桁架式預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼管高風(fēng)塔研究及施工實(shí)例

1、桁架式預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼管高風(fēng)塔研究 及160m塔設(shè)計施工實(shí)例目錄Part1 研究背景Part2 桁架式鋼管風(fēng)電塔Part3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法Part4 成果與優(yōu)勢Part 1 研究背景風(fēng)電發(fā)展區(qū)域轉(zhuǎn)換國際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)單機(jī)容量大型化是國際風(fēng)電發(fā)展趨勢之一， 自1985年以來，輪轂高度和葉輪尺寸不斷 提升。我國電力消納矛盾三北地區(qū)風(fēng)資源豐富，能源需求少；中東部地區(qū)風(fēng)資源相對匱乏，電力需求高。矛盾解決方法改變?nèi)钡貐^(qū)能源消耗配置； 專用特高壓輸電線路建設(shè)；風(fēng)場布局由三北向中東部低風(fēng)速高負(fù)荷區(qū)轉(zhuǎn)移。低風(fēng)速區(qū)風(fēng)塔方案提高效益的主要方法為提高風(fēng)輪直徑和輪轂高度，以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效

2、益，即在低風(fēng)速區(qū)建立更高、葉片更大的風(fēng)塔，以獲取更多且更平穩(wěn)的風(fēng)資源?！帮L(fēng)塔大型化”帶來的結(jié)構(gòu)變化塔身彎矩 M 約正比于塔高 h的1.5次方； 結(jié)構(gòu)變形約正比于塔高 h的2次方；支承結(jié)構(gòu)用鋼量約正比于塔高 h的1.5次方；結(jié)構(gòu)頻率隨剛度減少而下降，更易與風(fēng)機(jī)葉輪共振；鋼塔筒結(jié)構(gòu)若不調(diào)整，局部穩(wěn)定要求（徑厚比）限制筒徑加大，材料效率降低； 鋼塔筒結(jié)構(gòu)阻尼比低，不利于抑制共振，依靠控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)移中求生存之法剛性高風(fēng)塔柔性塔方案的局限柔性塔要在不改變材料用量的條件下提高結(jié)構(gòu)抗彎模量和慣性矩（對應(yīng)于 承載能力和剛度），就要加大筒身直徑并減小壁厚。但受到兩方面約束：筒身直徑大于4.3m時公路運(yùn)輸無法

3、過立交；筒身徑厚比太大則局部穩(wěn)定無法滿足。 所以筒狀柔性塔的結(jié)構(gòu)效率無法提高。用各種控制技術(shù)避免共振的風(fēng)險。振動控制技術(shù)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括 采集信息傳遞計算機(jī)處理控制指令傳遞機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)一步采集 信息直到共振被抑制，但存在兩個問題：在機(jī)組整個生命周期內(nèi)，要保證這個復(fù)雜系統(tǒng)的所有元器件都有效， 難度較大；即使振動控制技術(shù)有效，這是以振動控制為目標(biāo)的應(yīng)變，不是以提高發(fā) 電效率為目標(biāo)，所以發(fā)電效率也會受影響。轉(zhuǎn)移中求生存之法漸變形全現(xiàn)澆混凝土塔翻?；蚧，F(xiàn)澆 體外預(yù)應(yīng)力板狀預(yù)制拼接混凝土塔 環(huán)向多板拼接 體外預(yù)應(yīng)力分段變徑預(yù)制混凝土塔分段變徑環(huán)狀預(yù)制 體外預(yù)應(yīng)力鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合塔下段現(xiàn)澆混

4、凝土 上段鋼塔筒剛性高風(fēng)塔混塔方案剛性方案特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)剛度大，阻尼比大，可直接有效避免塔身與機(jī)頭的共振。 目前已有的剛性塔方案大多為混凝土結(jié)構(gòu)或鋼-混組合結(jié)構(gòu)。但相比于全鋼結(jié)構(gòu)塔而言，混凝土塔施工過程鋪場大、周期長，工業(yè)化程度較低。轉(zhuǎn)移中求生存之法構(gòu)架式角鋼風(fēng)電塔剛性高風(fēng)塔桁架式角鋼風(fēng)電塔方案優(yōu)點(diǎn)：用桁架塔代替筒狀塔，結(jié)構(gòu)效率提高；用高強(qiáng)螺栓抗剪連接解決節(jié)點(diǎn)抗疲勞問題，桁架部分幾 乎無焊接。缺點(diǎn)：角鋼的迎風(fēng)體型系數(shù)太大；角鋼截面回轉(zhuǎn)半徑太小，受壓穩(wěn)定折減較大； 角鋼規(guī)格受限制，目前只能做140m以下的塔。轉(zhuǎn)移中求生存之法Part 2 桁架式鋼管風(fēng)電塔桁架式預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼管風(fēng)電塔方案塔身采用全鋼

5、結(jié)構(gòu)，以提升剛性風(fēng)塔的工業(yè)化程度；將塔身底部設(shè)計為桁架式，高效提高結(jié)構(gòu)剛度；對塔柱施加預(yù)壓力，以提高塔柱節(jié)點(diǎn)的抗疲勞性能。特點(diǎn)剛度大，承載能力高；底部構(gòu)架式結(jié)構(gòu)材料分布合理；工業(yè)化制造、散件運(yùn)輸、現(xiàn)場拼裝； 基礎(chǔ)根開大、受力小、造價低。設(shè)計理念整塔or筒狀天圓地方單管式塔筒過渡段獨(dú)立基礎(chǔ)桁架式塔架結(jié)構(gòu)組成塔柱節(jié)點(diǎn)桁架式塔架塔柱采用圓鋼管，材料分布于截面四周，整體穩(wěn)定性高，風(fēng)荷載體型系數(shù)相對較小。鋼管預(yù)應(yīng)力鋼絞線全熔透對接焊縫高頸法蘭螺栓結(jié)構(gòu)組成斜桿節(jié)點(diǎn)橫桿節(jié)點(diǎn)上部斜桿全熔透對接焊縫桁架式塔架塔架上部斜桿、頂部橫桿由疲勞控制，采用H型鋼，用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接；下部橫桿采用端部開槽圓鋼管，槽口焊接

6、端板后與塔柱節(jié)點(diǎn)板用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。結(jié)構(gòu)組成下部斜撐&節(jié)點(diǎn)桁架式塔架塔架下部斜撐由整體穩(wěn)定控制，采用圓鋼管截面。結(jié)構(gòu)組成過渡段加勁肋應(yīng)力集中消除孔全熔透對接焊縫塔柱錨板橫桿斜桿過渡段壁縱向法蘭過渡段利用過渡段完成圓形塔筒到四邊形塔架的過渡。結(jié)構(gòu)組成Part 3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法應(yīng)力分布全熔透對接焊縫全熔透對接焊縫鍛造高頸法蘭構(gòu)造簡單、焊縫較少，疲勞危險點(diǎn)一般位于 頸部焊縫焊趾、法蘭螺栓；法蘭頸部存在垂直于壁厚方向的彎曲應(yīng)力；法蘭板翹曲后，在法蘭板的帶動下螺栓存在較大彎曲變形。螺栓塔柱法蘭荷載應(yīng)力曲線全熔透對接焊縫全熔透對接焊縫螺栓法蘭螺栓與法蘭頸部焊趾應(yīng)力變化存在不同程度

7、的非線性。塔柱法蘭法蘭螺栓法蘭頸部焊縫全熔透對接焊縫全熔透對接焊縫螺栓外荷載作用下，塔柱法蘭頸部 與螺栓存在彎曲應(yīng)力。特殊點(diǎn)解決方法利用有限元分析結(jié)果，讀取名 義應(yīng)力（螺栓）或線性外推 得到熱點(diǎn)應(yīng)力（焊趾）。外荷載作用下，塔柱法蘭頸部 與螺栓應(yīng)力變化非線性。利用各法蘭載荷應(yīng)力曲線， 得到各荷載循環(huán)中的應(yīng)力上下 限，進(jìn)而基于線性損傷累計準(zhǔn) 則求得疲勞損傷。塔柱法蘭荷載應(yīng)力曲線（2）頸部對接焊縫焊趾處法蘭板張開后，頸部垂直于壁厚方向的彎曲應(yīng)力上升。塔柱預(yù)壓力將降低塔柱在疲勞荷載下的平均應(yīng)力，在一定程度上抑制法蘭板張開。式中：為螺栓拉力變化值， 為法蘭所受拉力分配到單個螺栓上的力， 為螺栓截面 面積

8、， 為法蘭擠壓面面積。但法蘭板張開后，螺栓拉力變化將表現(xiàn)出非常強(qiáng)的非線性，疲勞荷載作用下的名義應(yīng) 力幅攀升。（1）螺栓法蘭板張開前高強(qiáng)螺栓在外荷載作用下拉力變化可按： = + 上塔柱預(yù)應(yīng)力鋼絞線全熔透對接焊縫高頸法蘭螺栓預(yù)應(yīng)力抗疲勞預(yù)壓力作用下法蘭荷載應(yīng)力曲線塔柱法蘭下塔柱塔柱預(yù)壓力抑制了法蘭板張開，降低了螺栓與法蘭頸部在疲勞荷載循環(huán)下的應(yīng)力變化。荷載應(yīng)力曲線（螺栓）荷載應(yīng)力曲線（法蘭頸部）預(yù)應(yīng)力抗疲勞預(yù)壓力作用下法蘭荷載應(yīng)力曲線塔柱法蘭（1）法蘭螺栓預(yù)應(yīng)力抗疲勞損傷累計根據(jù)上述分析，現(xiàn)結(jié)合風(fēng)電塔的疲勞荷載評估預(yù)應(yīng)力抗疲勞的效果。（2）法蘭（ZFL7）頸部焊縫焊趾塔柱預(yù)壓力可大幅降低法蘭螺栓損

9、傷累計值，提高螺栓疲勞壽命。相比于增大塔柱壁厚降低疲勞危險點(diǎn)損傷累計值的方法，預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法具有更高效率。塔柱法蘭穩(wěn)定分析屈曲模態(tài)特征值較大?；谝恢履B(tài)法和弧長法 對過渡段進(jìn)行荷載位移 全過程分析，全過程曲線 下降段出現(xiàn)在材料大范圍 進(jìn)入塑性之后，表明過渡 段穩(wěn)定性較高。過渡段應(yīng)力集中消除孔過渡段局部（應(yīng)力集中處）疲勞效應(yīng)起控制作用，采用特殊的方法轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中位置，提高局部抗疲勞性能。應(yīng)力集中消除孔使應(yīng)力集中處 遠(yuǎn)離焊根焊趾，轉(zhuǎn)移至初始缺陷與殘余應(yīng)力均較小的孔邊。應(yīng)力集中消除孔過渡段注：疲勞荷載應(yīng)力比R=Smin/Smax，即應(yīng)力循環(huán)中的最小應(yīng)力/最大應(yīng)力。應(yīng)力比對疲勞壽命的影響 (無明顯

10、殘余應(yīng)力)應(yīng)力比對疲勞壽命的影響 (存在較低殘余應(yīng)力)應(yīng)力集中消除孔預(yù)應(yīng)力抗疲勞不同規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)所考慮的應(yīng)力比R對疲勞壽命的影響程度不同，且與節(jié)點(diǎn)部位的殘余應(yīng)力程度相關(guān)。過渡段應(yīng)力集中消除孔預(yù)應(yīng)力抗疲勞現(xiàn)結(jié)合風(fēng)電塔的疲勞荷載評估預(yù)應(yīng)力抗疲勞的效果。注：按DNVGL規(guī)定（低殘余應(yīng)力）對壓區(qū)應(yīng)力幅進(jìn)行折減。相比于增大塔柱壁厚降低疲勞危險點(diǎn)損傷累計值的方法，預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法具有更高效率。過渡段全壓狀態(tài)（ = ）下鋼管-插板焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中消除孔：疲勞壽命提高2.56倍； 高頸鍛造法蘭對焊部位：疲勞壽命提高3倍以上?；跇?gòu)架式鋼管塔過渡段的焊接節(jié)點(diǎn)抗疲勞試驗(yàn)以塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點(diǎn)”為對象，進(jìn)

11、行了多組預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗(yàn)研究預(yù)應(yīng)力抗疲勞實(shí)際將疲勞的“脆性破壞”改善為 一種特殊的“延性破壞”模式，具有較好意義。裂紋擴(kuò)展速率基于構(gòu)架式鋼管塔過渡段的焊接節(jié)點(diǎn)抗疲勞試驗(yàn)實(shí)際裂紋萌生后，焊接殘余應(yīng)力隨即釋放，其后在全壓力循環(huán)下裂紋擴(kuò)展緩慢，可長時間帶裂工作，即“裂紋擴(kuò)展壽命” 很長。預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗(yàn)研究預(yù)應(yīng)力抗疲勞理論基礎(chǔ)塔柱 預(yù) 應(yīng) 力降低疲勞荷載 循環(huán)下塔 柱 平 均 應(yīng) 力降低抑制法蘭板 張開降低降低法蘭頸部應(yīng)力變化法蘭螺栓塔柱疲勞危險點(diǎn)應(yīng)力比R降低裂紋擴(kuò)展速度疲提 高 勞 壽 命應(yīng)力變化注：疲勞荷載應(yīng)力比R=Smin/Smax，即應(yīng)力循環(huán)中的最小應(yīng)力/最大應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力抗

12、疲勞設(shè)計方法設(shè)計開始極限荷載Pu設(shè)計截面選定疲勞荷載Pf驗(yàn)算不通過通過施加預(yù)壓力根據(jù)極限狀態(tài)調(diào)整截面驗(yàn)算損傷累計值通過設(shè)計完成不通過結(jié)論采用預(yù)壓力降低塔柱及其 節(jié)點(diǎn)在疲勞荷載下的平均應(yīng)力， 從而提升疲勞壽命，具有較好 的可行性和經(jīng)濟(jì)性。預(yù)應(yīng)力抗疲勞設(shè)計方法Part 4成果與優(yōu)勢鄄城160m風(fēng)塔成果與優(yōu)勢設(shè)計分析生產(chǎn)制作現(xiàn)場安裝鄄城160m風(fēng)塔工程量統(tǒng)計材料工程量（含法蘭）砼(立方) 鋼(噸)標(biāo)高0m84.8m塔架用鋼量/t240標(biāo)高84.8m90m過渡段用鋼量/t35標(biāo)高90m158.2m塔筒用鋼量/t127C40基礎(chǔ)混凝土/m3（含墊層）507基礎(chǔ)鋼筋/t32錨栓/t+錨板7注：基礎(chǔ)混凝土用量中，樁占354立方米，樁長32m，共22根。成果與優(yōu)勢認(rèn)證情況研發(fā)、設(shè)計、計算及圖紙等技術(shù)性內(nèi)容已在北京鑒衡認(rèn)證中心認(rèn)證，完成設(shè)計認(rèn)證。成果與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)參數(shù)：輪轂高度：140m+塔底占地直徑：25m40m優(yōu)勢：柔塔一階自振頻率小于1P，需控制系統(tǒng)調(diào)控，而桁架段有效提高了整塔剛度，從支承結(jié)構(gòu)上避免了共振問題；相比于單管塔