風力發(fā)電塔架

1、風力發(fā)電預應力混凝土塔架設計和分析風力發(fā)電預應力混凝土塔架設計和分析作者：宋玉普 尹翠 陳淵 一 、前言 隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，人類對能源的需求量也越來越大，然而石油、煤這些能源屬于非再生能源，用了就意味著越來越少，另外，此類能源的大量消耗產生的污染物對人類的生活環(huán)境也有嚴重的危害，因此，風能的開發(fā)利用越來越引起各國的重視。 風力發(fā)電是利用風能的主要方式，風力發(fā)電機塔架是風力發(fā)電機組的承重構件，它支承葉輪到一定的高度，以獲得足夠大的風速來驅使葉輪轉動，將風能轉化為電能。 風力發(fā)電機塔架的結構形式主要有桁架式鋼結構塔架，格構式鋼結構塔架，圓筒式或錐筒式鋼塔架和混凝土塔架，鋼-預應力

2、混凝土混合塔架等。重量占全機組的一半，成本占15%。垳架式鋼結構塔架格構式鋼結構塔架錐筒式鋼塔架、混凝土塔架圓筒式鋼塔架、混凝土塔架鋼預應力混凝土混合塔架二、為什么需預應力混凝土塔架：隨著風力發(fā)電向單機大容量發(fā)展，使塔架高度越來越大，體積增大，運輸困難，所以出現了預應力混凝土塔架。預應力混凝土塔架的優(yōu)點是：耐疲勞、抗腐蝕能力強、耐久性好、維修費用低、節(jié)約鋼材、造價低、穩(wěn)定性好、現場施工方便。（1）施加預應力擴大了結構的彈性范圍，調整了結構中的內力分布，較小結構變形；（2）相對于鋼-混凝土組合結構而言，使用預應力技術可以有效地利用高強鋼材，減輕結構自重，工程實踐證明可節(jié)約鋼材10%30%；（3）

3、增強應力幅值，降低結構的抗疲勞能力，由于施加了預應力，降低了混凝土截面的最大拉應力，有效應力幅值的降低增強了結構的疲勞使用壽命；三、預應力混凝土塔架形式：分離式、整體式的優(yōu)點和缺點。分離式的優(yōu)點：筒身預制板之間結構連貫性好；缺點：施工不遍。整體式的優(yōu)點：施工方便；缺點：施工過程中易形成空隙，造成結構不連貫。（一）分離式預應力混凝土塔架設計和分析（一）分離式預應力混凝土塔架設計和分析 1.1.考慮動力特性的材料強度取值考慮動力特性的材料強度取值 作用在結構上的風荷載也是隨時間不斷變化的動態(tài)載荷，因此，應該考慮塔身混凝土材料在動力荷載作用下強度的提高，根據我們的試驗結果，對混凝土材料強度提高10%

4、。 2.2.預應力混凝土塔架設計計算預應力混凝土塔架設計計算 風力發(fā)電機在運行的過程中，塔架要承受風輪和機艙傳遞的力和力矩、風荷載等，各種荷載的計算方法如下：作用在塔頂的集中荷載：作用在塔頂的集中荷載：（1 1）水平推力）水平推力2294VRFy（2 2）豎向壓力）豎向壓力 mgFz（3 3）由風輪和機艙質量中心與塔架軸線的偏心產生的俯仰力矩）由風輪和機艙質量中心與塔架軸線的偏心產生的俯仰力矩eFMzx1（4 4）由風輪掃掠面內風速分布不均勻產生的俯仰力矩）由風輪掃掠面內風速分布不均勻產生的俯仰力矩2221323278VVRMx 根據建筑結構荷載規(guī)范(GB 50009-2001)規(guī)定，垂直作用

5、于塔身單位面積上的風荷載標準值由下式確定：0zszzz西北地區(qū)某2.5MW風力發(fā)電鋼-預應力混凝土混合塔架，如圖1所示:圖 1 塔架示意圖oxyz 當地基本風壓為0.5kN/m ，地面粗糙度類別為B類，塔高120m，風輪直徑100m，輪轂處高度122m，塔架下段采用預應力混凝土結構，高70m，塔底截面外徑7m，壁厚0.35m，頂部截面外徑4m，壁厚0.25m，混凝土強度等級采用C80，上段采用鋼結構，高50m，塔底截面外徑4m，壁厚0.035m，塔頂截面外徑3m，壁厚0.025m，鋼材強度等級為Q345，塔筒壁厚沿高度線性變化，風輪和機艙質量中心到塔架軸線的偏心距離為1m，風輪和機艙總質量為1

6、00t?；举Y料基本資料2z2m/kNwF 將塔架的基本參數代入以上公式，求得作用在塔架頂部集中力、集中力矩和作用在塔身的風荷載結果如下：作用在塔架頂部的荷載作用在塔身的風荷載,如表1所示。 表1 010 0.29 9.65 6.63 1020 0.38 20.97 15.16 2030 0.45 24.35 25.09 3040 0.53 26.82 35.07 4050 0.60 28.64 45.04 5060 0.67 29.52 55.01位置 (m)mkN3923MkN980FkN981Fxzy，(kN)h(m)z2m/kNwF位置 (m)(kN)h(m) 6070 0.73 29

7、.57 64.99 7080 0.96 33.03 75.17 8090 1.04 37.04 85.02 90100 1.12 37.75 95.00 100110 1.18 37.80 104.99 110120 1.22 37.14 114.98注： 為作用在每10m范圍塔身上的風荷載合力；h為 的作用點位置距離塔底 面的距離。wFwF2ptkmm/N1860fptkfkN14326N 在塔頂集中力、集中力矩、塔身風荷載和自重荷載作用下，塔架最危險截面為預應力混凝土塔底部截面；應驗算該截面的承載力。 塔底面配筋情況：非預應力筋采用HRB335級鋼筋，公稱直徑20mm，外排90根，內排80

8、根，預應力筋采用低松弛鋼絞線，公稱直徑17.8mm，極限強度標準值 ，張拉控制應力為0.75 ，共170根。經荷載組合計算，作用在塔底截面的軸力和彎矩為：mkN191554Mp0ppytp0pc1AfAAfNsytAfsinrAf2sinrrAfMpppy21c1 根據混凝土結構設計規(guī)范(GB 50010-2010)規(guī)定，環(huán)形截面壓彎構件正截面承載力按下式計算：tssypp0ppysinsinrAfsinrAf5 . 11t23. 0mkN 204178經計算得：受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值 截面受彎承載力為 ，滿足要求。3 3 現場施工現場施工 分離式預應力混凝土塔架由工廠預制，現

9、場組裝并采用后張法施加預應力將各構件連接形成整體，塔架每環(huán)段由3片預制板組成，如圖2所示。預制板通過預留鋼筋連接成整體圓環(huán)，如圖3所示。圓環(huán)段之間采用承插口方式進行連接?；炷了魏弯撍沃g用法蘭盤連接，如圖4所示。圖2 預制板圖3 預制板間的連接構造圖4 混凝土塔與鋼塔連接部位構造 塔架類型 高塔 塔架高度（H） 120m 輪轂中心高度 121.8m 塔底外徑 6.4m 塔底壁厚 0.3m 塔頂外徑 3.2m 塔頂壁厚 0.08m 鋼塔高度 50m 預應力混凝土塔高 70m1.1 1.1 塔架幾何尺寸如表塔架幾何尺寸如表2 2所示所示（二）、整體式預應力混凝土塔架考慮應變率影響的分（二）、

10、整體式預應力混凝土塔架考慮應變率影響的分析和設計析和設計1.1.風力發(fā)電機的參數和塔架幾何尺寸風力發(fā)電機的參數和塔架幾何尺寸表21 1. .2 2 所設計的風力發(fā)電機的幾何尺寸、重量和性能等基本所設計的風力發(fā)電機的幾何尺寸、重量和性能等基本特性如表特性如表3 3所示所示設計概要名稱參數值風力發(fā)電機參數額定功率 (P)2.5MW塔架高度 (H)120m葉輪直徑（D）98m額定風速15m/s額定轉速（n）23r/min切出風速 (V)25m/s葉片質量（m ）7033.7*3kg機艙質量（m ）79640.9kg塔架參數類型預應力鋼筋混凝土混凝土設計強度等級C80塔架尺寸見表212表3gmmF21

11、yyFzM2 2 預應力混凝土塔架的設計計算預應力混凝土塔架的設計計算2.1 2.1 荷載計算荷載計算 塔架的荷載包括永久荷載、可變荷載和地震作用。其中永久荷載主要有塔架、機艙和風輪的自重等，可變荷載主要是風荷載的影響。2.1.1 2.1.1 永久荷載永久荷載(1)垂直力由風葉和機艙的質量引起的垂直力 按下式計算：(2)由風葉和機艙重力引起的力矩 按下式計算：gemmM21zkN3 .987Fy計算得到以下結果：計算得到以下結果：mkN5 .1974Mz0zszzzzz/12.1.2 2.1.2 風荷載風荷載 風荷載與結構高度、橫截面尺寸、構件形式等有關。我國建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-

12、2001)規(guī)定: 垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，按下述公式計算： 對于風力發(fā)電塔這種變截面的高聳結構的風振系數按下式進行計算：44322zH3zHz4Hz6計算得作用在塔身各節(jié)點處風荷載標準值的結果如下計算得作用在塔身各節(jié)點處風荷載標準值的結果如下: :F（10）=27.574kN F（20）=34.440kNF（30）=39.501kN F（40）=43.830kNF（50）=46.956kN F（60）=49.340kN F（70）=51.104kN F（80）=54.340kN F（90）=54.273kN F（100）=53.396kN F（110）=51.660kN F（120）

13、=49.368kNxF22pxVRC4 . 0FxM2.1.3 2.1.3 作用于塔頂的荷載作用于塔頂的荷載 風力發(fā)電塔架在切出風速作用下受到如下荷載作用。(1)氣動荷載當風速達到切出風速時，為安全起見，風葉在切出荷載作用下 的氣動荷載 應乘以0.4的安全系數。(2)轉矩 計算如下式nP9550Mx(3)偏轉力矩 可按下式計算yMcossineR94M2ykN1 .848Fz經計算得到以下結果：經計算得到以下結果：mkN9 .925Mzm3627.2kNMy2.2 2.2 考慮應變率影響的混凝土強度考慮應變率影響的混凝土強度 風力發(fā)電塔混凝土結構在其工作過程中除了承受正常的設計荷載外,往往還要

14、經受各種突然的動荷載作用,如地震、風荷載等。一般認為,在動態(tài)荷載作用下引起的混凝土材料的力學特性是顯著區(qū)別于其準靜態(tài)情況的。大量研究表明混凝土是應變速率敏感材料,其強度、剛度、韌性(脆性)等性質均隨加載速率而變化。根據我們的試驗結果得知：隨著應變率的增加，混凝土強度提高系數為10%。132.3 2.3 預應力混凝土塔架設計計算預應力混凝土塔架設計計算 塔身的厚度隨高度線性變化，塔架的重量:G =12479.7kN，塔架底截面所受軸力N=14247.47kN，剪力F=1403.88kN，假定塔架采用C80混凝土，彈性模量為38GPa，密度為2500kg/m ；鋼材部分采用Q345鋼材，密度為78

15、50kg/m，彈性模量為206GPa；預應力筋采用鋼絞線1*7(d=21.6mm)，強度1860N/mm 的低松弛鋼絞線制成，彈性模量為206GPa；本文對后張法構件進行體外預應力法施工；非預應力鋼筋選用HRB400，直徑為20mm。2 按照混凝土結構設計規(guī)范沿周邊均勻配置縱向鋼筋的環(huán)形截面偏心受壓構件，其正截面受壓承載力按下式計算：sytp0ppytp0pc1AfAfAAfNsinrAf2sinrrAfMpppy21c1tssypp0ppysinsinrAfsinrAf5.11t 塔架底環(huán)形截面上均勻對稱的配置縱向鋼筋，由以上公式得到在內環(huán)配置預應力鋼筋70根，塔壁內、外徑上分別配置80根、

16、90根非預應力鋼筋。塔架基礎環(huán)形截面上能承受的最大彎矩為塔架在風荷載、塔架重力等荷載作用下的最大彎矩為mkN10825. 1M5maxmkN1082.1M5maxMM 滿足要求。3 3 預應力混凝土塔架和基礎的施工預應力混凝土塔架和基礎的施工 采用滑模法施工，現場澆筑混凝土，該法具有成本低、整體性好和施工速度快等優(yōu)點。圖1 滑模法施工3.1 3.1 基礎施工基礎施工 風力發(fā)電機基礎的地基處理中采用現場灌注樁基礎，由于縱向鋼筋配筋直徑較大且數量較多。因此，按照施工圖設計徑向鋼筋的下料長度，聯系鋼筋生產廠定扎（用一定數量的小直徑的鋼筋綁扎成滿足要求面積的鋼筋束）并在現場下料焊接，這樣經過定扎運抵現場的鋼筋不需要斷料和配料等工序，并節(jié)約了鋼筋接頭，同時鋼筋接頭的減少，也提高了風機基礎的質量。3.2 3.2 塔身施工塔身施工 施工時豎向鋼筋的接頭一般采用綁扎搭接，接頭按25%錯開。預埋件的留設位置和型號必須準確，滑模施工前，應繪制預埋件平面圖，詳細標注預埋件的標高、位置、型號和數量，必要時，可將所有預埋件統(tǒng)一編號