2023太陽能光熱發(fā)電吸熱塔風振控制

太陽能光熱發(fā)電吸熱塔風振控制目 錄研背景 1目1要2究4結材料 4分荷載 4面4荷載 5震7混土鋼合構塔方減分析 9算9振應算震響計結果 15鋼構熱方減分析 18算18風風控分20量對振果響分析 2328第第13頁吸熱塔風振控制研究專題報告研究背景項目介紹2432315.7m漠地帶，那里靠近赤道，太陽能資源豐富。該項目結構形式采用以下兩種不同的方案進行設計研究：200采用中國規(guī)范校核評估結構的安全可靠度，為在國內(nèi)推廣應用奠定基礎；第二種方案以150MW級鋼結構為對象對光熱塔進行減振分析，研究TMD對結構風振下的減振效果。1.1主要圖紙1.21.3依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和相關文獻資料，對混凝土-鋼混合結構吸熱塔結構方案進行第（1）-（4）項拓展性的研究，對鋼結構吸熱塔結構方案塔進行第（1（2）項拓展性的研究。采用風時程進行風荷載作用下結構彈性響應的分析TMD對結構風振的控制作用采用三條地震動進行地震動作用下結構彈性響應的分析TMD對地震作用下結構振動的控制風荷載時程分析考察TMD對常規(guī)指標的影響模型建立混凝土風荷載時程分析考察TMD對常規(guī)指標的影響模型建立混凝土-鋼混合結構吸熱塔地震動時程分析考察TMD對常規(guī)指標的影響鋼結構吸熱塔結構材料地震動時程分析考察TMD對常規(guī)指標的影響鋼結構吸熱塔由于本研究報告所做分析均為彈性分析，因此僅涉及材料的密度與彈性模量，如表3.1所示。表2.1結構材料性質(zhì)混凝土鋼材密度（kg/m3）25007800彈性模量（MPa）30000200000分析荷載樓面荷載本工程常用結構荷載取值按《建筑結構荷載規(guī)范》。特殊設備荷載由有關方提供。結構構件自重根據(jù)材料容重和結構截面尺寸確定：材料稱 容重鋼筋凝土 25.0KN/m3鋼材 78.0KN/m3屋面加載 6.0KN/m2平臺加載 1.0KN/m2結構內(nèi)部平臺、頂部平臺使用活載如下：區(qū)域名稱活荷載標準值kN/m2說明內(nèi)部平臺5.0250.9m標高平臺8.0頂部平臺5.0頂部起吊荷載見荷載參考文件風荷載TMD風荷載時程進行動力時程分析，下面具體說明模擬風時程的方法和相關參數(shù)。模擬方法沿結構高度取31個點，采用線性濾波法中的自回歸模型生成風時程，其基本假定如下：任意一點處平均風速不隨時間改變；脈動風速時程是零均值平穩(wěn)隨機過程；風速時程間具有空間相關性。風速譜采用Davenport譜，其表達形式如下：x210 2Sv(n)=4kv?2 10 2n(1+x)

1200nv?10其中：()——風速譜——風的頻率——表征地面粗糙度的系數(shù)——10m高度處的平均風速值計算參數(shù)取值由Davenport譜模擬風荷載涉及的參數(shù)有風荷載的頻率區(qū)間，場地類別以及10m[0001,10]zA類場地；10m高度處的平均風速為43.66m/s。時程風荷載取樣3175m150m243m4.1Davenport4.2（對數(shù)坐標成接近。4.13.3地震作用

4.2vs本報告中，混凝土-鋼混合結構吸熱塔結構方案部分的主要目的之二是研究TMD35cm/s274.3-4.8所示。圖4.3人工波X1的時程圖4.4人工波X1的功率譜4.5PW4.6PW4.717684.81768混凝土-鋼混合結構吸熱塔方案減振分析計算參數(shù)結構基本參數(shù)項目 光熱塔結構型 底部凝土上鋼構合塔結構建筑構全級 一級結構計用限 50年結構計準期 50年結構要系數(shù) 1.1抗震防要類別 重點防（類）地基礎計級 甲級建筑基設等級 甲級混凝頂高 200m高度 鋼結頂高 243m級別 A級標準平尺寸(m) 23.0×23.0結構計算分析參數(shù)項目 光熱塔混凝容重 25kN/m3鋼材重 78kN/m3嵌固端 地下頂板抗震防度 7度設計震組 第三組地震響數(shù)大值 0.16建筑地別 III類場地特征期 0.65s剛性板定 是考慮P-Delta應 是彈性程算 三條震波(2天波+1條人波)計算軟件ANSYSTMD振響應控制以及地震作用下結構響應控制。TMD參數(shù)及計算說明TMDcombin14mass21供，剛度、阻尼系數(shù)以及質(zhì)量分別為：KTMD=140091N/mCTMD=8982N/(m/s)–1mTMD=40000kgANSYSTMDmass21combin14單元；combin14mass21單元，另一端與一根柱子連接，mass單元的豎向自由度與樓板中心節(jié)點耦合以傳遞豎向重力。TMD的是宏觀的響應指標。0.013D模型模態(tài)分析的結果，140.02410.0034TMDTMD200m標高以及TMD300m結構高度三種情況。0.043D模型模態(tài)分析的結果，140.09650.0136TMDTMD230m結構高度兩種情況。ANSYSANSYS3D4.13D45.15.2所示。 （a）ANSYS結模型 （b）上鋼構部 （c）混土分桁圖4.1ANSYS結計4.14（s）階數(shù)12345T周期(s)3.552.461.981.860.87第1階振型（X向平動）

第2階振型（Y向平動）

第3階振型（局部扭轉）

第4階振型（X向平動）風振響應計算結果底部反力及響應時程曲線

4.24統(tǒng)計各指標的峰值處的減振效果如表4.2所示。表4.21（%）243m處位移243m處速度243m處加速度TMD設置在200m處20.141.437.2TMD設置在230m處2.428.426.6200m處位移基底彎矩基底剪力TMD設置在200m處24.829.017.1TMD設置在230m處13.6818.0112.41降低率按下式計算：其中，x1是沒有安裝TMD時，結構在脈動風作用下，全時程各響應的最大值；x2是安裝TMD后結構全時程響應的最大值。計算結果表明TMD對結構的速度響應和加速度響應有較好的控制效果，而TMD230mTMD200m處時。由于混凝土筒體部分的內(nèi)力影響其配筋，而配筋量是影響結構造價的一個重要指標，因此，為了衡量TMD的引入的經(jīng)濟成本，本報告提取對比了TMD的引入對混凝土筒體各標高處內(nèi)力的影響，以間接衡量配筋量以及造價的變化。各標高處各內(nèi)力的比值按照有TMD的計算結果與無TMD的計算結果的比值計算，其中，有TMD的結果分為TMD安裝在230m處或200m處兩種情況。TMDTMD230m1%6%低，且彎矩降低率更為明顯；TMD200m利影響，尤其是軸力和彎矩。地震動響應計算結果X1PW第第16頁 3.1768地震動作用下的計算結果 第第18頁表4.3243m處響應及基底反力減振效果1統(tǒng)計（%）243m處位移243m處速度243m處加速度底部剪力底部彎矩X115.8211.364.4524.9034.13PW24.6722.403.521.6511.8817683.03-0.683.385.8121.561減振效果按下式計算：其中，x1是沒有安裝TMD時，結構在地震動作用下各響應全時程的最大值；x2是安裝TMD后結構全時程響應的最大值。4.3TMD性。鋼結構吸熱塔方案減振分析計算參數(shù)計算軟件本部分的結構方案采用通用有限元SAP2000對光熱塔結構進行風荷載時程分析、TMD減振效果分析。TMD參數(shù)設計及有限元模擬最優(yōu)頻率比δTMDTMD的自振頻率與原有結構的固有頻率之間必定有某一比值使得系統(tǒng)在外部激勵荷載作用TMD0.95~1.0時，SadekTMD的最佳頻比：e=1

(1?￡J

) (6.1)1+μ

11+μ式中：0.01。最佳阻尼比TMD的阻尼系統(tǒng)限制TMDTMDTMD的減TMD的TMD0.05~0.15SadekTMD尼比：J￡=+ μJ

(6.2)參數(shù)設計

d

1+μTMD1階自振頻率化振型并求得廣義振型質(zhì)量TMDμ5.1)和式(5.2)TMDδ及阻尼比TMD系統(tǒng)的質(zhì)量、彈簧剛度及阻尼系數(shù)：md=(6.3)md=em1 (6.4)d=mdm2 (6.5)d=2mdmd￡d (6.6)具體計算過程所涉及的參數(shù)取值見錯誤!未找到引用源。。表5.1Sadek法TMD參數(shù)計算表項目取值項目取值M1（kg）985416.31￡d0.110μ0.010（rad/s）1.542md（kg）10000.00md（rad/s）1.525￡10.010Kd（N/m）23254.30δ0.989（N.s/m）3358.81有限元模擬SAP2000中采用豎向力和link單元模擬TMD，TMD的質(zhì)量由豎向力進行模擬，水平方向的剛度和阻尼由link單元水平向?qū)傩远x，豎向剛度取一較大值。TMD在塔頂?shù)牟贾萌鐖D5.1。圖5.2TMD塔頂布置圖（圖中力的單位為kg）順風向風振控制分析結果TMD對吸熱塔的順風向響應結果的影響見圖5.2~圖5.9。0.70.60.5位移(m)位移(m)

總風作用下塔頂位移時程對比

0.20.150.1位移(m)位移(m)0

脈動風作用下塔頂位移時程對比0.30.20.10

0 20 40 60 80 100

-0.050 20 40 60 80 100 120-0.1-0.15-0.2-0.25時間/s無TMD 有

時間/s無TMD 有TMD5.2總風作用下塔頂速度時程對比 脈動風作用下塔頂速度時程對比0.40.3速度(m/s)速度(m/s)0.10-0.1-0.2-0.3

0 20 40 60 80 100 時間0 20 40 60 80 100

0.40 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0.2速度(m/s)速度(m/s)0-0.1-0.2-0.3

時間/s無TMD 有TMD 無TMD 有TMD5.3總風作用下塔頂加速度時程對比 脈動風作用下塔頂加速度時程對比0.80.6加速度(m/s2)加速度(m/s2)0.20-0.20 20 40 60 80 100 -0.4-0.6-0.8-1時間/s

0.80.6加速度(m/s2)加速度(m/s2)0.20-0.20 20 40 60 80 100 120-0.4-0.6-0.8-1時間/s無TMD 有TMD 無TMD 有TMD5.40.60.5位移(m)位移(m)

總風作用下200m平臺處位移時程對比

0.150.10.05位移(m)位移(m)

脈動風作用下200m平臺處位移時程對比0.30.20.1

-0.050 20 40 60 80 100 120-0.1-0.1500 20 40 60 80 100 時間/s無TMD 有TMD

-0.2

時間/s無TMD 有TMD圖5.5200m平臺處位移時程對比0.250.20.150.1速度(m/s)速度(m/s)0

總風作用下200m平臺處速度時程對比

0.250.20.150.1速度(m/s)速度(m/s)0

脈動風作用下200m平臺處速度時程對比-0.050 20 40 60 80 100 -0.1-0.15-0.2

-0.050 20 40 60 80 100 120-0.1-0.15-0.2-0.25

時間/s

-0.25

時間/s無TMD 有TMD 無TMD 有TMD圖5.6200m平臺處速度時程對比加速度(m/s2)加速度(m/s2)

總風作用下200m平臺處加速度時程對比

0.40.30.40.30.20.10-0.10-0.2-0.3-0.4204060801001200.40.3加速度(m/s2)加速度(m/s2)0.10

脈動風作用下200m平臺處加速度時程對比時間/s

-0.10 20 40 60 80 100 120-0.2-0.3-0.4時間/s無TMD 有TMD 無TMD 有TMD圖5.7200m平臺處加速度時程對比總風作用下基底剪力時程對比00 20 40 60 80 100 -2000底部剪力/(kN)底部剪力/(kN)-6000

40003000底部剪力/(kN)底部剪力/(kN)10000

脈動風作用下基底剪力時程對比-8000-10000-12000

時間/s

0 20 40 60 80 100 120-1000-2000-3000時間/s無TMD 有TMD圖5.8基底剪力時程對比

無TMD 有TMD總風作用下基底彎矩時程對比

脈動風作用下基底彎矩時程對比0-2000000 20 40 60 80 100 底部彎矩/(kN.m)底部彎矩/(kN.m)-600000-800000-1000000-1200000-1400000-1600000時間/s無TMD 有TMD

500000400000底部彎矩/(kN.m)底部彎矩/(kN.m)2000001000000-1000000 20 40 60 80 100 120-200000-300000-400000時間/s無TMD 有TMD5.9統(tǒng)計各響應幅值的減振效果如表5.2所示。塔頂0.5940.6478.16%位移（塔頂0.5940.6478.16%位移（m）200m平臺處0.4510.4918.17%塔頂0.1940.30235.86%速度（m/s）200m平臺處0.1260.20638.76%總風 塔頂0.5960.83228.36%200m平臺處0.3070.37217.63%剪力（kN） 基底10750109281.63%彎矩（kN.m） 基底132598314063555.71%塔頂0.1340.19731.79%200m平臺處0.1060.15330.89%塔頂0.1940.30235.87%200m平臺處0.1260.20638.76%加速（m/s2） 塔頂0.5960.83028.12%200m平臺處0.3060.37318.05%剪力（kN） 基底2248285821.35%彎矩（kN.m） 基底30520341896527.15%工況 響應別 位置 有TMD（值） 無TMD（值） 降低率加速度（m/s2）位移（m）脈動風

速度（m/s）從計算結果可以發(fā)現(xiàn)：TMD200m8%左右。TMD200m35%度減振效果則塔頂明顯優(yōu)于200m28.36%和17.63%TMD200m35%20%20%。質(zhì)量比對減振效果的影響分析TMDμ1（0.01TMDTMDTMDTMDTMD5.3所示。5.3TMDμ（kg）（N/m）（N.s/m）0.00000.000.000.005500011751.701241.820.0101000023254.303358.810.0151500034518.296020.840.0202000045550.809105.680.101100000194782.8087258.261.0151000000577423.201086120.42TMD取不同質(zhì)量比時，吸熱塔的順風向響應結果的影響見圖5.10~圖5.17。0.70.6位移(m)位移(m)0.40.30.20.1

總風作用下塔頂位移時程對比

0.20.1位移(m)位移(m)-0.1-0.2

脈動風作用下塔頂位移時程對比00 20 40 60 80 100 120時間/s無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

-0.3

02040020406080100120無TMD 5t 10t15t 20t 1000t5.10總風作用下塔頂速度時程對比

0.4速度(m/s)速度(m/s)0-0.2

脈動風作用下塔頂速度時程對比速度(m/s)0.40.30.2速度(m/s)0.40.30.20.10-0.1020406080100120-0.2-0.3無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

無TMD15t1000t

020400204060801001205t20t

10t100t圖5.11塔頂速度時程對比1加速度(m/s加速度(m/s)0-0.5-1

總風作用下塔頂加速度時程對比02040020406080100120無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

1(m/s(m/s)0-0.5-1

脈動風作用下塔頂加速度時程對比0020406080100120時間/s無TMD 5t 10t15t 20t 1000t5.120.60.5位移(m)位移(m)0.30.20.10

總風作用下200m平臺處位移時程對比0 20 40 60 80 100 時間/s無TMD 5t 10t15t 20t 1000t

0.2位移(m)位移(m)0-0.1-0.2

脈動風作用下200m平臺處位移時程對比0020406080100120時間/s無TMD 5t 10t15t 20t 1000t圖5.13200m平臺處位移時程對比0.30.2速度(m/s)速度(m/s)0

總風作用下200m平臺處速度時程對比

0.30.2速度(m/s)速度(m/s)0

脈動風作用下200m平臺處速度時程對比0 20 40 60 80 100 -0.1-0.2

-0.10 50 100 150-0.2-0.3

時間/s無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

-0.3

時間/s無TMD 5t 10t15t 20t 1000t圖5.14200m平臺處速度時程對比0.6加速度(m/s加速度(m/s)0.20-0.2-0.4

總風作用下200m平臺處加速度時程對比0020406080100120時間/s無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

0.6加速度(m/s加速度(m/s)0.20-0.2-0.4

脈動風作用下200m平臺處加速度時程對比0020406080100120時間/s無TMD 5t 10t15t 20t 1000t圖5.15200m平臺處加速度時程對比0-2000位移/m位移/m-6000

總風作用下基底剪力時程對比

0200204060801001203000位移/m位移/m10000

脈動風作用下基底剪力時程對比-8000-10000-12000

時間/s

-10000 20 40 60 80 100 120-2000-3000時間/s無TMD 5t 10t無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

15t 20t 1000t5.16總風作用下基底彎矩時程對比020020406080100120

600000底部彎矩(kN.m)底部彎矩(kN.m)

脈動風作用下基底彎矩時程對比d底部彎矩(kN.m)d底部彎矩(kN.m)-1000000

00 20 40 60 80 100 120-200000-1500000

時間/s

-400000

時間/s無TMD 5t 10t 20t 100t 1000t

無TMD 5t 10t15t 20t 1000t5.17統(tǒng)計各響應幅值及降低率分別如表6.4、表6.5所示，各響應幅值降低率隨TMD質(zhì)量比的變化曲線如圖5.18、圖5.19所示。況響應類別位置0.0000.0050.0100.015況響應類別位置0.0000.0050.0100.0150.0200.1011.015塔頂位移（m）200m處0.6470.4910.6010.4550.5940.4510.5880.4490.5840.4480.5720.4410.5640.429塔頂速度（m/s）總 200m處0.3020.2060.2150.1400.1940.1260.1810.1190.1750.1150.1480.0950.1010.066風 塔頂0.8320.6180.5960.5950.5970.5290.322200m處0.3720.3000.3070.3050.3000.2800.173剪力（kN） 基底1092810784107501073610726105439923彎矩（kN.m） 基底1406355133381613259831322280131945213012521253932塔頂位移（m）200m處0.1970.1530.1460.1150.1340.1060.1280.1010.1230.0970.1020.0780.0860.063塔頂脈 速度（m/s）200m處0.3020.2060.2150.1400.1940.1260.1810.1190.1720.1150.1480.0960.1010.066動塔頂0.8300.6170.5960.5950.5980.5300.321200m處0.3730.3000.3060.3040.3000.2800.173剪力（kN） 基底2858236922482174211718521516彎矩（kN.m） 基底418965326730305203292737283803235627183594工 TMD質(zhì)量比μ風（m/s2）6.5TMD工 TMD質(zhì)量比μ響應類別 位置況 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.101 1.015塔頂位移（m）200m塔頂位移（m）200m處//7.05%7.33%8.16%8.17%9.04%8.58%9.68%8.89%11.51%10.31%12.72%12.68%塔頂速度（m/s）總 200m處//28.85%32.10%35.86%38.76%39.98%42.12%41.97%44.08%50.93%53.72%66.61%67.91%風 塔頂/25.71%28.36%28.49%28.17%36.35%61.28%200m處/19.28%17.63%18.11%19.28%24.81%53.43%剪力（kN） 基底/1.32%1.63%1.75%1.85%3.52%9.20%彎矩（kN.m） 基底/5.16%5.71%5.98%6.18%7.47%10.84%塔頂/25.75%31.79%35.14%37.59%48.33%56.31%200m處/25.05%30.89%34.25%36.71%49.10%58.64%脈 塔頂/28.83%35.87%39.98%43.07%50.86%66.50%動 200m處/32.06%38.76%42.15%44.11%53.70%67.83%風 塔頂加速度（m/s2）/25.65%28.12%28.25%27.93%36.15%61.26%200m處/19.69%18.05%18.53%19.69%24.93%53.70%剪力（kN） 基底/17.11%21.35%23.94%25.92%35.21%46.94%位移（m）速度（m/s）彎矩（kN.m） 基底 / 22.01% 27.15% 30.13% 32.26% 43.76% 56.18%總風作