左晶晶 羅成喜 張景

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙 410014

引言

目前，風力發(fā)電機組的塔架普遍采用鋼結(jié)構形式。隨著風力發(fā)電機組單機裝機容量不斷增加，對塔架高度提出了更高要求。而更高的鋼塔架需要通過增大橫截面直徑或塔筒壁厚來滿足設計要求，由此帶來了經(jīng)濟、運輸、可靠性、疲勞等多方面的問題，特別是南方山區(qū)風場建設中，純鋼制塔筒不再是最佳選擇［1］。因此，一些研究人員開始重點研究鋼筋混凝土塔架［2］。

預應力混凝土塔架結(jié)構復雜，為實現(xiàn)其承載力、耐久性及經(jīng)濟性的多重要求，研究者對風電機組整體結(jié)構進行了各種類型的靜動力分析。國內(nèi)外的研究中大都對混凝土塔筒進行了簡化處理，將塔筒按照各個塔段進行連接模擬，對塔門、法蘭盤等局部結(jié)構不予考慮［3］。塔門作為風機塔架的重要組成部分，對整體塔架的力學特性有著不可忽略的影響，是較容易失效部位。趙世林等［4］用工程算法和有限元法對有塔門的鋼制塔筒進行了屈曲分析，重點研究了塔門處的局部缺陷對屈曲強度的影響。計算表明塔門的設置將大大增加塔筒的屈曲強度，不能忽略門洞的影響。因此，有必要開展混凝土塔架考慮門洞后的承載力驗算。

目前針對考慮門洞的混凝土塔架的研究多采用有限元法，利用大型有限元分析軟件ANSYS或ABAQUS等進行仿真計算。金濤等［5］以某鋼筋混凝土塔架為例，采用有限元方法研究了塔架在塔頂靜力荷載作用下塔身開洞對鋼筋混凝土塔頂位移的影響，未進行深入分析。且其模擬的孔洞為方形結(jié)構，在實際結(jié)構中并不適用。畢繼紅［6］利用ABAQUS合理地模擬95m超高素混凝土、鋼筋混凝土及預應力混凝土三種塔筒，分析在簡化荷載下的靜態(tài)響應，研究塔門處的門洞對預應力混凝土塔筒的應力影響和模態(tài)影響。

由于目前沒有專門針對風力發(fā)電機組混凝土塔架的設計規(guī)范，本文參照《高聳結(jié)構設計規(guī)范》（GB 50135—2006）［7］、《煙囪設計規(guī)范》（GB 50051—2013）［8］和美國混凝土協(xié)會標準ACI 307-08［9］進行混凝土塔架門洞處界面極限狀態(tài)驗算，并對比不同規(guī)范所采用計算方法的優(yōu)缺點。

1 不同規(guī)范計算方法

1.1 理論公式

《高聳結(jié)構設計規(guī)范》（GB 50135—2006）6.3節(jié)（塔筒極限承載能力計算）指出，當塔筒受壓區(qū)有一個孔洞時，混凝土塔筒水平截面極限承載力的計算可按規(guī)范中的公式進行計算，公式考慮了預應力筋張拉完成后處于消壓狀態(tài)的影響。

《煙囪設計規(guī)范》（GB 50051—2013）7.3節(jié)（煙囪筒壁承載能力極限狀態(tài)計算）里指出，當計算截面有一個孔洞時，鋼筋混凝土煙囪筒壁水平截面極限狀態(tài)承載能力可按規(guī)范公式進行計算，但沒有考慮預應力的影響。

美國混凝土協(xié)會標準ACI 307-08第五章介紹了設計鋼筋混凝土煙囪壁的強度方法，煙囪壁水平截面的設計強度等于名義強度乘以一個強度折減系數(shù)，對于截面垂直強度，系數(shù)取值為0.7，環(huán)向強度取值為0.9。同樣未能考慮預應力混凝土的預壓應力。

1.2 算例分析

本文以140m風電機組鋼混塔架為例，整個混凝土塔架為變直徑變壁厚結(jié)構。筒壁采用C60混凝土建造，沿塔架高度劃分為12個計算截面，30m混凝土段塔架幾何尺寸如圖1a所示，塔架沿壁內(nèi)豎向布置40束預應力鋼絞線，每束包含13根φs15.2低松弛鋼絞線，每束鋼筋的布置角度為9°。預應力鋼絞線的張拉控制應力為1300MPa，布置孔徑取為102mm。這些預應力鋼筋束均位于塔筒壁中間，如圖1b所示，在混凝土塔架底部設置寬度1.2m、高度3.2m的門洞，其底端距離塔筒底部截面1.7m。

圖1 預應力混凝土塔架Fig.1 Diagram of reinforced concrete tower

本文采用EXCEL為計算工具，根據(jù)1.1節(jié)中推薦的3種規(guī)范計算方法得到該混凝土塔架在塔筒門洞截面處的極限承載力，具體計算結(jié)果如表1所示。依據(jù)《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）［10］，在計算過程中，考慮了預應力束的預應力損失，分別為：張拉端錨具變形和預應力筋內(nèi)縮引起的預應力損失，約為58.04MPa；預應力筋與孔道壁之間的摩擦引起的預應力損失，約為5.66MPa；混凝土養(yǎng)護時、預應力筋與承受拉力的設備之間的溫差引起的預應力損失，約為0MPa；預應力筋的應力松弛引起的預應力損失，約為32.33MPa；混凝土的收縮和徐變引起的預應力損失，約為80.28MPa。在確定預應力筋的預應力損失后，計算得到混凝土消壓時預應力筋中的應力和有效預應力產(chǎn)生的法向應力，由此進一步計算得到門洞截面處的抗彎承載力，見表1。

由表1的計算結(jié)果可知，不同規(guī)范計算方法所得到的門洞截面處的受彎承載力均滿足結(jié)構設計要求。按照《高聳結(jié)構設計規(guī)范》和《煙囪設計規(guī)范》得到的結(jié)果較安全，冗余量大，計算結(jié)果偏于保守。由美國混凝土協(xié)會標準計算得到的結(jié)果與中國設計規(guī)范差異較大，但是對于不同的荷載工況，截面抗彎承載力的變化趨勢基本一致。

對比3種不同的規(guī)范計算方法可知，決定截面抗彎承載力的有一個重要影響因素，即受壓區(qū)的半角系數(shù)α或ACI 308-08標準中采用的中性軸角度α。

3種計算抗彎承載力所采用的公式均為超越函數(shù)方程，如何精確求解α對計算結(jié)果有著重大的影響。中國規(guī)范中采用根據(jù)偏心率假定，依據(jù)塔筒門洞截面處靜力強度受壓承載力恰好等于軸向作用荷載，計算得到不同荷載工況下受壓區(qū)混凝土截面面積的占比，見圖2所示。ACI 308-08標準則按照混凝土應變關系確定中性軸角度α。

由圖2可知，對于不同荷載工況，同一種規(guī)范計算得到的受壓區(qū)混凝土面積差別不大，而不同規(guī)范計算得到的結(jié)果不同。對于鋼筋混凝土偏心受壓構件，當軸向力一定時，偏心距越大，所需的配筋率就越大。即當軸向力和配筋條件一定時，偏心距越大，截面的抗彎承載力越差，圖2所示的結(jié)果與這一變化規(guī)律相同。本文采用有限元分析方法，建立混凝土塔架的實體模型，模擬得到塔筒門洞截面處的受壓區(qū)混凝土面積，對比分析3種規(guī)范計算方法。

2 數(shù)值分析

2.1 有限元模型

本文采用ANSYS軟件建立了預應力鋼筋混凝土塔架的簡易模型如圖3所示，在初步設計階段，不考慮塔筒門洞處的結(jié)構配筋，僅建立彈性模型計算門洞截面處在靜力荷載作用下的混凝土受壓區(qū)范圍，作為規(guī)范計算方法結(jié)果的參考。本文模擬了14.27m高的混凝土段，混凝土采用solid 45單元模擬，預應力鋼筋采用link 8單元模擬。鋼筋兩端節(jié)點和混凝土進行了節(jié)點自由度耦合。混凝土塔底采用固端約束，塔頂中心建立了一個質(zhì)量單元便于施加荷載。

圖3 預應力混凝土塔架有限元模型Fig.3 FEM of reinforced concrete tower

分別對無門洞和有門洞兩種模型施加表1中荷載進行有限元分析，采用降溫法施加預應力1300MPa，得到模型在塔架門洞截面位置處（截面3）的軸向應力，如圖4所示，提取該截面處受壓節(jié)點的應力換算成應力達到抗壓強度時的等效面積，從而計算得到受壓混凝土截面面積與全截面面積的比值α，如圖5所示。同理，提取預應力鋼筋的軸向應力，并且計算出該截面處受拉豎向鋼筋截面面積與全部豎向鋼筋截面面積的比值αt，如圖6所示。

圖4 門洞截面處軸向應力云圖（單位：Pa）Fig.4 The axial stress nephogram of opening section（unit：Pa）

圖5 受壓混凝土截面面積占比αFig.5 The area ratio of compressive concrete，α

圖6 受拉豎向鋼筋截面占比αtFig.6 The area ratio of tensile vertical steel，αt

2.2 結(jié)果分析與對比

由圖5的數(shù)據(jù)可知，是否考慮門洞對計算受壓混凝土截面面積占比α的影響不大，兩者計算的數(shù)值基本接近。可見在《高聳結(jié)構設計規(guī)范》和《煙囪設計規(guī)范》中采用根據(jù)偏心率假定，不考慮孔洞的作用，依據(jù)截面處靜力強度受壓承載力恰好等于軸向作用荷載計算得到受壓區(qū)混凝土截面面積的占比α的假設具有一定的借鑒性?！陡呗柦Y(jié)構設計規(guī)范》和《煙囪設計規(guī)范》中均推薦采用αt=1-1.5α來計算受拉區(qū)的半角系數(shù)，根據(jù)有限元計算結(jié)果，線性擬合得到考慮門洞時，αt=-0.2025α+0.9854；不考慮門洞時，αt=-0.2558α+0.9967。這與規(guī)范中推薦的αt=1-1.5α出入較大，下文中仍采用規(guī)范中推薦的公式進行抗彎承載力計算。

將考慮門洞影響的數(shù)值分析結(jié)果與3種規(guī)范計算方法計算結(jié)果對比可知，有限元模擬得到的受壓區(qū)混凝土截面面積占比α與《高聳結(jié)構設計規(guī)范》的計算結(jié)果最接近，計算誤差低至0.02%，見表2。而其他兩種規(guī)范中推薦的計算方法結(jié)果與有限元分析結(jié)果相差大，誤差最大達到43.37%。

表2 考慮門洞影響的α值計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比Tab.2 The comparison of engineering algorithm with finite element analysis results

將有限元模擬得到的受壓區(qū)半角系數(shù)α和受拉區(qū)半角系數(shù)αt代入到3種規(guī)范公式中，得到預應力混凝土塔架門洞截面處的抗彎承載力見表3。與表1結(jié)果對比可知，《高聳結(jié)構設計規(guī)范》計算的截面承載力變化不大，在每種荷載工況下結(jié)構都是安全的。而美國ACI 307-08標準計算得到的截面抗彎承載能力下降，在荷載工況1和荷載工況5下不滿足要求。

表3 混凝土塔筒門洞截面處的受彎承載力有限元分析結(jié)果Tab.3 FEM analysis results of bearing capacity of reinforced concrete tower

3 結(jié)論

1.采用《高聳結(jié)構設計規(guī)范》并結(jié)合《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》進行預應力混凝土塔架門洞截面處的承載力極限狀態(tài)驗算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果接近，充分考慮了預應力筋張拉完成后處于消壓狀態(tài)的影響，但是未能考慮預應力混凝土的預壓應力。

2.《煙囪設計規(guī)范》（GB 50051—2013）和美國混凝土協(xié)會標準ACI 307-08這兩種規(guī)范推薦的計算方法并沒有單獨考慮預應力筋的影響，將其視為鋼筋混凝土結(jié)構設計，存在一定的缺陷性。

3.依據(jù)美國混凝土協(xié)會標準ACI 307-08計算的截面抗彎承載力偏低，與有限元模擬結(jié)果出入較大，是否適用于預應力混凝土塔架門洞承載能力的驗算還有待進一步研究。

4.應建立針對風電機組混凝土結(jié)構的設計規(guī)范，同時兼顧風力發(fā)電機組塔架作為高聳結(jié)構和動力設備基礎兩種結(jié)構具備的特征，保證機組在承受巨大的傾覆力矩的同時滿足結(jié)構用量最少的要求，達到最優(yōu)設計。在此之前，本文推薦采用《高聳結(jié)構設計規(guī)范》進行塔架門洞處的水平承載力驗算。