钢混塔筒风机基础数值模拟分析及结构优化研究

摘  要 

在国家实现碳达峰，碳中和目标的时代背景下，风力发电正以其资源节约，环境友好的优势，在能源行业中受到越来越广泛的关注。为了使风力发电机的单机装机容量进一步增大，需要建设更高的塔筒结构来获取更多的风能，而在高塔筒结构方案中，预应力混凝土-钢组合塔筒结构相比传统的钢塔筒结构在经济和技术上具有更大的优势。预应力混凝土-钢组合塔筒风机的基础已在国内不少的风电场有了较多的应用，但有关的研究还相对较少，本文对这种塔体的风机基础进行了有限元数值模拟分析及结构优化的研究，主要内容如下： 

（1）结合工程实例，利用ABAQUS软件建立了塔筒-基础-地基一体化分析模型。在建模时，考虑加入混凝土塔筒和预应力系统模型，据此可更加真实地模拟基础承受上部荷载，同时也考虑利用分离式的建模方式将钢筋网模型放入基础混凝土模型内。在材料定义方面，分别使用塑性损伤模型和理想弹塑性模型对混凝土和钢筋的非线性行为进行描述。根据计算结果，系统地分析了钢混塔筒风机基础各部位的情况。结果表明，钢混塔筒风机基础实例工程的结构在极端荷载工况作用下整体结构安全，但局部受拉损伤较大。 

（2）根据受拉损伤的分布特点，分别提出了“加劲肋”方案、斜向钢筋方案、预应力加密布置方案和台柱下沉方案等四种钢混塔筒风机基础的结构优化方案并分别对其进行了建模和分析，并将分析计算的结果与原模型的计算结果进行了对比。结果表明，这四种结构优化方案在局部受拉损伤的问题上均比原方案更优，对将来钢混塔筒风机基础的工程设计和研究具有重要的参考价值。 

关键词：预应力混凝土塔筒；风机基础；有限元方法；受拉损伤；结构优化

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