基于预应力损失的装配式混合塔筒数值模拟分析
摘 要
风能是一种绿色、环保、可再生的清洁能源，其开发可以有效减少环境污染和能源匮乏等问题。近年来，随着可持续发展理念的提出，我国开始大力发展风力发电，风电在能源市场的占有率也在逐渐提升。钢．混凝土混合式塔筒具有抗振性能好、刚度大、耐久性好以及生产运输方便等优点，因此在大容量风机结构的应用中表现出明显的优越性。预应力的损失可能导致结构裂缝的出现和扩展，从而影响结构的安全性。然而针对预应力装配式混合塔筒的研究相对较少，因此有必要对预应力损失条件下塔筒的受力性能和稳定性进行研究。本文基于实际工程，采用有限元软件ABAQUS建立了预应力装配式混合塔筒的三维有限元模型，研究了预应力损失的影响下塔筒应力、损伤以及塔顶位移的变化规律，并对塔筒进行了稳定性分析，主要研究成果如下：
(1)根据规范计算了预应力装配式混合塔筒的预应力损失值，并在此基础上进行了结构安全复核。结果表明，预应力损失会导致结构安全裕度降低，但塔筒的承载能力仍然满足规范要求。根据实际塔筒参数建立了三维有限元塔筒模型，在极限荷载工况下，对比分析了有无预应力损失对塔筒应力和损伤的影响。结果表明，预应力损失35．2％后，塔筒迎风侧混凝土塑性受拉损伤区域增加，预应力钢绞线最大应力增加了7．19％；受压侧塑性损伤因子从0．0847增大到0．3268，预应力损失对结构承载能力有显著影响。此外，通过对正常运行极限荷载工况下塔顶位移值的计算分析，验证了有限元模拟结果的合理性。
(2)研究了预应力损失幅度增加时预应力混凝土塔筒应力、位移以及塑性损伤的变化规律。结果表明，随着预应力损失幅度的增加，塔筒的最大主应力变化经历了消压段、增长段和塑性扩展段三个阶段。预应力损失幅度增加时，M02节塔筒接缝处首先出现塑性损伤，并且损伤区域逐渐扩展，最终水平接缝和门洞两侧都出现严重的塑性损伤，损伤因子超过0．9。预应力损失对结构的白振频率没有影响，并且一阶频率与现场实测的频率吻合，验证了模型的合理性。此外，还对比分析了局部预应力损失模型和整体损失模型结构应力、位移以及塑性损伤的扩展情况。结果显示，局部损失模型的最大主应力以及塑性扩展情况与整体损失模型的规律基本相同，但在相同的预应力损失幅度下，局部损失模型的最大主应力和损伤因子更大。此外，当预应力损失幅度从0％增加到100％时，局部损失模型的塔顶位移从O．3225m增加到0．5217m，增加了61．7％。因此，局部预应力损失对结构的影响更大。
(3)根据屈曲基本理论，本文建立了塔筒屈曲有限元计算模型，并进行了线性屈曲和非线性屈曲分析。研究结果表明，非线性屈曲分析得到的临界荷载小于线性屈曲分析的临界荷载，因此在屈曲分析中考虑材料非线性和几何非线性十分必要，可以更接近实际情况，确保计算的临界荷载更加准确。经过复核，塔筒的临界荷载大于极限荷载工况下的最大压力，因此塔筒不会发生屈曲。预应力的损失和门洞的存在都会降低塔筒的稳定性，导致临界荷载的减小。
(4)针对预应力混凝土塔筒的薄弱位置，本文建立了分缝拼接模型和整浇模型，对混凝土塔筒水平接缝处不同工况下的应力以及损伤情况进行了分析。结果表明，正常运行极限荷载工况下，两种模型的受力情况相似，受拉侧均未出现拉应力，接缝处主应力大小与高度呈线性关系。极限荷载工况下，分缝模型的最大主应力会大于整浇模型，并且二者的应力集中区域并不相同。分缝塔筒的受拉侧下表面边缘产生竖向裂缝，并且随着弯矩的增加逐渐向上扩展延伸。而整体浇筑塔筒产生横向的水平裂缝，随着弯矩逐渐增大，裂缝先沿着塔筒壁水平扩展长度增加，然后逐渐沿着45。向下延伸出现斜裂缝。
关键词：装配式塔筒；损伤分析；预应力损失；水平接缝；数值模拟
附件：
