矩形钢管混凝土束风机塔筒结构抗震性能研究
摘要
大功率、长叶片、高塔筒已经成为目前风电产业发展的主要趋势。为满足风电机组在低风速区获取风能资源，风电塔筒的高度已经达到100米至150米。传统钢制塔筒随着高度的增加出现柔度大、频率低、材料疲劳等问题。基于此，本文提出了一种矩形钢管混凝土束风机塔筒，建立了塔筒的有限元模型，首先对塔筒进行了压弯拟静力分析，选择了影响塔筒结构性能的相关参数，对其进行了变参分析；然后对该塔筒施加三种不同的地震波，分析了结构在地震作用下的动力响应模式；最后对该塔筒进行了风震耦合作用下的结构动力响应分析，并分析了地震波输入角度对塔筒结构动力响应的影响和倒塌特性分析，主要得到以下结论：
（1）对塔筒基础压弯构件进行了拟静力受力分析，分析了塔筒的受力过程，明确影响塔筒受力性能的主要因素。分析结果表明：典型试件在压弯荷载下的受力可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶阶段。在加载过程中，混凝土中性轴不会产生较大的偏移，受拉区大于受压区，且在角部会产生一定的应力集中。
（2）研究了截面含钢率、材料强度、荷载偏心率、剪跨比对塔筒受力性能的影响。结果表明：截面含钢率从0.09增大到0.15塔筒的极限承载力增长了50.7%；钢材强度等级从Q355 提升到Q460，塔筒的极限承载力增加了19.6%；混凝土强度等级大于C50对塔筒承载力提升意义不大；荷载偏心率由0增加至0.4，塔筒的极限承载力降低了8.7%，轴压比由0.1 增大至0.4，塔筒的极限承载力减小了14.7%；剪跨比对塔筒的初始刚度影响显著，当剪跨比大于4.5时，塔筒以弯曲变形为主。
（3）对塔筒进行不同地震波（近场脉冲地震波、远场类谐和地震波、普通地震波）激励，发现矩形钢管混凝土束风机塔筒在远场类谐和地震作用下的动力响应最为明显，近场脉冲地震次之，普通地震作用下的塔筒结构动力响应最弱。近场脉冲地震的动力响应主要在地震前期，塔筒结构响应迅速且强烈；远场类谐和地震的响应主要在后期，并有明显的放大趋势；普通地震则无明显特征。从塔筒顶部位移来看，塔筒受到三种地震波激励时均未超出最大水平位移角限值1/100，满足规范要求。
（4）对塔筒进行风与不同类型地震耦合作用下的结构动力响应分析，结果表明：风与地震耦合作用下塔筒的应力、位移等较单独受地震作用相比均发生较大变化；分析风荷载与不同地震耦合工况，发现风荷载与远场地震耦合作用下塔筒的位移最大。分析了地震输入角度对塔筒结构动力响应的影响，结果表明，从位移角度看，最不利工况为 0°方向（即地震输入方向与风荷载一致）输入地震波，67.5°方向上塔筒位移值最小；从应力角度来看最不利工况为90°方向（即地震输入方向与风荷载垂直）输入地震波，45°方向上应力值最小。
（5）通过逐级提高地震波PGA，对塔筒进行了地震倒塌特性分析，对比不同地震作用下塔筒的失效破坏模式，结果表明：塔筒结构对远场类谐和地震波最为敏感，破坏部位在塔筒大约80米高度处；而近场脉冲地震次之，塔筒的破坏部位为40米高度处；塔筒对普通地震最不敏感，破坏位置为80米高度处。
关键词：风机塔筒；长周期地震；动力学响应；风-震耦合；有限元分析
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