2024預(yù)應(yīng)力抗疲勞構(gòu)架式鋼管風(fēng)電塔筒技術(shù)

預(yù)應(yīng)力抗疲勞構(gòu)架式鋼管風(fēng)電塔技術(shù)PrestressedLatticeAnti-fatigueWindTurbineTower低風(fēng)速區(qū)高風(fēng)塔方案Part

1Tallwindturbinetowersinlow-wind-speedareas風(fēng)電發(fā)展區(qū)域轉(zhuǎn)換我國電力消納矛盾：ZoneTransferofWPD三北地區(qū)風(fēng)資源豐富，能源需求少國際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)

:自1985年以來，輪轂高度和葉輪尺寸不斷提升單機(jī)容量大型化是國際風(fēng)電發(fā)展趨勢之一中東部地區(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)移轉(zhuǎn)移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer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“風(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(yuǎn)的1.5次方

結(jié)構(gòu)變形約正比于塔高h(yuǎn)的2次方支撐結(jié)構(gòu)用鋼量約正比于塔高h(yuǎn)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，材料效率低鋼塔筒結(jié)構(gòu)阻尼比低，不利于抑制共振，需要依靠控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高風(fēng)塔——柔性方案:結(jié)構(gòu)基頻低于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動卓越頻率的風(fēng)塔（從啟動到正常發(fā)電必然會經(jīng)過結(jié)構(gòu)共振區(qū)）柔性塔優(yōu)點(diǎn)：采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制造技術(shù)避免共振的前提下，強(qiáng)度可滿足要求結(jié)構(gòu)重量輕（塔高120米以內(nèi)）柔性塔缺點(diǎn)：剛度小，啟動過程必然經(jīng)過共振區(qū)鋼塔筒結(jié)構(gòu)阻尼比低，不利于抑制共振在安裝過程中易于引起橫風(fēng)向渦激振動控制系統(tǒng)可以抑制共振，前提是確保所有元器件長期有效當(dāng)塔的基頻與風(fēng)機(jī)卓越頻率較接近時，控制系統(tǒng)以抑制共振為目標(biāo)，不以高效發(fā)電為目標(biāo)，損失一定發(fā)電量轉(zhuǎn)移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高風(fēng)塔——剛性方案: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)澆混凝土上段鋼塔筒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)化程度較低全鋼結(jié)構(gòu)剛性塔Part

2SteelRigidWindTurbineTower結(jié)構(gòu)組成StructuralComposition構(gòu)架式剛性塔方案:塔身結(jié)構(gòu)分為構(gòu)架式塔架和錐臺形塔筒兩部分，中間由過渡段連接構(gòu)架式剛性塔特點(diǎn)：剛度大，承載能力高底部構(gòu)架式結(jié)構(gòu)材料利用率高，用鋼量省工業(yè)化制造、散件運(yùn)輸基礎(chǔ)受力小、造價低塔身采用全鋼結(jié)構(gòu)，以提升剛性風(fēng)塔的工業(yè)化程度將鋼結(jié)構(gòu)全塔身或塔身底部設(shè)計為構(gòu)架式，以節(jié)省材料并提高剛度四邊形全鋼構(gòu)架塔組成：傳統(tǒng)塔筒轉(zhuǎn)換過渡段構(gòu)架式塔架獨(dú)立基礎(chǔ)+連梁結(jié)構(gòu)組成StructuralComposition八邊形全鋼構(gòu)架塔組成：傳統(tǒng)塔筒轉(zhuǎn)換過渡段構(gòu)架式塔架獨(dú)立基礎(chǔ)+連梁結(jié)構(gòu)組成StructuralComposition已建成構(gòu)架塔方案SteelAngleWindTurbineTower構(gòu)架式角鋼塔方案:國內(nèi)已建成120米四邊形構(gòu)架式角鋼塔，每根塔柱由四根大規(guī)格角鋼拼接而成，橫斜桿均為單角鋼，連接全部用摩擦型高強(qiáng)螺栓。由于葉片做了特殊仰角改造，避免運(yùn)行過程掃塔，因此塔身桁架段較長，而塔筒段較短。可進(jìn)一步優(yōu)化的地方:塔高超過120米后，塔柱角鋼規(guī)格受限，采購困難角鋼迎風(fēng)體型系數(shù)大，塔身所受風(fēng)荷載大角鋼截面回轉(zhuǎn)半徑i

小，穩(wěn)定折減多，材料效率低構(gòu)架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構(gòu)架式預(yù)應(yīng)力鋼管塔方案:塔柱采用圓鋼管替代角鋼，提高了材料效率，降低了塔身所受風(fēng)荷載，120m塔架可節(jié)省約15%用鋼量；構(gòu)架塔段可采用四邊形、六邊形或八邊形等，分別對應(yīng)不同形式的轉(zhuǎn)換過渡段；塔架斜腹桿可采用雙拼C型槽鋼，用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接；或斜桿采用預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絞線，做柔性拉索，進(jìn)一步節(jié)省鋼材；雙拼C型鋼連接示意：構(gòu)架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構(gòu)架式鋼管塔抗疲勞方案:鋼管塔柱高頸鍛造法蘭對焊節(jié)點(diǎn)鋼管塔柱焊接節(jié)點(diǎn)板需提升焊接節(jié)點(diǎn)的抗疲勞性能，以滿足風(fēng)電塔的要求轉(zhuǎn)換過渡段焊接節(jié)點(diǎn)角鋼塔節(jié)點(diǎn)采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，此節(jié)點(diǎn)形式疲勞等級較高塔柱采用鋼管代替角鋼，則需要焊接節(jié)點(diǎn)連接，由于缺陷和殘余應(yīng)力的引入，其抗疲勞性能相對較低構(gòu)架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構(gòu)架式鋼管塔抗疲勞新策略：預(yù)壓力抗疲勞提高焊接節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能的傳統(tǒng)方法較多，包括：錘（針）擊、超聲沖擊、熱處理等

究其本質(zhì)為改善焊縫微觀幾何，消除應(yīng)力集中、改善材料性質(zhì)以及降低殘余拉應(yīng)力大小或在構(gòu)件表面制造殘余壓應(yīng)力等，以抑制微裂紋的萌生和擴(kuò)展

一般認(rèn)為疲勞壽命受疲勞應(yīng)力幅決定。但疲勞裂縫發(fā)展的過程與應(yīng)力的性質(zhì)也有關(guān)系。若將疲勞應(yīng)力限制在壓應(yīng)力范圍，則裂縫的發(fā)展受到很大的制約，壽命即可延長。圖2-1一般疲勞應(yīng)力圖圖2-2加預(yù)壓力的疲勞應(yīng)力圖構(gòu)架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構(gòu)架式鋼管塔抗疲勞新策略:預(yù)壓力施加方法：構(gòu)架段的每根塔柱內(nèi)布置兩根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，保證鋼管塔柱在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行工況（疲勞工況）下處于全受壓狀態(tài)，以提高疲勞壽命。通過對節(jié)點(diǎn)施加預(yù)壓力，降低焊接節(jié)點(diǎn)及附近金屬母材的拉應(yīng)力，在工作狀態(tài)下疲勞應(yīng)力在壓應(yīng)力范圍內(nèi)循環(huán)，提高疲勞壽命。塔柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨頭花籃螺栓預(yù)應(yīng)力鋼絞線鑄鋼段高頸法蘭鋼管全熔透對接焊高強(qiáng)螺栓構(gòu)架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower低風(fēng)速區(qū)高風(fēng)塔選型思路總結(jié)：存在問題解決思路電力消納矛盾低風(fēng)速區(qū)建立高風(fēng)塔風(fēng)塔大型化帶來的結(jié)構(gòu)變化柔性塔剛性塔

剛性塔材料選擇混凝土（鋼混）全鋼構(gòu)架塔

全鋼結(jié)構(gòu)剛性塔角鋼塔圓鋼管塔

圓鋼管塔焊接節(jié)點(diǎn)抗疲勞性預(yù)應(yīng)力抗疲勞預(yù)應(yīng)力抗疲勞Part

3PrestressedAnti-fatiguetechnology規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：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)。以下總結(jié)了中國/GB，日本/AIJ，美國/AISC，歐洲/EC3，船級社/DNVGL和國際焊接學(xué)會/IIW的相關(guān)規(guī)定，fcf(R)表示應(yīng)力幅修正系數(shù)，是應(yīng)力比R的函數(shù)。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)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將其統(tǒng)一繪制于下圖中方便對比，橫坐標(biāo)為應(yīng)力比R，縱坐標(biāo)為應(yīng)力幅的修正系數(shù)。隨著應(yīng)力比R的降低（即應(yīng)力循環(huán)中壓應(yīng)力的比重增大），對應(yīng)的應(yīng)力幅折減系數(shù)越大，即對應(yīng)的疲勞壽命的增大系數(shù)越大，意味著相應(yīng)的疲勞壽命越長。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)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology結(jié)論：當(dāng)應(yīng)力幅中壓應(yīng)力絕對值大于拉應(yīng)力絕對值8倍以上時，多數(shù)規(guī)范對應(yīng)力幅都予以折減。預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗：DNVGL試驗：DNVGL的J.R?rup和H.Petershagen基于船舶結(jié)構(gòu)中典型的兩面帶縱向焊接勁板的平板節(jié)點(diǎn)類型（兩層角焊，殘余應(yīng)力程度很高），探索了不同應(yīng)力比R對應(yīng)的疲勞壽命增大系數(shù)。由結(jié)果可見，盡管存在很高的焊接殘余應(yīng)力，但當(dāng)構(gòu)件完全處于常幅壓力循環(huán)時（R=-∞），其疲勞壽命提高約3倍。預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology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)力同濟(jì)大學(xué)高聳結(jié)構(gòu)研究室預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗：預(yù)應(yīng)力抗疲勞吊車梁試驗：將預(yù)應(yīng)力抗疲勞策略應(yīng)用于重級工作制吊車梁：其受疲勞控制，疲勞裂紋一般起始于下翼緣焊縫。通過在焊接工字鋼梁下翼緣位置張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，從而降低該部位在疲勞荷載下的平均應(yīng)力（應(yīng)力比R）以提高疲勞壽命。預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology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)力無預(yù)應(yīng)力鋼梁，疲勞壽命71萬次試驗結(jié)果：部分預(yù)應(yīng)力鋼梁（R=-4），疲勞壽命415萬次疲勞壽命提升約6倍預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗：基于構(gòu)架式鋼管塔過渡段的焊接節(jié)點(diǎn)抗疲勞試驗：以八邊形塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點(diǎn)”為對象，進(jìn)行了多組預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗：預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology處于全壓力循環(huán)下（R=-∞）的構(gòu)件，其疲勞壽命提高約2.9~6.0倍左右。且前述所有“疲勞壽命”均指裂紋貫穿壁厚的“裂紋萌生壽命”；實際裂紋萌生后，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（100多萬次）帶裂工作，即“裂紋擴(kuò)展壽命”很長。同時，預(yù)應(yīng)力抗疲勞實際將疲勞的“脆性破壞”改善為一種特殊的“延性破壞”模式，具有較好意義。預(yù)應(yīng)力抗疲勞設(shè)計方法：以上試驗結(jié)果證明了預(yù)應(yīng)力抗疲勞的可行性，現(xiàn)結(jié)合風(fēng)電塔的疲勞荷載特點(diǎn)，評估預(yù)應(yīng)力抗疲勞的經(jīng)濟(jì)性：預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology風(fēng)電疲勞荷載下的構(gòu)架塔焊接節(jié)點(diǎn)典型馬爾科夫矩陣絕大多數(shù)（85%以上）荷載循環(huán)對應(yīng)的應(yīng)力幅很小，但其并不是疲勞損傷的主要來源。損傷主要來自應(yīng)力幅更大的一些應(yīng)力循環(huán)，盡管其對應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)相對較少。對應(yīng)損傷情況預(yù)應(yīng)力抗疲勞設(shè)計方法：以試驗結(jié)果為依據(jù)，對馬爾科夫矩陣中不同應(yīng)力比R下的應(yīng)力幅進(jìn)行相應(yīng)折減，計算應(yīng)力幅折減后的損傷值，同時考慮預(yù)壓力引入后伴隨的塔柱截面積增大（以滿足極限承載能力）的調(diào)整，可定量評估預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法的經(jīng)濟(jì)性。預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology傳統(tǒng)方法：增大構(gòu)件尺寸抗疲勞預(yù)應(yīng)力抗疲勞顯然，相比于增大構(gòu)件尺寸以抵抗疲勞的傳統(tǒng)方法，預(yù)應(yīng)力抗疲勞方法在構(gòu)架式鋼管風(fēng)電塔中具有更好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)論：采用預(yù)壓力降低構(gòu)架式鋼管風(fēng)電塔焊接節(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。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)全部處于壓應(yīng)力區(qū)間時，基本不再有疲勞問題（即便裂紋萌生后，其擴(kuò)展速度緩慢，仍可長時間帶裂工作）。同時，將疲勞脆性破壞改善為一種特殊的延性破壞模式。預(yù)應(yīng)力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology設(shè)計開始截面選定

設(shè)計

驗算不通過通過傳統(tǒng)抗疲勞設(shè)計截面增大預(yù)應(yīng)力抗疲勞設(shè)計預(yù)應(yīng)力施加方案預(yù)壓力與極限

判斷截面調(diào)整預(yù)應(yīng)力施加荷載不累加預(yù)壓力與極限

荷載累加設(shè)計完成

復(fù)核判斷優(yōu)勢Part

4Advantages優(yōu)勢Advantages構(gòu)架式預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼管風(fēng)力發(fā)電塔：塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：優(yōu)勢：相比于傳統(tǒng)單管塔，構(gòu)架塔在運(yùn)輸上具有較大優(yōu)勢，構(gòu)架段為散件運(yùn)輸；所有焊接均在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場全部為螺栓節(jié)點(diǎn)安裝；同時，構(gòu)架塔安裝也具有一定優(yōu)勢，可以多個工作隊同時作業(yè)，節(jié)省時間成本。塔架越高，風(fēng)輪直徑越大，塔底彎矩越大，采用構(gòu)架式塔架提升材料效率越高塔身總用鋼量越?。粯?gòu)架塔采用獨(dú)立基礎(chǔ)+連梁形式，相比于柔塔，可節(jié)省大量基礎(chǔ)混凝土方量和鋼筋量；參數(shù)：輪轂高度：120m~200m塔底占地直徑：25m~40m柔塔一階自振頻率小于1P，需控制系統(tǒng)調(diào)控，而構(gòu)架塔剛度大于1P，避免了共振問題；構(gòu)架式預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼管風(fēng)力發(fā)電塔：升降機(jī)、維護(hù)平臺等附屬設(shè)備：箱變、升降機(jī)、平臺等附屬設(shè)備可參考角鋼塔完成；升降機(jī)順其中一根塔柱向上提升，由電梯廠家設(shè)計；以四邊形塔架為例，方案俯視圖如下示意：優(yōu)勢Advantages北京鑒衡認(rèn)證：研發(fā)、設(shè)計、計算及圖紙等技術(shù)性內(nèi)容已在北京鑒