风电机组混凝土塔架门洞加强方法介绍

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风电机组混凝土塔架门洞加强方法介绍
王克峰12,罗勇水12,许斌"，宋恭杰12
（1.浙江运达风电股份有限公司，浙江杭州310012:2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江杭州310012）
摘要：随着风电行业发展,风电机组轮毂高度不断增加，传统钢塔架也出现一定局限性。

混凝土塔架作为一种新型塔架，其设计与传统钢塔架有很大区别。

为提高混凝土塔架安全性，介绍一种混凝土塔架门洞处的加强方法，并通过有限元分析验证该方法的有效性。

关键词：风电工程；风电机组；混凝土塔架；门洞；有限元分析
0引言
风能作为一种清洁能源，近年来在全球得到快速开发。

为捕捉更多风能，风电机组容量、叶片长度和轮毂高度都在不断增加。

其中，轮毂高度增加对应的是塔架高度增加，目前市场上100-140m的塔架屡见不鲜，甚至已有厂家做到160m及以上,传统钢塔架由于自身局限性已难以满足工程需要，所以众多厂家开发新型塔架以克服传统钢塔的局限性，混凝土塔架即为其中一种。

混凝土塔架是指在传统钢塔架的基础上采用混凝土材料替代部分或全部钢段的一种新型塔架，国内外学者对其进行大量研究。

美国新能源实验室m首先提出钢筋混凝土塔架概念，给岀预应力全混凝土塔架、混凝土-钢混合塔架的详细设计过程，同时对塔架进行了力学及经济性分析。

SINGH A 计了一款预应力混凝土塔架，根据实际运行情况，指岀其具有很好的运行稳定性。

顾富斌冋分析了不同高度的混凝土-钢混合塔架,结果表明,当混凝土段超过一定高度后，混凝土材料性能可得到充分的利用，并且塔架的屈曲破坏不会发生在混凝土段o VIRES EM对混凝土-钢混合塔架的混凝土段截面形状进行优化，将截面优化为带圆倒角的正四边形，可更加方便快捷地施工，并在荷兰建立了1台样机。

贺广零「哇于有限元和广义概率密度理论，对混凝土塔架和钢塔架的动力响应进行了分析研究，研究表明，混凝土塔架比钢塔架具有更高的可靠度。

毕继红等岡研究了不同入射角的地震波对混凝土塔架结构响应的影响，并将时程分析结果与按日本土木学会风力发电塔架结构设计指南提出的地震反应谱方法得到的设计值进行对比分析。

张冬冬巾对混凝土塔架进行物理试验和分析，结果表明，试验测得的数据与有限元计算结果误差较小，证明了混凝土塔架有限元模型分析的可靠性。

李东坡⑷对混凝土塔架的承载能力、动力学响应、塔架的稳定性影响因素（壁厚、门洞等）进行了研究,并对塔架进行了优化设计。

姚博强等问提出利用BIM三维建模出图解决碰撞问题，对装配式混凝土塔架进行深化设计。

本文介绍一种混凝土塔架的门洞加强方法，并通过有限元仿真模拟,对混凝土塔架门洞处的受力状态进行分析，以验证该方法的有效性。

［作者简介］王克峰，工程师,E-mail:****************1混凝土塔架门洞加强方法介绍
建筑领域中，柱是垂直的主结构件，承托其上方构件重量，如楼房的柱、桥墩、高铁站顶支撑等。

柱既能承压,又有节省空间的优点。

混凝土塔架可视为一种高耸建筑物，施加预应力后,竖直方向受压，门洞处会产生应力集中。

基于柱的特点，在门洞两侧设置加强柱可分担竖直方向的压力，大大减小门洞处的应力集中程度。

具体设置方式如图1所示。

2有限元模型建立
2.1几何尺寸
塔架总高为120m,下部混凝土塔段高度为45m,上部钢塔段为75m,本文仅针对混凝土塔段进行计算。

混凝土塔段截面为圆形,底部外径为7.25m,顶部外径为5.00m,外径自下而上以2.5%的坡度均匀变化，环向均布24根体外预应力筋。

顶部约2m范围内壁厚为lm,其余部分壁厚为0.4m,详细尺寸信息如图2所示。

2.2材料参数
混凝土段采用强度等级C50混凝土，钢筋选用HRB400级钢筋，预应力筋采用1x7</>15.20-1860,根据文献［10］确定计算参数。

1）C50混凝土计算参数轴心抗压强度设计值为23.1MPa,轴心抗拉强度设计值为1.89MPa,弹性模量为34.5GPa,泊松比为0.2,密度为2500kg/m3o
2）HRB400钢筋计算参数抗拉强度设计值为360MPa,弹性模量为200GPa,密度为7850kg/m3o
3）预应力筋计算参数抗拉强度设计值1860MPa,弹性模量为195GPa,泊松比为0.2&密度为7850kg/m3,热膨胀系
vo
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5 000
寸
图4有限元网格
数为1.2x 10~/七。

2.3荷载信息
计算荷载采用极端工况下的最大荷载，如表1所示。

表1混凝土塔架顶部荷载
A/y(kN-m )
MJ (kN • m)MJ (kN • m)/VkN /VkN F/kN 极端工况 1 701.8
86 400-2 600.3778.4
91.2
-2 978.6
2.4有限元模型
1）模型建立混凝土塔段是圆筒状.ABAQUS 中建模比
较容易，采用截面旋转即可得到。

门洞处有加强柱的模型，首
先将加强柱独立建part,然后采用"Merge/Cut Instances"功能
模拟加强柱与筒壁现浇到一起,门洞模型如图3所示。

a 门洞处无加强
b 门洞处有加强
图3门洞模型（仰视图）
2）网格划分混凝土塔段采用六面体实体单元划分，在
门洞处进行网格加密（见图4）。

预应力筋采用杆单元划分。

模 型共划分为56718个单元和66 906个节点。

3） 边界条件混凝土塔段底部、预应力筋底部边界条件
为固定，预应力筋顶部与混凝土塔段顶面耦合。

4） 分析步设置 本次分析共设置3个分析步:第1步，即
初始步，在模型上施加自重荷载;第2步，采用降温法给预应 力筋施加1 140MPa 的预应力；第3步,混凝土塔段顶部施加
6个方向的风机荷载。

3计算结果分析
从预应力筋应力分布图可看出，采用降温法施加预应力
后,每根预应力筋应力大小相同，均为1 140MPa 。

施加风机荷载
后，预应力筋应力分布发生变化,每根预应力筋上的应力有增
有减，最大值为1 184MPa,最小值为1 093MPa 。

原因是施加风
机荷载后，迎风侧预应力筋顶部受拉，应力增大;而背风侧混凝
土顶部受压，混凝土进一步压缩，抵消部分预应力，应力减小。

因此，施加风机荷载后，预应力筋应力分布与实际情况一致。

混凝土塔架主要受力方向为竖向，即本模型中的y 向，因 此，提取S22应力值进行分析。

门洞处的竖向应力分布图（负
号为压应力）如图5所示,后处理时选择只显示超过混凝土抗 压强度（23.1MPa ）的应力区。

结果表明:①门洞相当于混凝土
塔段的缺陷,此处产生应力集中,有较大面积区域压应力超过
混凝土抗压强度,压应力最大值约为36.4MPa ，出现在门洞的
边角处;②设置加强柱后，门洞处压应力降低，压应力超过混
凝土抗压强度的区域大幅减小，只剩边角处极小区域。

同时，
压应力最大值降低至30MPa,降幅约为18%。

4结语
本文介绍一种混凝土塔架门洞的加强方法，并通过有限
元软件ABAQUS 进行数值分析。

分析结果表明，不设置加强
柱时，门洞作为混凝土塔架的一种缺陷，其周围存在应力集
中，有较大区域压应力超过混凝土抗压强度;设置加强柱后，
柱可分担门洞处的竖向压力，改善受力状态，降低门洞处压应
力，大大减小压应力超过混凝土抗压强度的区域面积,从而保
证混凝土塔架的设计安全性。

参考文献：
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proaches for economical hybrid steel/concrete wind turbine towers]R]. NREL/SR -500-36777,2005.
[2] SINGH A N. Concrete construction for wind energy tow —
（下转第174页）
C6H 一
171
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比数据结果,完美弥补劳务评价体系中质量评价的数据缺陷0 中铁建设集团北京公司以实测实量信息化技术为依托，以实
测实量结果为基础,通过特定公式进行质量保证金扣除计算, 作为劳务评价指标，应用效果显著。

劳务分包单位实测实量合格率质量保证金扣除：
W=（Q/n ）xK
式中，W 为本次劳务分包单位质量保证金扣除金额;0为劳
务分包单位合同签订质量保证金金额;N 为施工期间参加公
司实测实量总次数;K 为扣除系数，按表1取用。

表1扣除系数选取
％
类型实测实量（合格率）
本次劳务分包单位质量
保障金扣除系数
装饰装修工程
96-98（含 96）094-96（含 94）092-94（含 92）088-92（含88）（基准线）
079-82（含 79）1075-79（含 75）
2071-75（含 71）3064-71（含 64）4060~64（含 60）5060以下
60
6结语
随着互联网+、智慧建造等理念的广泛应用，采用信息化
系统替代传统纸质开展实测实量工作，不仅能够实现业务固
化，而且可大大提高数据采集效率和准确性,并保证数据传输 的及时性，真正意义上实现业务和管理信息化同步。

而利用大
数据分析技术,对数据按照既定模型进行自动化处理,输出多
样化分析图直观表达管理要素，通过穿透式检查实现数据源 追溯.使数据真正成为管理的依据和助推器,最大限度发挥信
息化的作用。

由此可见，实测实量信息化技术不仅解决了传统
质量管理模式的工作短板，更大大提高了数据的利用效率，使
实测实量数据能够真实反映阶段性管理水平，使施工企业质
量管理方式更加多样化。

参考文献：
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GB 50210—2018[S],北京：中国建筑工业出版社,201&
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范：GB 50204—2015[S],北京：中国建筑工业出版社，
2015.
（上接第171页）
b 有加强柱
门洞周围竖向应力分布
a 无加强柱
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nam 圧左—
174。