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

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 R=Smin/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 2.5~6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 R=Smin/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