钢管混凝土风力发电机格构式塔架抗震性能的试验研究

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钢管混凝土框架结构抗震性能试验研究

ＬＩＢｉＸＵＥｎＺＨＡＮＧａｎ，Ｇａｇ，Ｙｕｎ
（ｒｉｃｕｎｉｌｎｉｅｎｃｏｌＵＳａｔ，ａｔ１００ＣｉａＡｃｔｔｅａｄＣｖｇｅｒｇＳｈｏ，ＩＢｏｕＢｏｏ０４１，ｈ）ｈｅｒｉＥｎｉＴｏｕｎ
坏形态、形特点、载一位移滞回模型及结构耗能比，析了钢管混凝土框架结构的受力特点及抗震性能，工变荷分为程设计提供了试验依据．
Ｅｘｒｍｅｔｓｕｙｏｅｉｅａｉｕｆｐｅｉｎｔｄｎｓｍｃｂｈｖｏｒｏｃｎｒｔｌｄｔｂｌｒｆａｅｓｒｃｕｅｏｃｅｅｆｌｕｕａｒｍｔｕｔｒｓｉｅ
维普资讯
２００２年０６月
包头钢铁学院学报
ＪｕｎｌｏａｔｕＵｉｅｓｙｏｏｎｔｅｅｈｏｏｙｏｒａｆＢｏｏｎｖｒｉｆＩｎａｄＳｅｌｃｎｌｇｔｒＴ
关键词：管混凝土；架；震；验研究钢框抗试
中图分类号：Ｕ１．Ｔ３１３文献标识码：Ａ
摘
要：过２具有同一外形尺寸及用料的钢管混凝土框架在低周往复荷载下的试验，究了该类型结构的破通榀研
Ｊｎ，０２ｕｅ２０
Ｖｏ２１．ｌＮｏ２来自第２卷第０ｌ２期

格构式钢管混凝土风力发电塔架设计

第31卷第2期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2012年4月V ol.31No.2Journal of Liaoning T echnical University（Natural Science）Apr.2012文章编号：1008-0562(2012)02-0202-04格构式钢管混凝土风力发电塔架设计姜顺先，王存堂，于浩源（江苏大学机械电子工程，江苏镇江212013)摘要：针对格构式钢管混凝土组合结构塔架在风力发电中应用问题，结合钢管混凝土统一理论，采用有限元法，借助于ANSYS有限元软件，对钢管混凝土立柱的稳定性、格构式钢管混凝土塔架静强度进行了分析.结果表明：圆钢管混凝土立柱的稳定性优于薄壁钢管立柱；格构式钢管混凝土形式塔架能够满足风机塔架强度要求，但格构式塔架最大应力处于塔架迎风或背风一侧的某一高度，因该高度的弯矩比较大，构件连接节点部位出现了较大应力集中，对此高度组合材料的含钢率应适当加大.该结果对格构式钢管混凝土组合结构塔架的总体设计有一定的参考价值.关键词：格构式；塔架；钢管混凝土；风力发电；有限元；稳定性；静强度；模态中图分类号：TK83文献标志码：ADesign of wind turbine tower using lattice concrete-filled steel tubeJIANG Shunxian,WANG Cuntang,YU Haoyuan(School of Mecha nical and Electronic Engineer ing,Jiangsu Univer sity,Zhenjiang212013,China) Abstra ct:In terms of the application problem of concrete-filled steel tube tower in wind power generation,this study analyzes the stability of concrete-filled steel tube column and the static strength of concrete-filled steel tube tower based on unified theory of concrete-filled steel using ANSYS finite element software.The results show that the stability of circular concrete-filled steel tube column is better than that of thin-walled steel column.The concrete form of lattice steel turbine tower can meet the strength requirement.However,the maximum stress is at the tower windward leeward side with certain height.Therefore,the high degree of bending moment is relatively large,and there is a large stress concentration on the area of connected nodes.At the height with stress concentration,the steel ratio in combined materials should be appropriately increased.The study results are valuable for the overall design of concrete-filled steel tube tower.Keywords:lattice;tower;concrete-filled steel tube;wind power;finite element;stability;static strength;modal0引言风力发电机组的发电量与塔架高度密切相关，当轮毂高出地表湍流附面层，发电量将显著增加.目前大多数的塔架是由钢材制成，钢制高耸结构对局部缺陷很敏感，其临界承载力只能达到理论值的1/3~1/5，易发生失稳.钢管混凝土塔架的采用则可以克服上述缺点，钢管混凝土将钢管和混凝土有效组合，钢管对混凝土具有套箍作用，内填的混凝土很好的抑制或延缓钢管的局部屈曲.具有强度高、塑性好等诸多优点，充分的发挥了两种材料的长处，能产生良好的经济效益，因而得到工程界的广泛青睐.韩林海和钟善桐[1-2]较早对钢管混凝土进行力学性能研究，钟善桐提出了钢管混凝土统一理论.袁伟斌[3]对钢管、离心钢管混凝土结构设计理论进行研究.但以上均缺乏对结构整体方案的设计.顾富斌[4]对风电机组用钢-混凝土组合塔架进行研究，该塔架形式为钢管塔安装在预制的混凝土基础上，仍不能解决钢结构塔架易失稳问题.刘香[5]等人对格构式钢管混凝土风力发电塔架进行了受力分析，但建模时采取了过多简化，且仅分析了钢管混凝土轴心受压情况.本文结合钢管混凝土统一理论建立钢管混凝土的本构关系，采用有限单元法,分析轴心受压时钢管混凝土立柱的稳定性，并对格构式钢管混凝土收稿日期：2011-08-11基金项目：科技部中小企业创新基金资助项目(11C26213201397)作者简介：姜顺先（1985-），男，河北清河人，硕士研究生，主要从事风力发电及控制系统面的研究.本文编校：曾繁慧第2期姜顺先，等：格构式钢管混凝土风力发电塔架设计203塔架和钢制锥筒塔架进行静强度的比较分析,从而得到一种可行的结构方案，为钢管混凝土组合结构用于塔架设计和制造提供了参考.1钢管混凝土统一理论钢管混凝土是钢管和混凝土两种物质组合成的，国内外学者提出了多种其物理和力学性能的研究方法[6-10].本文采用钢管混凝土统一理论，把钢管混凝土视为一种材料来研究其组合性能.钢管混凝土在各种载荷作用下的工作性能随着材料的物理参数、统一体的几何参数和截面型式以及应力状态的改变而改变；变化是连续的、相关的，计算方法是统一的，即钢管混凝土构件的工作性能具有统一性、连续性和相关性.2圆钢管混凝土轴心受压工作性能2.1圆钢管混凝土的本构关系塔架作为风力发电机组主要承重构件,承载着顶部机舱和叶片的质量,所以钢管混凝土轴心受压时工作性能很重要.钢管对混凝土具有套箍作用，选取不同的套箍系数ξ,钢管混凝土标准试件的ε~N 关系如图1.此处，y c k /f f ξα=:y f 是钢材的屈服强度；ck f 是混凝土的标准抗压强；s /A A c α=是含钢率；,分别为钢管和混凝土的截面面积.s A c A 图1圆钢管混凝土试件N~ε的关系Fig.1relation of circular concrete-filled steel tube根据上图可以看出1<ξ时,钢管对核心混凝土的约束力不大,塑性阶段很短,呈脆性破坏,因此1=ξ和1>ξ两种类型是在实际工程中常遇到的.图2为1时，不同长径比，轴心受压时圆钢管混凝土的D L /ε~N 关系曲线.显然，1>ξ且时，是钢管混凝土轴心受压时真正发挥强度承载力的5.3~3/=D L ε~N 关系.N图2N~ε关系Fig.2relationship of N~ε2.2钢管混凝土组合刚度和组合泊松比可以采用叠加法对钢管混凝土组合刚度进行估算，即构件的承载力为钢管的承载力和混凝土的承载力的叠加，可用下列通式表达s c E sc cs 11(1)11E E E α=+α++.(1)叠加法没有考虑由于紧箍效应而使核心混凝土弹性模量的提高，统一理论下组合刚度计算表达式为ppsc sc sc/E f ε=，(2)p ysc y sc a (0.192/2350.488)f f f =+MP ，(3)psc y s 0.67f E ε==，(4)式中，为钢管混凝土轴心受压时的组合比例极限；为组合比例应变.当采用高强度钢材时二者相差不大.钢管混凝土组合泊松比pscf pscεν的表达式为[3]c ssaE bE cE cνν+=，(5)式中,2s c s 12()(1)1a νννα=+；2s s s 1(12)(1)1b νννα=+++；2c c 1(1)(12)1c ννα=+.构件应变A BC 轴向压力ξ<1ξ=1ξ>1NDABC10<L/D<30L/D=5L/D=4~5L/D<3~3.5L构件应变轴向压力204辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷2.3圆钢管混凝土结构轴心受压稳定性分析利用a nsys 程序提供的特征值屈曲分析方法对薄壁圆钢管和圆管混凝土结构进行稳定性分析.特征值屈曲分析分三个步骤：设置预应力选项并执行一次静力分析；计算屈曲模态；扩展屈曲模态.首先用式(2)和式(5)计算组合材料的物理参数，如表1，并用beam189单元建立分析模型如图3.450101500Φ××表1材料物理性能Tab.1physical properties of materials立柱类型材料物理性能参数材料弹性模量密度/(kg m -3)泊松比薄壁钢管立柱Q34520678500.3Q34520678500.3钢管混凝土立柱C303024000.2组合42.82228740.23(a)薄壁钢管立柱(b)圆钢管混凝土立柱图3屈曲分析模型Fig.3a model of bucking analysis在模型上分别施加Z 轴负向单位力，设置预应力选项并执行一次静力分析；屈曲模态选择Block Lanczos 提取方法，提取数为2；屈曲模态扩展数为2.表2为薄壁钢管立柱和圆钢管混凝土立柱的前2阶屈曲特征值.表2屈曲特征值Tab.2buckling eigenvalue特征值阶数薄壁钢管立柱/N 圆钢管混凝土立柱/N1 1.66439×1079.0901×10723.0356×1086.2632×108由于在静力分析中施加的是单位力，因此这里的特征值等于结构的各阶屈曲临界载荷.第一阶屈曲模态的屈曲模式为关于梁截面弱轴（截面坐标系中的Z 轴）的一阶弯曲失稳.图4为模型第一阶屈曲模态的变形图.钢管混凝土立柱的第一阶屈曲临界载荷明显大于薄壁钢管立柱，且对于薄壁钢管结构来说，其对局部缺陷很敏感，临界承载力只有理论1/3~1/5，易发生失稳，钢管混凝土将钢管和混凝土有效组合，钢管对混凝土具有套箍作用，内填的混凝土很好的抑制或延缓钢管的局部屈曲.具有强度高、塑性好等优点，充分发挥钢管和混凝土两种材料的长处.图4第一阶屈曲模态变形Fig.4first-order buckling mode3算例某定型风力发电塔架机组高48m,在相同高度下格构式塔架的底部外接圆直径为3.25m ，顶部外接圆直径为1.92m ，分为16段支撑,每段主肢立柱计算长度为3m ，采用Q345钢管,型号10450×φ，混凝土等级C30，缀条采用575×φ的钢管；钢制锥筒塔架，底直径为3.25m ，顶部直径为2.06m ，分三段，各段间用法兰与螺栓连接，均采用Q345C钢:m 为20mm ，14~30m 为18mm ，30~48m 为16mm.用beam 188单元建立的格构式塔架模型和Shell 63单元建立的钢制锥筒塔架如图5、图6.14~0图5格构式塔架模型图6钢制锥筒塔架模型Fig.5lattice wind tower Fig.6steel cone tower静强度分析所设定的边界条件主要是塔顶施加的载荷和塔底的约束，风力发电机塔架与基础固连，可以对塔底施加全约束，即约束塔底所有节点的全部自由度.载荷情况见表3.表3载荷情况Tab.3load case工况M x /(kN m)M y /(kN m)M z /(kN m)F x /kN F y /kN F z /kN 1305.01595.676.3253.9 1.6-4202432.8767.3-129.0589.3-14.4-5073-306.7-472.137.5-450.0-14.2-346第2期姜顺先，等：格构式钢管混凝土风力发电塔架设计205（a ）工况1（b ）工况2（c ）工况3图7不同工况下格构式塔架应力Fig.7stress of lattice wind tower under differentcondition（a ）工况1（b ）工况2（c ）工况3图8不同工况下钢制锥筒塔架应力Fig.8stress of steel cone tower under different condition表4分析结果Tab.4the results of the analysis载荷作用下钢制筒塔架的应力载荷作用下钢制筒塔架的应力工况最大应力×103/kN位置最大应力×103/kN位置1116塔架30m 附近126塔架42m 附近2231塔架14.4m 附近259塔架39m 附近3174塔底附近209塔架42m 附近由以上塔架等效应力云图（如图7、图8）和结果数据的分析，可以看出，钢制锥筒塔架的最大应力并不是总出现在塔架的塔底处，工况1和工况2最大应力均出现在塔架的法兰连接处，因此对塔架受载后法兰结合面压应力最大值的检查是必要的，查看是否超过材料的许用应力，以验证塔架的安全性能.格构式塔架最大应力处于塔架某一高度附近迎风或背风面，原因是在这一高度的弯矩比较大，格构式构件在连接节点部位出现了较大的应力集中，因此在这一高度组合材料的含钢率应适当加大，并且缀材采用铰接.4结论对格构式钢管混凝土塔架的设计做了初步探讨，得出圆钢管混凝土在轴心力作用下力学性能优越.风力发电机塔架偏心受压，格构式塔架因柱肢分布在构件周围，载荷偏心率较大时，柱肢仍以轴压为主，可有效发挥钢管混凝土的诸多优势.风的脉动效应会使塔架产生随机振动，这种交变荷载作用下塔架受力非常复杂.但为简化模型,算例并未考虑风荷载下产生的随机振动,未对风力发电机组用塔架的风振响应进行分析，希望后续工作能够增加风致钢管混凝土塔架动力响应分析.参考文献：[1]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2006.[2]钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.[3]袁伟斌.离心钢管混凝土结构设计理论基础研究[D].杭州:浙江大学建筑工程学院,2005.[4]顾富斌.风电机组用钢-混凝土组合塔架研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学机械交通学院,2009.[5]李娟.水平轴风力发电机组钢管塔架风致响应分析[D].济南:山东大学结构工程学院,2009.[6]Refaat M H,Mequid S A.Anew strategy for the s olution of frinti onal contactproblems[J].Int J Number Mech Engng,1998,43(5):1053-1068.[7]刘香,王敏,李建.格构式钢管混凝土风力发电塔架的受力分析[J].武汉理工大学学报,2010,32(9):175-177.[8]尚晓江,邱峰.Ansys 结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.[9]黄本才,汪从军.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2008.[10]路畅,李成全,王碧珺.小型风力发电机偏心轴叶片设计与计算[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2009,28(S1):286-288.。

钢管混凝土框架结构抗震性能分析

［］王３
振，立强．唐立式浮放储罐三维地震反应分析及试验研ｆ］中国科学院高科技研究与发展局．学研究动态监测快报６科
［］先进能源科技专辑，０８８：０１．Ｊ．２０（）１ —２
究［］２０．Ｚ．０６
［］郭增建．市地震政策Ｉ．京：４城Ｎ］北地震出版社，９１１５１９：－．
筋混凝土楼盖，度为１０ｍｍ，管采用０４厚２钢３５钢。由于结构的控制作用为地震作用，在此分析地震对结构的故
作用，其他如恒载、活载、载对结构的影响不予考虑。风
１２多遇地震作用下结构抗震性能分析．
第３６卷第３０期
２０１０年ｌ０月
山西建筑
ＳＨＡＮＸｌＡＲＣＨＩＴＥＣＦＵＲＥ
Ｖ０．６ＮＯ３１３．０
Ｏｃ．２１ｔ００
・５７・
文章编号：０９６２（００３—０７０１０ —８５２１）００跨桥梁、工业建筑以及地下结构等
众多土木工程结构中，取得了良好的经济和社会效益。
随着经济建设的迅速发展，国城市交通的桥梁建设亦进入我
迅速发展时期。为改善城市交通，强与周围地区间的联系，加人
采用有限元分析软件ＳＰ００对上述两框架结构进行线性Ａ２０时程分析，选用的地震波为Ｅ一ｅｔ１ｎｒＣｏ波和Ｔｆ波。ａｔ在７ｇｌｌｅｔ０ａ， — ｎｒＥＣｏ波作用下，框架１和框架２的结构顶点位

风力机钢结构塔架及底座力学特性与强度分析的开题报告

风力机钢结构塔架及底座力学特性与强度分析的开题报告一、题目概述随着可再生能源行业的快速发展，风力发电已经成为一种重要的清洁能源形式。

风力机是风力发电的核心设备之一，它的结构稳定性和安全性对风电项目的运行与维护起着至关重要的作用。

其中，风力机钢结构塔架及底座作为风力机的支撑部件，承受着风力机旋转时产生的复杂力学特性和各种外部环境因素的影响，其结构设计和强度分析具有重要的工程实际意义。

本文旨在研究风力机钢结构塔架及底座的力学特性与强度分析，为风力机结构设计和安全性评估提供依据。

二、研究内容1.钢结构塔架力学特性研究通过对钢结构塔架内力和应力状态的分析，研究风力机旋转时钢结构塔架的变形和应力分布规律。

2.钢结构底座力学特性研究研究钢结构底座受力分布和内力状态，分析风力机重心的位置对底座结构的影响。

3.塔架和底座的强度分析通过计算分析，确定钢结构塔架和底座的强度设计参数，评估其结构的可靠性和安全性。

三、研究步骤1.确定研究方法与理论基础选择适当的数值模拟方法和结构力学理论，确定研究对象和研究目标。

2.建立数值模型建立风力机钢结构塔架和底座的三维模型，并进行刚度和强度分析，得到风力机运行过程中的内力状态。

3.对风力机内力状态进行分析通过对风力机内力状态的分析，确定风力机塔架和底座的最大应力和变形情况，进一步评估其结构安全性。

4.结构设计参数确定根据结构强度分析结果，确定风力机塔架和底座的结构设计参数，以保证其结构可靠性和安全性。

五、预期成果本文将以风力机钢结构塔架和底座为研究对象，通过建立数值模型和理论分析相结合的研究方法，得出风力机塔架和底座的力学特性和强度分析结果，并提出合理的结构设计和加固措施，为风力发电项目的设计和运行提供理论依据和技术支持。

型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架抗震性能试验与分析的开题报告

型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架抗震性能试验与分析的开题报告摘要本次课题旨在通过型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的抗震性能试验和分析研究该结构的抗震性能。

首先，对该结构的组成和特点进行介绍，明确试验目的与方法；其次，分析该结构的力学性能，探讨其受力机理；然后，通过有限元模拟对该结构进行分析，并与试验结果进行对比，验证其准确性和可行性；最后，结合国内外相关研究，探讨该结构在实际工程中的应用前景。

本次课题的研究成果对于推广该结构在建筑工程中的应用，提高建筑结构的安全性等方面具有一定的实际意义。

关键词：型钢混凝土梁，钢管混凝土核心柱，抗震性能，试验，分析一、研究背景抗震是建筑安全的重要因素之一，在地震频繁的区域，建筑结构的抗震性能尤为重要。

随着科技的不断进步和建筑技术的不断发展，越来越多的新型结构材料和构造形式应运而生。

型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架结构是一种新型结构体系，其综合性能优越，具有很好的抗震性能，逐渐得到了广泛应用。

在实际工程中，如何进一步探讨该结构的抗震性能，以提高建筑结构的安全性，成为了热门的研究领域。

二、研究目的本次研究旨在通过试验和有限元模拟分析，研究型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的抗震性能，探讨其适用性和应用前景。

三、研究方法1. 组织试验选取适当规格和数量的结构构件进行试验，通过试验研究结构的受力变形特征和破坏机理。

试验过程中需要严格按照有关规定进行操作，确保试验结果的准确性和可靠性。

2. 有限元模拟分析采用ANSYS等有限元软件，建立型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的有限元模型，对其进行受力分析和变形仿真。

3. 数据分析和结果对比通过试验结果和有限元模拟结果的比较分析，得出结论，评价型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的抗震性能。

四、研究内容1.型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的组成和特点。

2.型钢混凝土梁--钢管混凝土核心柱组合框架的力学性能分析。

格构式钢管混凝土构件的抗震性能及恢复力模型研究

格构式钢管混凝土构件的抗震性能试验研究
试验设计
为了评估格构式钢管混凝土构件的抗震性能，需要进行不同地震强度下的试验，并记录相关数据。
试验结果
通过分析试验结果，可以得出格构式钢管混凝土构件在地震作用下的响应、破坏模式以及恢复力特性。
格构式钢管混凝土构件的抗震性能数值模拟研究
数值模型
利用有限元分析软件，建立格构式钢管混凝土构件的数值模型，并对其进行地震作用下的动态分析。
01
钢管混凝土构件的恢复力模型
恢复力模型是描述结构在地震作用下的力学行为和性能的关键因素。
02
现有恢复力模型的分类
根据不同的分类方法，可将恢复力模型分为基于力的模型、基于位移
的模型和混合模型等。
03
恢复力模型的研究进展
国内外学者在钢管混凝土构件的恢复力模型方面进行了大量的研究，
通过实验和数值模拟方法对其模型参数进行标定和验证，并应用于结
通过实验或实际工程数据对模型进行验证和修正，提高模型的准确性和可靠性。
基于能量的恢复力模型研究
能量参数的选择
选择能够反映结构能量的参数，如应变能、动能、势能等，作为模型输入。
模型建立方法
利用能量原理、动态有限元等方法建立恢复力模型，并确定模型参数。
模型验证与修正
通过实验或实际工程数据对模型进行验证和修正，提高模型的准确性和可靠性。
通过对比实验和理论分析结果，验证了所提出恢复力模型的准确性和有效性。
分析了该类型构件的滞回性能和恢复力模型，并提出了相应的模型参数。
探讨了该类型构件在强震下的破坏机制和失效模式，为进一步优化其抗震性能提供了参考。
07
结论与展望
研究结论

钢-混凝土组合结构抗震性能研究综述

钢—混凝土组合结构抗震性能研究综述摘要：通过对钢-混凝土组合框架结构体系的简要介绍以及其抗震性能的研究，提出一些加强钢—混凝土组合结构抗震性能的建议。

关键词：组合结构，框架结构，抗震性能Abstract: By introducing the steel concrete composite frame structural and discussing its behavior of anti-seismic, then giving some advises about improving the behavior of anti-seismic of the steel concrete composite structural.Key words: composite structral , frame structural, anti-seismic0. 引言随着我国经济的快速发展，各种新的结构形式不断涌现。

其中钢-混凝土组合结构越来越受到大家的重视，由于组合结构具有许多突出的优点，高层建筑与大型桥梁等建构筑物在我国各地大量兴建，各种型式组合结构逐渐被广泛应用。

组合结构已经和钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砌体结构并称五大结构。

组合结构主要包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。

在国外，钢—混凝土组合结构最初大量应用于土木工程旨在二次世界大战结束后，当时的欧洲急需恢复战争破坏的房屋和桥梁，工程师们采用了大量的钢—混凝土组合结构，加快了重建的速度，完成了大量的道路桥梁和房屋的重建工程。

1968 年日本十胜冲地震以后，发现采用钢—混凝土组合结构修建的房屋，其抗震性能良好，于是钢—混凝土组合结构在日本的高层与超高层中得到迅速发展。

60 年代以后世界上许多国家（包括英、美、日、苏、法、德）根据本国的试验研究成果及施工技术条件制定了相应的设计与施工技术规范。

1971年成立了由欧洲国际混凝土委员会（CES、欧洲钢结构协会（ECCS、国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁及结构工程协会（IABSE组成的组合结构委员会，多次组织了国际性的组合结构学术讨论会，并于1981 年正式颁布了《组合结构》规范。

钢管混凝土格构柱抗震性能试验研究

图1模型的试验简图数，如表1所示，其中钢材屈服强度为315MPa，肢柱细石混凝土强度为C30：f cu=43.7MPa，C40：f cu=50.52MPa，C50：f cu=59.98MPa。

2结果与分析2.1破坏模式构件编号轴压比是否单侧开洞混凝土强度等级GGZ1 GGZ2 GGZ3 GGZ4 GGZ5 GGZ60.20.30.40.30.30.3否否否开洞面与加载方向垂直开洞面与加载方向垂直开洞面与加载方向平行C40C40C40C40C50C40表1构件参数汇总试验加载初期，体系处于弹性阶段，未见明显变形。

着荷载的增加，柱肢开始出现钢管撕裂现象，裂缝处于竖向柱肢与斜向缀件的焊接处。

随着位移的不断增大，撕裂现象不断出现在斜向缀管与柱肢的连接处，随后竖向柱肢与横向缀管连接处也同样出现钢管撕裂现象，部分钢管裂缝最终使得缀管与柱肢完全脱离。

出于安全的角度考当构件竖向轴压力不能维持稳定时，认为构件已破坏，试验随即停止加载。

加载结束后可在柱肢底部发现较为明显的钢管屈曲现象且呈横向发展状态，部分构件的典型破坏形态如图3所示。

图3部分试件破坏模式（a）GGZ2（b）GGZ42.2水平荷载-位移骨架曲线表2列出了加载试件骨架曲线的特征值，比较了不同参数对钢管格构柱骨架曲线的影响。

结合表2中GGZ1、GGZ2和GGZ3可知，轴压比从0.2增加到0.3和0.4时，试件峰值荷载从132.7kN变化到129.8kN和127.8kN，分别降低了2.2%和3.7%，可见轴压比变化对构件承载能力影响不大；试件位移延性系数随轴压比的增大而降低，从5.65降低到5.58和5.05，分别降低了1.2%和10.6%，位移延性系数下降幅度较大，说明轴压图2构件加载装置图。

大型风力发电机塔架弹塑性地震分析

２０正３０１
内蒙古科技大学学报
ＪｕｎｌｏｎｅｎｏｉｉｅｓｙｏｃｅｃｎｅｈｏｏｙｏｒａｆｎｒＭｏｇｌＵｎｖｒｉｆＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇＩａｔLeabharlann Ｍａｃ２０ｒｈ，０１
第２９卷１期
ｃｅｅｆｌｄｓｅｌｕｅ３ｌｓｃｌｌｎｔｗｅｎｔｅｅａｔｔｇ．ｉｎｙａｓｌｎｍｂｒｆａｓａｈｐａｄｔｅｂｔｍｔｅｐａ — ｒｔ — ｌｔｅｔｂｉｏｕｔｏｒｉｉｓｓｉｓａｅｗｔｏｌｍａｌｕｅｒｔｅｔｎｈｏｔｉｏｔｌｓｉｅｍｂｌｓｈｃｈｏｂｔｏｏｎｈ
２钢管混凝土三肢柱塔架结构模型的
建立
对于钢管混凝土三肢柱塔架，根据其几何特征和主要力学特性进行模型的简化．钢管混凝土三肢柱塔架为空间桁架结构，空间各构件之间的连接接近于铰接形式，以将竖直方向塔柱之间的连接节点以及所
（ｒｉｃｕｅＣｖｎｉｅｒｇＳｈｏ，ｎｒｎｏｉＵｉｅｓｙｏＳｉｃｎｅｈｏｇａｔｕ１００ＣｉａＡｃｔｔｒｉｌｇｎｅｎｃｏｌＩｅｇｌｎｖｒｔｆｃｎｅａｄＴｃｎｌｙＢｏ４１，ｈｎ）ｈｅｉＥｉｎＭｏａｉｅｏｏ０
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Ｅｌｓｉ — ｌｓｉａｔｑａｅａａｙｉｆｌｒｅｗｉｄｐｏｒｇｎｒｔｒｔｗｅａｔｃｐａｔｃｅｒｈｕｉｎｌｓｓｏａｇｎｗｅｅｅａｏｏｒ

风机塔架结构的地震响应研究

风机塔架结构的地震响应研究1引言近断层地震动是近10多年地震学和地震工程学中非常活跃的研究领域。

上世纪80年代末至今，不断发生的一些大地震，造成了大量的人员伤亡和工程结构的破坏，迫使国家与工程技术人员进一步加强抗震救灾工作和震害的预防[1]。

这些地震均发生在断层附近，对获得的地震记录的研究发现，断层附近的地震动均伴随有较大的速度和位移脉冲，这种脉冲效应会使结构在一开始就承受高能量的冲击作用，引起较大的内力和变形，尤其是对风力发电机塔架这种长周期的结构影响更为严重，与远场地震区相比，破坏力更加惊人[2，3]。

长久以来，近断层地震动观测资料始终非常有限，现有规范的抗震设计谱大多以远断层的强震观测数据为依据得出。

这就使得现有的抗震设计谱无法全面的反映地震动以及结構在地震作用下的特性，使许多建筑物和构筑物可能处于不安全的状态[4]。

同时，实际震害也表明，近断层脉冲型地震动作用对结构的性能需求明显增加。

从很多震害现象中得出，近断层地震对工程结构的破坏性比远场地震来得更为严重，尤其是对长周期结构。

因此，研究近断层脉冲型地震动作用下的结构反应将对近断层地区结构的抗震设计具有重要意义[5，6]。

风力发电机塔架因其包含叶轮和机舱部分，顶部体型较大，属于典型的长周期结构。

同时，由于近断层地震动含有速度脉冲等特点，对长周期结构的影响较大，因此本文对近断层地震作用下和一般远场地震作用下风机塔架结构的响应情况进行有限元模型计算，然后作对比分析。

2近断层地震动的特点近断层地震动的基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、速度脉冲、方向性效应、滑冲效应和上盘效应[7]。

2.1近断层强地震动的集中性现有的强地震动观测资料与数值模拟结果均表明，在断层距增加的同时，近断层地震动的衰减速度很快，若以断层在地表的投影位置为中心，强地震动通常就集中在这一狭窄的区域内，一旦远离这一范围，其幅值呈明显下降趋势。

大量已有的震害资料亦表明了这一范围通常就是震害程度最为严重的区域，导致强地震动集中性的主要原因就是近断层区域地震波的几何衰减很快[8]。

格构式钢管混凝土风力发电机塔架的设计指标和参数研究

层可采用其他形式；塔柱径厚比宜小于３０，腹杆与塔柱刚度比卢宜小于０．０５，以避免塔柱先于腹杆发生破坏．本文分析结果可为工程设计提供依据．
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｄｅｘｅｓａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ — ｉｌｆｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｔｏｗｅｒ
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ｅｎｔｅｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏａｄｂｅａｉｎｔｇ，ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ，ｆｏｒｍｏｆｔｏｗｅｒｗｅｂｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｔｔｉｃｅ；Ｃｏｎｃｒｅｔｅ — ｉｌｆｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；Ｔｏｗｅｒ；Ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ：Ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮｏｎｌｉｎｅａｒｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｔｙｐｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｔｏｗｅｒｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｅｓ —

大型火力发电厂钢筋混凝土框排架结构抗震性能及设计方法研究

谢谢观看
实际应用与效果评估
某大型火电厂主厂房框排架结构在抗震性能分析及设计方法应用后，按照规定的地震烈度进行模拟地震试验。结果表明，该主厂房框排架结构在地震作用下的响应得到有效控制，结构构件和节点连接均未出现破坏，验证了所采用抗震性能分析及设计方法的有效性。此外，该方法还为主厂房的优化设计和后续类似项目的抗震分析提供了有益的参考。
结论
本次演示通过对大型火电厂钢结构主厂房框排架结构的抗震性能及设计方法进行深入研究，得出以下结论：
1、主厂房框排架结构具有较好的抗震性能，能够有效地吸收地震能量，满足地震烈度要求。
2、针对主厂房框排架结构的抗震性能分析及设计方法应综合考虑结构特点、功能需求和施工条件等因素，坚持“强柱弱梁”、“强ห้องสมุดไป่ตู้点弱构件”等原则。
四、抗震设计方法研究
在抗震设计方法方面，可以采用基于性能的抗震设计方法。该方法通过合理地选择结构体系、加强关键部位、采用减震隔震技术等措施，使少墙型钢混凝土框架主厂房在地震作用下能够保持较好的抗震性能，满足使用要求。
五、结论
本次演示对大型火力发电厂少墙型钢混凝土框架主厂房的抗震性能和设计方法进行了研究。通过试验研究和理论分析，得到了该结构的抗震性能和破坏模式，并提出了相应的抗震设计方法。这些成果可以为大型火力发电厂少墙型钢混凝土框架主厂房的抗震设计和建设提供参考和指导。
针对钢筋混凝土框排架结构的抗震性能，我们可以采取以下几种方法进行优化设计：
1、优化结构布置：合理的结构布置能够提高结构的整体性和稳定性。通过调整立柱和横梁的位置和尺寸，可以优化结构的抗震性能。
2、加强关键部位：对于结构中的关键部位，如节点和连接件，应采取加强措施，提高其承载能力和可靠性。

中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒风振性能研究

中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒风振性能研究中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒风振性能研究摘要：随着风电产业的快速发展，新一代高效节能的风电塔筒材料及结构方式成为了研究的热点。

本文以中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒为研究对象，通过数值模拟方法，研究了其在风振荷载作用下的动力响应特性，并对其结构参数进行了优化设计。

一、引言风电塔筒是风力发电装置的重要组成部分，其结构性能直接关系到风力发电装置的安全稳定运行。

传统的钢管混凝土风电塔筒存在重量大、材料浪费、施工难度大等问题，因此，研究新型的风电塔筒材料及结构模式具有重要的现实意义。

二、材料及结构设计中空夹层钢管混凝土是一种由内外两层钢管夹持混凝土形成的复合结构材料。

其内部钢管通过连续悬挂方式固定在外部钢管内，形成中空夹层结构。

该结构具有重量轻、抗震性能好、热功耗低等优点，在风力发电装置中有广阔的应用前景。

三、数值模拟及分析通过ANSYS软件对中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒进行有限元模拟，分析其在风振荷载作用下的动力响应。

首先建立了完整的模型，根据设计要求和实际工况，设定风速和结构参数，并利用流体-结构相互作用理论模拟了风振荷载。

然后，通过动态模拟分析了风振荷载作用下的塔筒结构的位移、加速度、应力等动力响应指标。

四、优化设计在数值模拟的基础上，通过分析结果，对中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒的结构参数进行了优化设计。

主要围绕钢管的直径、间距以及混凝土的厚度等参数展开了优化工作。

通过多次迭代计算和对比分析，在满足结构强度和稳定性的前提下，确定了最佳的结构参数。

五、结果与讨论通过数值模拟和优化设计，得到了中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒在风振荷载下的动力响应特性。

优化后的结构参数使得塔筒结构在风振荷载下具有更好的稳定性和减振性能，增加了整个风力发电装置的安全性和寿命。

六、结论本文针对中空夹层钢管混凝土组合风电塔筒在风振荷载下的动力响应特性进行了研究，通过数值模拟和优化设计，得到了该结构在风力发电装置中的应用潜力。

多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析

㊃科㊀研㊃钢结构(中英文),38(12),27-38(2023)DOI :10.13204/j.gjgS 23080501ISSN 2096-6865CN 10-1609/TF多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析∗许云龙1㊀丁发兴1,2㊀吕㊀飞1,2㊀潘志成1㊀罗㊀靓1㊀尹国安1㊀陈㊀明1㊀余志武1,2(1.中南大学土木工程学院,长沙㊀410075;2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心,长沙㊀410075)摘㊀要:基于柱端拉筋对钢管混凝土柱㊁钢管混凝土柱-组合梁节点和钢管混凝土柱-组合梁平面框架结构抗震性能影响的试验研究成果,建立了钢管混凝土柱-组合梁空间框架结构动力时程分析的三维实体-壳单元模型,探讨了柱端拉筋和主梁加高等增强约束措施㊁削减钢梁跨中腹板高度的变截面组合梁以及多维地震波对结构抗震性能的影响规律,分析了不同地震波强度作用下该类组合框架结构的位移响应㊁轴压比时程曲线㊁应力-应变等曲线,以及结构塑性耗能分配机制㊁塑性铰形成与发展规律和结构刚度损伤演化规律等抗震性能指标㊂有限元计算结果表明:1)柱端拉筋和主梁加高等增强约束措施均能有效提升组合框架结构抗震性能而减小结构刚度损伤,且地震波强度越大作用效果越明显;相同地震波作用时,柱端拉筋增强约束措施比主梁加高增强约束措施更有效,而两种增强约束措施共同作用则能进一步提升组合结构的极限抗震能力㊂2)柱端拉筋增强约束措施能够降低钢管壁与混凝土间界面滑移,增强混凝土的耗能能力,降低钢管混凝土柱塑性耗能占比,提升钢梁塑性耗能占比,提升结构总塑性耗能;此外,柱端拉筋增强约束措施还可减少组合框架柱端塑性铰并增加梁端塑性铰的数量,延缓柱端压铰的出现,延长压铰向拉铰转变的过程㊂3)降低钢梁跨中腹板高度的变截面组合梁对框架结构抗震性能没有影响,采用该变截面组合梁的框架模型不仅能够满足结构基本功能要求,还可节省结构耗材㊁降低造价,进一步扩大建筑实用空间㊂4)与单向地震波作用相比,多维地震波作用下组合框架结构的极限抗震能力大幅下降,结构失效模式由剪切破坏转变为剪扭破坏㊂另外,三维地震波中竖向加速度对框架结构柱端轴压比有放大作用,而对楼层最大位移㊁层间位移角㊁塑性耗能和刚度损伤等方面则无明显影响㊂柱端拉筋增强约束措施对组合框架结构抗震性能仍有提升作用㊂关键词:钢-混凝土组合结构;多维地震;增强约束;塑性耗能;刚度损伤∗国家自然科学基金项目(51978664)㊂第一作者:许云龙,男,1993年出生,博士研究生㊂通信作者:丁发兴,男,1979年出生,博士,教授,dinfaxin @㊂收稿日期:2023-08-050㊀引㊀言全球主要地震活动带有三个,而我国正处于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位,地震活动体现出频率高㊁强度大㊁震源浅㊁分布广的特点㊂地震灾害给人类社会活动造成了不可估量的损失,尤其是建筑结构因抗震能力不足而倒塌所造成的人员伤亡和经济损失,这使得抗震减灾成为结构工程师们所面临的技术考验㊂为提高建筑结构的抗震性能,科研人员在结构布置㊁材料强度和隔震减震等方面展开了大量的研究工作㊂钢-混凝土组合结构因充分发挥了两种材料的力学性能优势,提升了结构的刚度㊁承载力和耗能能力,而在高层及超高层建筑结构中得到了广泛应用[1]㊂因此,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法对促进建筑结构实现双碳战略目标具有十分重要的意义[2]㊂由于钢管对混凝土的约束作用为间接被动约束,课题组丁发兴[3]在比较各种约束方式后提出了内拉筋约束钢管混凝土柱技术,揭示了内拉筋具有直接约束混凝土的工作原理㊂此后,丁发兴课题组许云龙,等/钢结构(中英文),38(12),27-38,2023开展了端部拉筋钢管混凝土柱抗震性能试验研究,截面形式包括矩形[4]㊁圆形[5]㊁椭圆形[6]㊁圆端形[7]等,探讨了拉筋与钢管内表面接触方式的影响[8]㊂试验结果表明:实际轴压比高达0.8的超高轴压比钢管混凝土柱仍呈现延性破坏,且钢管混凝土柱塑性铰展现出小偏压和大偏压两个阶段㊂另外,通过对比几类方形截面桥墩的抗震性能,表明采用内拉筋约束钢管混凝土柱技术可满足9度及以上设防烈度要求[9]㊂针对组合节点,丁发兴等[10-11]完成了端板螺栓连接和加强环连接组合梁节点的拟静力试验,利用柱端拉筋和加劲肋增强约束措施实现了节点核心区强连接,显著提升了螺栓连接节点的初始转动刚度㊁抗弯承载力和耗能能力,使栓连节点达到刚性节点的性能要求㊂与此同时,内拉筋增强约束措施实现了组合节点在柱端轴压比高达0.8时仍维持梁端弯曲破坏的失效模式㊂针对组合框架,丁发兴等[12]完成了2层2跨组合框架对比试验研究,结果表明:内拉筋增强约束措施提升了框架结构的刚度和承载力,延缓了塑性铰的形成,增强了结构延性和耗能能力㊂此外,丁发兴等[13]还基于三维实体单元+壳单元精细化模型提出了考虑塑性大变形响应的多高层钢管混凝土柱结构体系抗震倒塌分析方法,阐明了组合框架塑性铰形成过程包含压铰 (小变形)和拉铰 (大变形)两个阶段且拉铰阶段引发结构失效与倒塌的工作机理,揭示了内拉筋增强约束措施有利于降低结构位移响应,提高了柱耗能能力,进而增强了结构抗倒塌能力㊂为此,基于课题组上述研究成果,笔者的主要工作如下:1)建立钢管混凝土柱-组合梁空间框架结构三维体-壳元模型,并探讨柱端拉筋和主梁加高两种增强约束措施对结构体系抗震性能的影响;2)根据有限元模型计算结果,建议了钢梁跨中削减截面的变截面组合梁优化方案;3)探讨了该类组合框架结构在二维及三维地震作用下的位移响应㊁塑性耗能分配机制及刚度损伤演化规律㊂1㊀钢-混凝土组合框架有限元模型1.1㊀算例概况10层3跨3开间钢管混凝土柱-组合梁空间框架结构总高49.2m,其中底层高6m,其余层高4.8m,柱间距9m,总建筑面积7290m2,结构立面和柱网平面布置如图1所示㊂钢管混凝土柱截面尺寸为500mmˑ500mm,钢管壁厚5mm,柱端拉筋为12@100㊂主梁规格为HM400ˑ200ˑ8ˑ13和HM500ˑ200ˑ8ˑ13,次梁规格为HM300ˑ200ˑ8ˑ12,钢梁上布置双排ϕ19@200栓钉㊂钢筋混凝土楼板内布置双层双向10@200钢筋网,板厚120mm,保护层厚度20mm㊂钢管混凝土柱与组合梁采用外加强环方式连接,笔者以柱端拉筋和主梁加高增强约束措施为研究参数,各算例梁柱构造见表1,各截面如图2所示㊂a 组合框架立面;b 柱网平面布置㊂图1㊀钢管混凝土柱-组合梁空间框架概况㊀mm Fig.1㊀Overview of CFST column-composite beam spatial frame表1㊀算例概况Table1㊀Overview of calculation examples 算例柱端拉筋主梁规格地震波方向KJ-1否HM400ˑ200ˑ8ˑ13N-SKJ-2是HM400ˑ200ˑ8ˑ13N-SKJ-3否HM500ˑ200ˑ8ˑ13N-SKJ-4是HM500ˑ200ˑ8ˑ13N-SKJ-5否变截面梁N-S,E-W,U-D KJ-6是变截面梁N-S,E-W,U-D ㊀㊀注:变截面梁将钢梁HM500ˑ200ˑ8ˑ13跨中腹板高度削减至300mm㊂㊀㊀算例中混凝土强度等级均为C50,钢管柱㊁钢梁及外加强环均采用Q235级钢材,内拉筋采用HRB400级钢筋,栓钉屈服强度为350MPa㊂拉筋均匀布置在柱底层1000mm范围内和各层组合节点上下1000mm范围内,拉筋等效体积配箍率为3%㊂该建筑结构设计使用年限为50年,环境类别为一类,建筑场地类别为Ⅱ类,建筑结构安全等级为二级,结构重要性系数为1.0㊂根据GB50009 2012‘建筑结构荷载规范“[14]和GB50010 2010‘混凝土结构设计规范“(2015版)[15]的相关规定,屋面活荷载取值为2.0kN/m2,楼面活荷载取值为4.0kN/m2㊂选取El Centro波前20s数据用于结构动力响应分析,三个方向原始数据如图3所示,施加外荷载多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析时分别调幅至9度多遇㊁8度罕遇㊁9度罕遇及以上强度㊂a 柱端拉筋布置范围;b 1 1截面;c 2 2截面;d 3 3截面;e 外加强环平面(bf 为钢梁翼缘宽度);f 外加强环立体;g 变截面梁剖面㊂图2㊀模型算例各截面示意㊀mmFig.2㊀Schematic diagram of each section in the calculation examplea N -S 方向;b E -W 方向;c U -D 方向㊂图3㊀El Centro 地震波前20s 数据Fig.3㊀The first 20s data of El Centro seismic wave1.2㊀有限元模型概况采用大型商用有限元软件ABAQUS 对钢管混凝土柱-组合梁空间框架算例进行动力时程分析,其有限元模型如图4所示㊂核心混凝土柱和混凝土楼板均采用8结点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R);钢管㊁钢梁和外加强环等可视为同性㊁薄壁构件,忽略其厚度方向的应力,采用4结点减缩积分格式的壳单元(S4R),沿壳的厚度方向采用9积分点的Simpson 积分;板内钢筋网和柱端拉筋均采用2结点线性三维桁架单元(T3D2);栓钉近似简化为三维线性梁单元(B31)㊂钢管与核心混凝土之间采用面-面摩擦型接触方式,将钢管内表面定义为主面,核心混凝土外表面定义为从面,采用有限滑移,离散化方法选择表面-表面㊂在接触属性选项中切向行为选用罚函数,其摩擦系数取0.5[16],法向行为设置为硬接触,允许接触后分离㊂文献[17]研究表明,栓钉采用梁单a 单层钢管柱+外加强环+钢梁;b 变截面梁及内拉筋;c 组合框架整体㊂图4㊀钢管混凝土柱-组合梁空间框架有限元模型Fig.4㊀Finite element model of CFST column-composite beam spatial frame元嵌入式的方法能有效模拟钢-混凝土组合梁的力学性能,因此栓钉采用内置方法内嵌到混凝土楼板中㊂文献[12]中试验结束后钢筋在混凝土楼板内没有发现黏结破坏现象,因此板内钢筋与柱端拉筋许云龙,等/钢结构(中英文),38(12),27-38,2023同样采用内置方法分别内嵌到混凝土楼板和柱内混凝土中㊂钢管柱与外加强环㊁钢梁和加劲肋共同受力,因此上述部件之间采用绑定约束㊂混凝土本构关系采用Ding等[18]所提出的塑性-损伤模型,其中混凝土单轴应力-应变关系如下:y=Aix+(Bi-1)x21+(A i-2)x+B i x2xɤ1xαi(x-1)2+xx>1ìîíïïïïïï(1)其中㊀㊀A1=6.9f-11/30cu,B1=1.67(A1-1)2式中:当i=1时,y=σc/f c,x=εc/εᶄc;σc和εc分别为混凝土的压应力和压应变;f c为轴心抗压强度f c=0.4f7/6cu;εᶄc为峰值压应力对应的应变,εᶄc= 291f7/15cuˑ10-6;E c为弹性模量,E c=9500f1/3cu;A1㊁B1为上升段参数;当混凝土配箍率或含钢率不小于2%时,下降段参数α1=0.15;当横向配箍率或含钢率为0时,下降段参数α1=4.0ˑ10-3f1.5cu;当横向配箍率或含钢率为0~2%时,下降段参数α1采用线性内插的方式确定㊂当i=2时,y=σt/f t,x=εt/εᶄt;σt 和εt分别为混凝土的拉应力和拉应变;f t为轴心抗拉强度,f t=0.24f2/3cu;εᶄt为峰值拉应力对应的应变,εᶄt=33f1/3cuˑ10-6;A2㊁B2为上升段参数,A2=1.3, B2=0.15;素混凝土中下降段参数α2=1+3.4f2cuˑ10-4,其余情况下降段参数α2=0.8㊂混凝土塑性-损伤本构模型中其他参数取值如下:混凝土的泊松比取为0.2,膨胀角取为40ʎ[19],偏心率取为0.1,双轴等压强度与单轴强度之比取为1.227,拉㊁压子午线上的第二应力不变量比值为2/3,黏性系数取为0.0005㊂卸载时损伤因子取值采用丁发兴等[20]提出的混凝土弹性模量损伤变量计算方法㊂钢材混合强化模型能较好地反映材料屈服面和包辛格效应,其准确性在课题组前期研究中[21]已进行验证㊂其参数取值如下:弹性模量取2.06ˑ105MPa,泊松比为0.285,屈服应力为钢材屈服强度f y,随动硬化参数C1取7500,背应力变化率γ取50,屈服面最大变化Qɕ为0.5f y,硬化参数b为0.1㊂然而,在复杂往复受力状态下,金属构件因损伤累积效应而使其承载力和刚度均有所折减,若考虑金属材料韧性损伤则可较好地反映大变形阶段强度退化的现象㊂因此,本文有限元模型中钢材采用考虑韧性损伤的混合强化模型,其中钢材断裂应变与损伤因子计算公式如下[18]:εf=7.72f-0.4y(2a)D s=0.96(μpl/μf)2.42(2b)式中:εf为断裂应变;f y为屈服强度;D s为损伤因子;μpl和μf分别为钢材拉伸时的塑性位移和极限位移㊂栓钉的弹塑性应力-应变关系如下[16]:σ=E sε㊀εɤεyf y+0.01E s(ε-εy)εy<εɤεu1.2f yε>εuìîíïïïï(3)式中:σ为应力;ε为应变;εy为屈服应变;εu为极限应变,取为21εy;E s为弹性模量,E s=2.06ˑ105MPa㊂2㊀水平单向地震波作用下柱端拉筋和主梁加高增强约束措施的影响笔者对算例KJ-1㊁KJ-2和算例KJ-3㊁KJ-4分别施加El Centro波N-S方向加速度,对比分析了柱端拉筋和主梁加高两种增强约束措施下组合框架模型的动力响应㊂2.1㊀极限强度地震波有限元计算结果显示,算例KJ-1和KJ-2可承受的最大加速度分别为1500cm/s2和1750cm/s2,算例KJ-3和KJ-4可承受的最大加速度分别为1500cm/s2和2000cm/s2㊂当加速度超出上述值后各模型算例则发生如图5所示的倒塌变形,可见模型以剪切变形为主㊂图6列出了4种模型算例在极限强度地震波作用下的楼层最大位移包络线㊂可知:1)两种增强约束措施均能明显限制楼层最大绝对位移值,降低结构侧向位移,提升强震作用下建筑结构的抗倒塌能力;2)KJ-2可承受的最大加速度为1750cm/s2,而KJ-3只能承受1500cm/s2,表明柱端拉筋增强约束措施比主梁加高增强约束措施更有利于减轻结构变形;3)KJ-4的最大加速度可达2000cm/s2,表明两种增强约束措施共同作用能进一步提升结构的极限抗震能力㊂a KJ-1;b KJ-2;c KJ-3;d KJ-4㊂图5㊀水平单向地震波作用下模型算例倒塌变形Fig.5㊀Collapse deformation diagram of calculationexamples under N-S seismic waves多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析a 峰值加速度为1500cm /s 2;b 峰值加速度为1750cm /s 2和2000cm /s 2㊂图6㊀增强约束措施对模型算例楼层的最大位移包络线的影响Fig.6㊀The influence of enhanced constraint measures onthe maximum displacement envelope lines of calculation example2.2㊀层间位移角4种模型算例在1750cm /s 2及以下地震波作用下各层间位移角如图7所示,其中图7a 和7b 对比了柱端拉筋增强约束措施的影响,图7c 和7d 对比了主梁加高增强约束措施的影响㊂可知:1)各模型算例的层间位移角随地震波强度的增大而增大,且较大值主要集中在二㊁三层位置;2)两种增强约束措施均能明显降低模型算例的最大层间位移角,且地震波强度越大,降低效果越显著;3)楼层越高,两种增强约束措施对层间位移角的限制越不明显㊂a KJ -1和KJ -2对比;b KJ -3和KJ -4对比;c KJ -1和KJ -3对比;d KJ -2和KJ -4对比㊂图7㊀增强约束措施对模型算例的层间位移角的影响Fig.7㊀The influence of enhanced constraint measureson the interlayer displacement angles of calculation example2.3㊀轴压比时程曲线以水平地震波峰值加速度达1000cm /s 2时为研究对象,分析了柱端拉筋和主梁加高两种增强约束措施对框架柱轴压比时程曲线的影响,其中图8a 和8b 对比了柱端拉筋增强约束措施的影响,图8c和8d 对比了主梁加高增强约束措施的影响㊂可知,两种增强约束措施对框架模型角柱㊁边柱和中柱的轴压比时程曲线没有显著影响㊂a KJ -1和KJ -2对比;b KJ -3和KJ -4对比;c KJ -1和KJ -3对比;d KJ -2和KJ -4对比㊂图8㊀增强约束措施对框架柱轴压比时程曲线的影响Fig.8㊀The influence of enhanced constraint measures on thetime history curves of axial compression ratio of frame column2.4㊀应力-应变曲线以水平地震波峰值加速度达1000cm /s 2时为研究对象,分析了柱端拉筋和主梁加高两种增强约束措施对组合框架柱端和梁端应力-应变曲线的影响㊂为探讨内拉筋对框架柱内力的影响规律,图9和图10分别对中柱底部核心混凝土和钢管柱进行了对比分析㊂可知,柱端内拉筋可降低核心混凝土的横向应变,提高其纵向应力水平,同时降低了钢管的纵向应变,表明柱端内拉筋可提升钢管对核心混凝土的约束作用,同时能延缓钢管屈曲,增强钢管抗力水平㊂图11对距地面高2000mm 处角柱受力侧中点的钢管和混凝土纵向位移进行了对比分析,并绘出二者的差值曲线㊂可见,柱端拉筋增强约束措施能够显著降低钢管混凝土柱的界面滑移,促进二者协同工作㊂图12对比了主梁加高增强约束措施对梁端上㊁下翼缘应力-应变曲线的影响㊂可知,提高钢梁腹板高度使截面中性轴下移时,上㊁下翼缘应变水平略有增大㊂2.5㊀塑性耗能根据有限元计算结果,图13分析了不同地震波许云龙,等/钢结构(中英文),38(12),27-38,2023㊀㊀㊀a 应变时程曲线;b 应力时程曲线㊂图9㊀柱端拉筋增强约束对中柱底部核心混凝土时程曲线的影响Fig.9㊀The influence of column end stirrup-confined onthe time history curves of core concretea 中柱底部混凝土;b 中柱底部钢管㊂图10㊀柱端拉筋增强约束对钢管混凝土柱应力-应变曲线的影响Fig.10㊀The influence of column end stirrup-confinedon the stress-strain curves of CFSTcolumnsa KJ -1;b KJ -2㊂图11㊀柱端拉筋增强约束对纵向位移时程曲线的影响Fig.11㊀The influence of column end stirrup-confined onthe longitudinal displacement time historycurvesa 中跨梁端上翼缘;b 中跨梁端下翼缘㊂图12㊀主梁加高增强约束对梁端翼缘应力-应变曲线的影响Fig.12㊀The influence of main beam heightening on thestress-strain curves of beam endflangesa 模型总塑性耗能;b KJ -1和KJ -2对比;c KJ -3和KJ -4对比;d KJ -1和KJ -3对比;e KJ -2和KJ -4对比㊂图13㊀增强约束措施对模型算例塑性耗能的影响Fig.13㊀The influence of enhanced constraint measureson the plastic energy dissipation强度下4种模型算例的塑性耗能及梁柱耗能占比㊂可见:1)模型算例以梁柱耗能为主,楼板耗能贡献可忽略不计;2)在相同地震波强度下两种增强约束多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析措施均能提升结构的总塑性耗能;3)相同地震波作用下,柱端拉筋增强约束措施提高了钢梁塑性耗能占比,降低了钢管混凝土柱塑性耗能占比;4)主梁加高增强约束措施对组合框架结构的耗能分配机制没有明显影响㊂2.6㊀塑性铰与刚度损伤大量钢管混凝土受弯构件试验及有限元分析表明,受弯极限状态时约2/3截面高度范围内钢管达到屈服状态[22]㊂根据上述试验现象并结合组合框架结构有限元分析,笔者将组合框架结构塑性铰形成过程区分为压铰 (小变形)和拉铰 (大变形)两阶段,并分别将1/3截面高度范围内出现受压屈服和受拉屈服定义为压铰和拉铰 ,其判定准则见表2㊂表2㊀塑性铰判定准则㊀㊀图14显示了极限地震强度下4种模型算例的塑性铰分布情况,其中图14a~14d为1500cm/s2地震强度,图14e~14f为1750cm/s2地震强度,图14g为2000cm/s2地震强度,图14h展示了组合框架结构震后刚度损伤规律,也标出了首次出现压铰和拉铰时地震波强度所在位置㊂可知:1)在极限地震波作用下,4种模型算例均因梁端拉铰引发结构失效,呈现出典型的强柱弱梁破坏形态;2)柱端拉筋增强约束措施可减少组合框架柱端塑性铰并增加梁端塑性铰的数量,同时延缓柱端压铰的出现,延长压铰向拉铰转变的过程;3)主梁加高增强约束措施对组合框架塑性铰的形成与发展没有明显影响;4)两种增强约束措施均能明显降低结构刚度损伤,提升结构抗倒塌能力㊂上述分析表明,单一的增强约束措施对降低结构刚度损伤具有相近的效果,而两种增强约束措施共同作用可进一步减小结构刚度损伤㊂3㊀水平单向地震波作用下削减钢梁跨中腹板高度的影响根据有限元计算结果可知,钢梁塑性铰主要集中在钢梁两端,而钢梁跨中区域受力较小且基本上为弹性,为此建议采用图4b中降低跨中腹板高度的变截面梁,并将该变截面梁用于算例KJ-5和KJ-6的主a KJ-1,1500cm/s2;b KJ-2,1500cm/s2;c KJ-3,1500cm/s2;d KJ-4,1500cm/s2e KJ-2,1750cm/s2;f KJ-4,1750cm/s2g KJ-4,2000cm/s2;h 刚度损伤㊂图14㊀模型算例塑性铰分布及刚度损伤Fig.14㊀Distribution of plastic hinges and stiffness damageof calculation example梁中,其具体尺寸见图2g,其余参数均保持不变㊂以算例KJ-3和KJ-4为参照模型,算例KJ-5和KJ-6分别为对应的跨中腹板削弱型变截面梁模型㊂图15~19分别列出了变截面梁对单向水平极限地震波作用下组合框架的楼层最大位移包络线,层间位移角,柱轴压比,塑性耗能,梁柱耗能分配机制,塑性铰分布及刚度损伤的影响㊂由对比结果可知,适当降低主梁跨中腹板高度对模型整体动力响应没有明显影响,表明该变截面梁不仅能够满足结构基本功能要求,还可节省结构耗材㊁降低造价,进一步扩大建筑实用空间㊂4㊀多维地震波作用下柱端拉筋增强约束措施的影响根据GB50011 2010‘建筑抗震设计规范“(2016版)[23]的相关规定,三维空间模型进行多维地许云龙,等/钢结构(中英文),38(12),27-38,2023a KJ -3和KJ -5对比;b KJ -4和KJ -6对比㊂图15㊀变截面梁对模型算例楼层最大位移包络线的影响Fig.15㊀The influence of variable cross-section beams on themaximum displacement envelope lines of calculationexamplea KJ -3和KJ -5对比;b KJ -4和KJ -6对比㊂图16㊀变截面梁对模型算例层间位移角的影响Fig.16㊀The influence of variable cross-section beamson the interlayer displacement angles of calculationexamplea KJ -3和KJ -5对比;b KJ -4和KJ -6对比㊂图17㊀变截面梁对框架柱轴压比时程曲线的影响Fig.17㊀The influence of variable cross-section beams on thetime history curves of axial compression ratio of framecolumna 模型总塑性耗能;b 梁柱耗能对比㊂图18㊀变截面梁对模型算例塑性耗能的影响Fig.18㊀The influence of variable cross-section beamson the plastic energy dissipation of calculation example震波计算时,各方向加速度峰值按照1ʒ0.85ʒ0.65的比例调整㊂在双向水平地震波和三向地震波作用下对算例KJ -5和KJ -6进行了动力响应分析㊂a KJ -3,1500cm /s 2;b KJ -5,1500cm /s 2;c KJ -4,2000cm /s 2;d KJ -6,2000cm /s 2;e 刚度损伤㊂梁压铰;梁拉铰;Ә柱压铰;ʻ柱拉铰㊂图19㊀变截面梁对模型算例塑性铰分布及刚度损伤的影响Fig.19㊀The influence of variable cross-section beams on the distributionof plastic hinges and stiffness damage of calculation example4.1㊀极限地震波强度有限元计算结果显示,在二维及三维地震波作用下,算例KJ -5可承受的最大加速度为620cm /s 2,算例KJ -6可承受的最大加速度为850cm /s 2㊂当加速度超出上述值后,各模型算例则发生如图20所示的倒塌变形㊂可见,此时模型以剪扭变形为主㊂图21列出了极限地震波作用下两种框架模型的楼层最大位移包络线,可知:1)相同地震波作用时,同一结构中z 向的位移明显大于x 向的位移;2)柱端拉筋增强约束措施能够明显降低结构在z 方向的楼层最大位移值,但x 方向的楼层最大位移值基本无变化;3)KJ -5可承受的最大加速度为620cm /s 2,而KJ -6能承受850cm /s 2,表明柱端拉筋增强约束措施能有效提升结构极限抗震能力㊂4.2㊀层间位移角模型算例KJ -5㊁KJ -6在二维和三维地震波作用下层间位移角如图22和图23所示㊂可知:1)当地震波强度较大时,柱端拉筋增强约束措施对层间位移角的限制作用比较明显,且主要表现在z 方向;2)相同地震波作用时,结构在z 方向的层间位移角明显大于x 方向;3)二维和三维地震波作用下,结构在各方向的层间位移角基本一致,表明U -D 方向地震波对结构层间位移角几乎没有影响㊂多维地震下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析a KJ -5,二维波x 向;b KJ -5,二维波z 向;c KJ -6,三维波x 向;d KJ -6,三维波z 向㊂图20㊀多维地震波作用下模型算例倒塌变形Fig.20㊀Collapse deformation diagram of calculation examplesunder multi-dimensionalearthquakea 二维地震波;b 三维地震波㊂图21㊀多维地震下柱端拉筋增强约束对模型算例楼层最大位移包络线的影响Fig.21㊀The influence of column end stirrup-confined on the maximumdisplacement envelope lines of calculation example undermulti-dimensionalearthquakea 二维地震波;b 三维地震波㊂图22㊀多维地震下柱端拉筋增强约束对模型算例层间位移角的影响Fig.22㊀The influence of column end stirrup-confined on the interlayerdisplacement angles of calculation example undermulti-dimensional earthquake4.3㊀轴压比时程曲线㊁塑性耗能㊁塑性铰和刚度损伤以地震波峰值加速度达620cm /s 2时为研究对象,图24列出了U -D 方向地震波对框架柱轴压比时程曲线的影响㊂可知,竖向加速度对组合框架结构的柱端轴压比有放大效应㊂a 二维地震波,KJ -5;b 三维地震波,KJ -6;c x 向,KJ -5;d z 向,KJ -6㊂图23㊀地震波作用方向及维度对模型算例层间位移角的影响Fig.23㊀The influence of the direction and dimension of seismicwaves on the interlayer displacement angles of calculationexamplea KJ -5;b KJ -6㊂图24㊀U -D 方向地震波对框架柱轴压比时程曲线的影响Fig.24㊀The influence of U -D seismic waves on the timehistory curves of axial compression ratio of frame column不同地震波作用下模型算例KJ -5和KJ -6的总塑性耗能和梁柱耗能占比变化规律如图25所示㊂可知:1)模型算例在二维和三维地震波作用下的总塑性耗能基本相同;2)与单向水平地震波作用时的规律相同,柱端拉筋增强约束措施提高了钢梁塑性耗能占比,降低了钢管混凝土柱塑性耗能占比,提升了结构总塑性耗能㊂图26列出了不同地震波作用下模型算例KJ -5和KJ -6的塑性铰分布和刚度损伤变化规律㊂可见:与单向水平地震波作用类似,柱端拉筋增强约束措施可减少组合框架柱端塑性铰并增加梁端塑性铰。

风力发电机组钢筋混凝土型式塔筒应用研究

风力发电机组钢筋混凝土型式塔筒应用研究黄加佳【摘要】In recent years, the unit capacity of wind turbines is increasing day by day. As the fan power increases, the tower height, cylinder wall thickness and bearing load increase rapidly. At present, most of the tower and tube of wind turbines are steel structure, which is relatively expensive and relatively easy to corrode. Therefore, the maintenance cost is relatively expensive. Therefore, many researchers have studied the tower of reinforced concrete type, and have begun to try to build reinforced concrete tower. This article analyzes the tower of reinforced concrete type from two aspects of design and comprehensive cost, and find that the type of reinforced concrete tower and steel structure is more promising than the prospect. Therefore, the transformation from the existing traditional tower to the new one will become the main goal of wind turbines development in the coming years.%近年来,风电机组的单机容量在日益增大,随着风机功率的增加,塔架高度、筒体壁厚以及承受载荷都随之迅速增大.目前风电机组塔筒大部分采用的是钢结构型式,此结构相对来说耗资较大,而且易腐蚀、维修费用比较昂贵.因此已有不少研究人员对钢筋混凝土型式的塔筒进行了研究,并且已经开始尝试建设钢筋混凝土型式塔筒.而本文将会从设计和综合造价两个角度对钢筋混凝土型式塔筒进行分析,发现钢筋混凝土型式塔筒与钢结构型式相比前景更加广阔.因此,现有传统型式塔筒转变为新型式塔筒则将成为国内未来几年的风力发电机工程发展的主要目标.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】2页(P133-134)【关键词】风力发电机组;钢筋混凝土;塔筒;应用研究【作者】黄加佳【作者单位】三一集团,长沙410100【正文语种】中文【中图分类】TM6141 钢筋混凝土型塔筒设计1.1 钢筋混凝土型式塔架的荷载计算对于风电机的塔架来说，它所要承受的外部荷载包括这几种：通过风轮传达的水平气动荷载、塔身风荷载、塔顶机舱（包括内部零件、叶片轮毂）的重力荷载以及自身的地心引力荷载。

格构式钢管混凝土风力发电机塔架的设计指标和参数研究

格构式钢管混凝土风力发电机塔架的设计指标和参数研究李斌;张群辉;易跨海;高春彦【摘要】对格构式钢管混凝土风力发电机塔架进行了非线性有限元静力分析,揭示了其受力全过程、破坏模式及极限承载力,考查了塔架宽高比、腹杆形式、塔柱径厚比以及腹杆与塔柱刚度比对塔架极限承载力和破坏模式的影响规律.有限元分析结果表明:塔架宽高比λ、塔柱径厚比γ及腹杆与塔柱刚度比β对塔架极限承载力和破坏模式的影响较大,腹杆形式对塔架极限承载力和破坏模式影响很小.随着塔架宽高比λ的增加,塔柱径厚比γ的减小,腹杆与塔柱刚度比β的增加,塔架的极限承载力增加,塔架的破坏模式由腹杆屈曲失稳向腹杆屈曲与受拉塔柱屈服联合破坏转变.本文建议:在设计风力发电机塔架时,塔架宽高比λ宜控制在1/9;底层腹杆形式宜采用再分式,以上各层可采用其他形式;塔柱径厚比宜小于30,腹杆与塔柱刚度比β宜小于0.05,以避免塔柱先于腹杆发生破坏.本文分析结果可为工程设计提供依据.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2014(033)003【总页数】5页(P259-263)【关键词】格构式;钢管混凝土;塔架;承载力;破坏模式【作者】李斌;张群辉;易跨海;高春彦【作者单位】内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;浙江中南建设集团有限公司,浙江杭州310000;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TM674;TU27目前我国风电产业发展迅猛，学术界对风电系统研究多集中于风能向机械能和电能的转化以及控制理论的研究，而对风力发电机系统主要支撑结构塔架的研究基本是空白.风力发电机塔架除了要支撑风力发电机的重量，还要承受风荷载，以及风力机中的动荷载.塔架按结构形式主要分为锥筒式和格构式两种.目前在国际风电市场上，大型风力发电机组普遍采用的是锥台型塔筒［1－2］.从力学角度看，锥台型塔筒是空间薄壁壳体，其优点是外形简洁美观，传力明确，维修方便安全.但随着风力发电机组的大型化，塔筒底部直径会受到当地运输条件(如过桥限高)等的限制［3－5］.由文献［6，7］可知，格构式塔架与锥台型塔筒相比，制造简单，运输方便，且从造价、刚度等方面均优于锥台形塔筒.本文以丰富塔架的结构形式，拓展钢管混凝土结构的使用范围，进一步提高塔架的高度以获得更好的风力资源为目的，对格构式钢管混凝土三肢柱风力发电机塔架的受力性能进行了非线性有限元研究，分析了各控制参数对钢管混凝土格构式塔架结构破坏模式和极限承载力的影响规律，为该类塔架的工程应用提供理论依据.以内蒙古白云鄂博地区某1.5MW风力发电机钢结构锥台型塔筒为参考对象，参照文献［8，9］，设计了格构式钢管混凝土三肢柱风力发电机塔架，利用有限元软件ANSYS对塔架进行受力建模.鉴于宽高比λ、腹杆形式、塔柱径厚比γ、腹杆与塔柱刚度比β等参数对格构式钢管混凝土风力发电机塔架结构受力性能的影响较大，但这些参数的合理取值范围仍待研究.本次分析取塔架宽高比的变化范围为:1/6＜λ＜1/12，塔柱径厚比为26.6＜γ＜60，腹杆与塔柱刚度比为0.0019＜β＜0.0467，腹杆形式取K形、交叉形、米字形、再分式以及混合式5种，塔架的参数取值见表1.作用于塔架的荷载主要包括:塔顶风轮中心的气动推力FXH(注:计算了运行极限工况和暴风工况两种工况)、轮毂扭矩MXH，机头偏心弯矩MYT，机头的重力荷载G1，塔架重力荷载G2，塔身风荷载(注:根据文献［10］计算塔身风荷载，再利用静力等效原理转换为节点集中荷载)，荷载组合时将塔顶风轮中心的气动推力FXH作为第一可变荷载.塔架所受荷载见表2.塔架计算简图如图1所示.有限元建模时，塔柱和腹杆钢材采用二次塑流应力－应变关系模型，塔柱内混凝土的本构关系采用考虑钢管约束效应的混凝土应力－应变关系模型［11］.塔柱和腹杆钢管分别采用梁单元 beam188和杆单元link8模拟，混凝土采用solid65单元模拟，将塔架顶部的风轮、机舱和轮毂简化成质量点，该质量点的偏心距为1200 mm，高出塔架顶部2250 mm，质量点和塔架之间通过建立刚性梁连接，并通过该点施加作用力.因实际工程中塔架与基础刚性连接，有限元建模时对塔架底部施加全约束.利用ANSYS中的单元体划分Meshtool实现对塔柱和腹杆单元类型的指定和网格划分，以达到较好的计算收敛性和精度［12］.有限元模型网格划分如图2所示.在腹杆形式均为交叉式的情况下，塔架的承载力与顶部位移的关系以及随宽高比λ的变化规律如图3，4所示.由图可知，λ越大，塔架的极限承载力和侧向刚度越大，塔架达到极限荷载时的位移值越小，这是由于受拉塔柱和受压塔柱提供的抗倾覆力矩以及格构式塔架组合截面的惯性矩增大引起的.当λ值从1/12增长到1/9时，塔底宽度增加了33%，塔架承载能力提高了12%，但当λ值从1/9增长到1/6时，塔底宽度增加了50%，塔架承载能力提高了5%.当λ＞1/9后，塔架极限承载力的增长速度随λ增长减缓.建议风力发电机塔架结构设计时，取λ在1/9左右为宜.在塔架宽高比、塔柱和腹杆截面尺寸等其他参数一定时，塔架的承载力与顶部位移的关系以及随腹杆形式的变化规律如图5，6所示.塔架的极限承载力按从小到大排列，依次为:K式(P=691 kN)、交叉式(P=703 kN)、米字式(P=719 kN)、混合式(P=731 kN)和再分式(P=741 kN)，其中再分式腹杆塔架的极限承载力与K形腹杆塔架相比，提高了7%，说明腹杆形式对塔架极限承载力的影响不大.由于各种形式腹杆塔架的破坏模式均为受拉塔柱屈服以及底层腹杆屈曲联合破坏模式，考虑到底部几层腹杆采用K式、交叉式、米字式时，斜腹杆长细比太大.因此，建议设计时，钢管混凝土格构式风力发电机塔架结构底部几层腹杆采用再分式，上部采用其他腹杆布置方式.在塔架宽高比、腹杆形式及尺寸一定的情况下，塔架的承载力与顶部位移的关系以及塔柱径厚比γ对塔架极限承载力的影响规律如图7，8所示.由图可知，随着塔柱径厚比γ的增大(管径不变，管壁厚度减小)，塔架的承载能力减小.当γ≤32时，塔架极限承载力降低的幅度较小，由于此时塔柱管壁较厚，塔架的破坏模式为受压腹杆局部屈曲以及受压腹杆屈曲和受拉塔柱屈服联合破坏模式;当γ＞32后，塔架的极限承载力降低幅度较大，其主要原因是塔柱管壁较薄，应力集中的影响增大，塑性变形发展较快，塔柱受拉屈服成为塔架破坏的控制模式.因此，建议钢管混凝土格构式塔架的塔柱的径厚比控制在γ＜30为宜.在塔架宽高比、腹杆形式及塔柱、腹杆截面尺寸一定的情况下，塔架的承载力与顶部位移的关系以及腹杆与塔柱刚度比β对塔架极限承载力的影响规律如图9，10所示.由图可得，当腹杆与塔柱刚度比β从0.0019增长到0.0121时，塔架极限承载力增加的速度较快，而当腹杆与塔柱刚度比β＞0.0121以后，塔架极限承载力的增长速度减缓.各试件的破坏模式为:除当腹杆与塔柱刚度比β=0.0019时，由于腹杆截面尺寸较小，塔架破坏模式为底部两层受压腹杆的屈曲破坏外，其他各塔架的破坏模式均为受压腹杆局部屈曲和受拉塔柱屈服联合破坏模式.因此，在钢管混凝土格构式风力发电机塔架结构设计中，建议腹杆与塔柱刚度比控制小于0.05，以避免塔柱先于腹杆发生破坏.(1)有限元参数分析揭示了格构式钢管混凝土风力发电机塔架在荷载作用下有3种破坏模式:腹杆屈曲失稳、腹杆屈曲与受拉塔柱屈服联合破坏、底部受拉塔柱屈服破坏;破坏模式与塔柱宽高比λ、塔柱径厚比γ、腹杆与塔柱刚度比β直接相关; (2)随着塔柱宽高比λ的增加，塔架的极限承载力增加，当λ＞1/9后，塔架极限承载力的增长速度减缓.建议风力发电机塔架结构设计时，取λ在1/9左右为宜; (3)腹杆形式对塔架极限承载力的影响不大，建议设计时风力发电机塔架结构底部几层腹杆采用再分式，上部采用其他腹杆布置方式;(4)随着塔柱径厚比的增大，塔架的极限承载力减小.当γ＞32后，塔架的极限承载力降低幅度较大，且受拉塔柱屈服成为塔架破坏的控制模式.建议钢管混凝土格构式塔架的塔柱的径厚比控制在γ＜30为宜;(5)随着腹杆与塔柱刚度比β的增加，塔架的极限承载力增加，塔架的破坏模式由腹杆屈曲失稳过渡为受压腹杆屈曲和受拉塔柱屈服联合破坏.因此，在格构式钢管混凝土风力发电机塔架结构设计中，建议腹杆与塔柱刚度比β控制小于0.05，以避免塔柱先于腹杆发生破坏.【相关文献】［1］ Wang T，Frank N.Coton.A high resolution tower shadow model for downwind wind turbines［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(10):873－892.［2］ Chalothorn Thumthae，Tawit Chitsomboon.Optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine［J］.Renewable Energy，2009，34(5):1279－1284.［3］苪晓明，柳亦兵，马志勇.风力发电机组设计［M］.北京:机械工业出版社，2010.［4］刘日新.风力机塔架的设计方法研究［D］.沈阳工业大学，2010.［5］单蕾.风力机塔架结构选型与受力性能研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.［6］宋俊杰.1.5 MW风力发电机塔筒与塔架的对比研究［D］.包头:内蒙古科技大学，2011. ［7］韩中周.钢管混凝土格构式三肢柱风力发电机塔架受力性能研究［D］.内蒙古科技大学，2011.［8］ GB 50135－2006，高耸结构设计规范［S］.［9］ GB 50017－2003，钢结构设计规范［S］.［10］ GB 50009－2012，建筑结构荷载规范［S］.［11］韩林海.钢管混凝土结构－理论与实践(第二版)［M］.北京:科学出版社，2007. ［12］易跨海.风力发电机塔架结构的设计方法研究［D］.包头:内蒙古科技大学，2013.。

大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱抗震性能研究的开题报告

大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱抗震性能研究的开题报告一、选题背景和意义随着我国经济不断发展，能源供给成为了维护国家经济和社会发展的重要环节。

其中，大型火力发电厂作为能源供应的主要来源之一，在国家的发展中具有重要作用。

但是，火力发电厂在运行过程中往往受到地震的影响，造成经济损失和人员伤亡。

因此，对大型火力发电厂的抗震性能进行研究，具有重要的现实意义。

本研究的主要内容是对大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱抗震性能进行研究和分析，通过理论分析和实验验证，探究该结构在地震作用下的动力响应和破坏规律，进而提出相应的改进措施，为大型火力发电厂的抗震设计提供理论支持和指导。

二、研究内容和思路本研究的主要内容包括以下几个方面：1.对大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱的结构特点进行分析和研究，探究其在地震作用下的动力响应和破坏机制。

2.通过建立相应的数值模型，进行有限元分析和计算，得到该结构在地震作用下的动态响应和破坏过程。

3.开展大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱抗震性能的室内试验，验证理论分析结果的正确性和可靠性。

4.基于理论分析和试验结果，提出相应的抗震改进措施，为大型火力发电厂抗震设计提供有益建议。

三、研究方法本研究将采用以下研究方法：1.理论分析：对大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱的结构特点进行分析和研究，建立结构动力学理论模型，从而得到该结构在地震作用下的运动方程和响应特性。

2.有限元模拟：在ANSYS软件平台上，建立大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱的数值模型，进行有限元分析和计算，得到该结构在地震作用下的动态响应，力学参数等。

3.室内试验：通过对大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱的室内试验，验证理论分析结果的正确性和可靠性，得到有关该结构在地震作用下的受力性能和破坏规律的实验数据。

4.数据处理和分析：依据理论分析、数值模拟和实验测试的数据，进行有效的数据处理和分析，探究大型火力发电厂高强钢筋混凝土框架柱的抗震性能、破坏规律及其影响因素。

大型风力发电机塔架弹塑性地震分析与设计的开题报告

大型风力发电机塔架弹塑性地震分析与设计的开题报告标题：大型风力发电机塔架弹塑性地震分析与设计的研究背景：随着环保意识的逐渐普及，可再生能源的利用越来越受到人们的关注。

风能作为一种可再生能源，在能源领域的地位逐渐重要。

而大型风力发电机则是利用风能的主要设备之一。

为了更加高效地利用风能，大型风力发电机通常会被配置在高塔架上，以提高其叶片与地面之间的距离，增加风能利用效率。

然而，大型风力发电机塔架安全稳定性成为一个不容忽视的问题。

其在地震作用下的稳定性是一个重要的研究方向。

地震不仅能给塔架结构带来较大的动力荷载，而且还会引起结构的非线性行为，大大提高结构的动力响应。

因此，对于大型风力发电机塔架弹塑性地震分析与设计的研究显得尤为必要和紧迫。

目的：本研究旨在通过对大型风力发电机塔架在地震作用下的弹塑性分析与设计，找出塔架在地震作用下的应力、应变以及变形情况，评估塔架的抗震性能，寻求提高抗震稳定性的有效途径。

研究内容：1. 大型风力发电机塔架结构介绍；2. 针对风力发电机塔架的地震荷载种类进行分析；3. 基于弹塑性理论，建立大型风力发电机塔架结构的弹塑性地震响应分析模型；4. 利用ANSYS软件对大型风力发电机塔架结构进行数值模拟，获取塔架在地震作用下的应力、应变以及变形情况，并提出改进建议；5. 针对弹塑性分析结果进行分析，评估塔架的抗震性能，寻找提高抗震性能的有效措施。

研究意义：本研究的结果可以为大型风力发电机塔架的设计提供参考，并为风电行业的抗震设计提供理论指导。

计划进度：阶段一：调研文献，收集相关数据。

(1周)阶段二：建立大型风力发电机塔架结构的弹塑性地震响应分析模型。

(2周)阶段三：利用ANSYS软件对大型风力发电机塔架结构进行数值模拟。

(3周)阶段四：对弹塑性分析结果进行分析，评估塔架的抗震性能。

提出改进建议。

(2周)阶段五：撰写论文。

(2周)总计划进度：10周。

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（）管鼓曲ａ钢（）管内侧褶皱ｂ钢
平荷载由固定在反力墙上的推拉式液压千斤顶施加于塔架顶
端。
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｜力墙剪
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梁＿
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一物０
（）ｃ腹杆压屈、失稳（）ｄ塔柱被拉断
｜
图５试件破坏形态
四肢柱钢管混凝土风力发电机格构式塔架模型。通过对塔架模型进行拟静力试验，对比研究了三肢柱和四肢柱钢管混凝土风力发电机格构式塔架的滞回性能、能能力等耗抗震性能。研究结果表明：三肢柱和四肢柱钢管混凝土风力发电机格构式塔架均具有
性能和承载力等。１加载装置．３加载装置如图４所示，向荷载为恒定荷载５ｔ通过悬臂竖，
梁端部的悬挂重物使用塔架顶部的竖向千斤顶施加，臂梁另悬
一
端的滑动滚轴装置可使竖向千斤顶在水平方向自由移动。水
科技情报开发与经济
文章编号：０５６３（０１１－１８０１０－０３２１）１０７ — ３
Ｓ１ＴＣＦＲＡＩＮＤＶＬＰＥＴ＆ＥＯＯＹＣ－ＥＨＩＯＭＴＯＥＥｌ期ｌ１收稿日：１— ２１期２１０ — ５０
图１塔架模型立面图（ｍ）ａｒ
（）ａ三肢柱（）ｂ四肢柱
塔架模型，并对其进行了拟静力试验，对比研究了三肢柱和四肢
柱钢管混凝土风力发电机格构式塔架的滞回性能、耗能能力等
抗震性能。
（）ａ腹杆中间节点（）ｂ腹杆端部节点
ｌ模型试验
肢柱塔架Ｃ柱的每层节点处，沿加载方向各布置一个位移计，用于研究塔架荷载一变形规律。在三肢柱和四肢柱塔架顶部节点处，分别沿Ｂ、Ｄ方向各布置一个位移计，ＣＢ用于检测塔架在受力过程中是否发生大的侧向位移。在塔架的柱脚、节点、腹杆等重要位置布置应变片或应变
Ⅱ 方向载（）肢柱ａ三
图３塔架横截面图
型，采用Ｌ５ｉ５ｍ０ｍｘｍ的Ｑ３ｎ２５等边角钢。腹杆的中间节点和端部节点均采用６ａｍ厚的Ｑ３２５钢板连接（图２。基础梁采用见）
Ｃ０混凝土。４１测量方案．２
１１试件模型设计．
图２腹杆节点图
Ｃ守 ——下—— ｒ尹Ｂ
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以目前常用的１Ｗ风力发电机组锥筒型塔架为参考对．Ｍ５
象，设计了三肢柱和四肢柱钢管混凝土风力发电机格构式塔架
善电能供应做出重要贡献。风力发电与火力发电以及其他类型
的发电模式相比，污染环境，消耗其他燃料资源，险性小，不不危
基本不占用耕地，台发电设备投资不大，单建设周期短。这对２ｌ世纪可持续发展以及环境保护将具有十分积极的作用。但是，我国在大型风力发电机塔架结构设计领域技术水平还相对落后，主要引进国外设计规程和设计方法，并且塔架结构形式单一，不能完全适应我国不同抗震区的抗震要求，使用范围有限。为了扩展风力发电机塔架的使用范围，丰富塔架结构的类型，本文设计了三肢柱和四肢柱钢管混凝土风力发电机格构式
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载方向
（）ｂ四肢柱
模型［，Ｉ具体尺寸如图１】所示。塔架横截面分别为等边三角形和正方形。塔柱为钢管混凝土柱，采用ｄ１８ｍｎ４５ｍｌ的２０ｒｘ．ｉｌＯ号
钢无缝钢管，管内浇注Ｃ的细骨料混凝土。腹杆为十字交叉０４
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ｒ７。～ｒ～— ７ｆ
图４加载装置图１加载制度．４根据《筑抗震试验方法规程》ＪＪ１１９）水平荷载采建（Ｇ０ — ６，用荷载—位移混合控制，即屈服前采用荷载控制并分级加载，每级荷载增量为＋０ｋ循环２次。屈服后采用位移控制，级位２Ｎ，每
良好的抗震性能和耗能能力。
关键词：管混凝土格构式塔架；震性能；力发电机组钢抗风
中图分类号：ｕ７Ｔ３
文献标识码：Ａ
５０４
ｒ… １ｒ一
７０５
一一一、
随着能源危机越来越严重，世界能源结构开始从煤、石油、天然气为主能源系统转向太阳能、风能等可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。我国的风能资源丰富，风力发电将对改
钢管混凝土风力发电机格构式塔架抗震性能的试验研究
韩中周，山山，、耿别海磊
（内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头，１０００４１）
摘
要：目前常用的１以．５ＭＷ风力发电机组锥筒型塔架为参考对象，设计了三肢柱和
各个塔柱的相对位置如图３所示。在三肢柱塔架Ｂ柱及四
ｌ８７
韩中周，山山，耿孙海磊
钢管混凝土风力发电机格构式塔架抗震性能的试验研究
本刊Ｅｍｉｂ，ｓｉ０ｔ－ａ：｝ｘｆＩｊ＠
科技论坛
花，于了解其在荷载作用下的应力分布情况，用从而了解结构的