预制混凝土高塔筒安全评价研究
摘 要
近年来，我国风电发展迅速，为了响应国家“碳达峰，碳中和”的号召，减少能源污染，风电在全国范围内的应用前景极为广阔。地形地貌和风速成为风力发电机组塔筒设计和选址的重要因素，目前在我国地势较高的西部地区风电的应用比较广泛，在平原地区，由于地势低且风速变化范围较大，风电的应用受到限制，而混凝土塔筒具有高频低振幅、无运输限制、使用寿命长和经济效益显著的优点，适用于低风速、高风切变、大湍流、运输困难地区和单机容量大的机组，在恶劣环境下仍能满足发电要求，相较于钢制塔筒具有较长的使用年限，随着塔筒结构高度的增加以及风速的不断加大，发电效率得到大幅提升。现阶段对预制混凝土结构塔筒，尤其是高塔筒结构的研究相对较少，因此研究高塔筒结构在荷载作用下的安全稳定性十分必要。本文以某实际工程结构为背景，通过现场量测数据，建立了三维空间计算模型，对预制混凝土高塔筒结构的损伤机理分析、安全状况评估、承载能力大小等方面进行了研究，其成果对我国风电机组混凝土塔筒的设计和规范的制定具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要研究内容及成果如下：
(1)根据《风力发电机组预应力装配式混凝土塔筒技术规范》等规范对实际工程塔筒结构进行了计算分析，结果表明：塔筒水平截面无裂缝出现；水平截面极限承载力满足规范要求；不同塔筒连接部位的水平和竖直抗剪承载力均满足规范要求。
(2)构建高塔筒结构数值模型，对塔筒结构的自振特性、位移、应力及损伤进行计算分析。研究表明：随着混凝土强度的降低，塔筒结构的自振频率及塔筒结构的刚度均降低，稳定性变差，位移增加。塔筒在极端荷载工况下运行时，当混凝土强度等级从C65降到C40，受拉受压损伤因子增大，TD3段塔筒的最大拉应力己超出规范设计要求，无法满足风电机组的安全运行。
(3)通过现场检测，对实际塔筒结构的量测数据进行采集分析。主要通过全站仪对塔筒结构的垂直度进行测量，得出风机在静止状态下轮毂处的垂直度为2．1‰，水平位移为0．2361m，满足规范限值；通过非接触多点振动测量方法采集塔筒的振动数据，轮毂处的振动频率为O．310Hz，与设计复核的动力特性分析结果0．343Hz吻合；根据现场检测情况，混凝土塔筒的主要缺陷包括局部混凝土掉块和混凝土裂缝现象；该风电机组的钢绞线入场的预拉应力为4167KN，测得的某一根钢绞线的预拉应力结果为4022KN，可知该机组在运行约一年半时间之后，钢绞线的预拉应力损失率为4％左右。
(4)基于实测数据，建立高塔筒结构缺陷模型，对A1、TDl、B1、B4、TD2、C1和TD3塔筒段的裂缝和掉块缺陷进行计算分析。结果表明：现有塔筒结构的应力与损伤情况满足要求；针对预应力损失情况，塔筒的拉应力随着预应力的降低而增加，各段塔筒的受拉损伤情况加剧，与预应力混凝土结构的特性符合。
(5)基于频率法对钢绞线的预应力损失进行数据采集，该方法首次应用到风机中，可以有效避免由于拉脱法对钢绞线造成的损伤。
关键词：预制混凝土高塔筒；损伤分析；预应力；安全评估；ABAQUS
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