,利用经过验证的理论模型对格构式钢管混凝土三肢柱塔架进行了参数分析。结果表明:随着径厚比(塔柱直径不变,壁厚减小)的增加,塔架的极限承载力降低;随着腹杆与塔柱刚度比(塔柱直径不变,腹杆直径增大)的增加,塔架的极限承载力增加;随着长细比的减小,塔架的破坏模式由一层塔柱受压弯曲转变为柱脚屈服。
　　本文的研究成果可为格构式钢管混凝土风力发电机塔架的工程应用提供试验基础和理论依据。

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1绪论

1.1风力发电产业的发展现状

1.2风力发电机及塔架的分类

1.3塔架研究现状

1.4课题的目的和意义

1.5本文主要工作

2格构式钢管混凝土三肢柱风力发电机塔架的原型设计

2.1塔架概念设计

2.2塔架的原型设计

2.3本章小结

3格构式钢管混凝土三肢柱塔架模型的拟静力试验

3.1试验目的

3.2模型塔架设计

3.3试验方案

3.4本章小结

4试验结果分析

4.1试验过程及分析

4.2滞回曲线

4.3骨架曲线

4.4延性

4.5耗能能力

4.6塔架腹杆及塔柱内力分析

4.7节点Mises应力分析以及荷载-变形曲线分析

4.8本章小结

5格构式钢管混凝土三肢柱塔架的非线性有限元分析

5.1有限元模型的建立

5.2有限元分析结果与试验结果对比

5.3参数分析

5.4本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢