装配式预应力混凝土圆环截面自提升风电塔筒受力性能分析

摘  要 

随着全球变暖的问题越来越突出，全球能源供应上缺乏风能等的清洁能源，推动绿色可再生能源的发展变得越来越重要和紧迫。为了确保稳定的风力资源并最大限度地利用风能，需要更高、更刚、更稳定的混凝土塔架来取代柔、造价高和稳定性差的钢塔架。高度大的塔架结构需要加大的横截面，这带来了结构运输和安装的困难。然而，由于较高的运输成本，超高高度塔筒需采用大型安装起重机，这个问题限制了风能产业的进一步发展。因此，本文提出了一种新型的自提升式分段预制混凝土塔架，能够解决上述问题。采用本文提出的新型塔筒的优势在于，安装整个过程对起重机的需求较低，或者可以实现无起重机的塔架提升。 

主要研究内容: 

介绍了一种新型自提升式预制混凝土风电塔筒结构的概念设计相关内容。在概念设计中，介绍了结构体内和体外预应力类型的塔筒、结构几何尺寸和材料特性。该塔筒可兼容5 兆瓦风电机组，并且整个塔架主要分为三段；两个上下混凝土段和一个顶部钢塔段。 

以若干个有限元 (FE) 模型分析风电塔筒的静力性能。以HH160结构获得的载荷表并且采用相应的系数推算 HH200 塔架结构载荷。分析了最不利静力条件下塔架结构的整体位移以及结构刚度特性。分析了体外和体内预应塔筒结构的性能。还进行了一些不同厚度和材料刚度的塔筒结构的性能分析。按照规范定义的荷载类型S1、S2和S3荷载工况计算了塔筒整体应力分布、塔筒位移、抗压和抗裂强度。 

基于 ABAQUS 有限元软件，对风电塔筒进行了模态分析和稳定性分析。模态分析包括了施加预应力、不同的配筋率等参数对结构刚度和振动的影响。分析了塔筒本身的材料刚度的退化、塔筒几何刚度和塔顶风电机组质量的变化对结构振动频率的影响。此外，还引入了土-结构相互作用的概念，分析了不同边界条件及地基刚度和地基阻尼作用变化的情况下土与结构相互作用对结构振动的影响。另外，还提出了一种自提升塔筒屈曲的理论分析方法。对不同结构刚度下进行了塔筒的线性屈曲和非线性屈分析，算出了塔筒结构的屈曲荷载，并且进行了两种分析方法算出结果的比较。 

根据高耸结构的抗震设计要求，根据场地类别、地震分组和地震烈度，选取了四种地震波，采用时程分析法对塔筒进行了抗震性能分析。此外，采用传统的振型分解反应谱法研究了结构的动力特性，并与时程分析法计算出的地震响应进行比较。此外，还分析了塔筒地基刚度、土的阻尼等系数对结构地震响应的影响。 

关键词:  风力发电；自提升风电塔筒；预制混凝土结构；静力分析；动力分析； 土-结构相互作用分析。

附件：

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