风力发电塔架

1、风力发电预应力混凝土塔架设计和分析风力发电预应力混凝土塔架设计和分析作者：宋玉普 尹翠 陈渊 一 、前言 随着社会的发展和人民生活水平的提高，人类对能源的需求量也越来越大，然而石油、煤这些能源属于非再生能源，用了就意味着越来越少，另外，此类能源的大量消耗产生的污染物对人类的生活环境也有严重的危害，因此，风能的开发利用越来越引起各国的重视。 风力发电是利用风能的主要方式，风力发电机塔架是风力发电机组的承重构件，它支承叶轮到一定的高度，以获得足够大的风速来驱使叶轮转动，将风能转化为电能。 风力发电机塔架的结构形式主要有桁架式钢结构塔架，格构式钢结构塔架，圆筒式或锥筒式钢塔架和混凝土塔架，钢-预应力

2、混凝土混合塔架等。重量占全机组的一半，成本占15%。垳架式钢结构塔架格构式钢结构塔架锥筒式钢塔架、混凝土塔架圆筒式钢塔架、混凝土塔架钢预应力混凝土混合塔架二、为什么需预应力混凝土塔架：随着风力发电向单机大容量发展，使塔架高度越来越大，体积增大，运输困难，所以出现了预应力混凝土塔架。预应力混凝土塔架的优点是：耐疲劳、抗腐蚀能力强、耐久性好、维修费用低、节约钢材、造价低、稳定性好、现场施工方便。（1）施加预应力扩大了结构的弹性范围，调整了结构中的内力分布，较小结构变形；（2）相对于钢-混凝土组合结构而言，使用预应力技术可以有效地利用高强钢材，减轻结构自重，工程实践证明可节约钢材10%30%；（3）

3、增强应力幅值，降低结构的抗疲劳能力，由于施加了预应力，降低了混凝土截面的最大拉应力，有效应力幅值的降低增强了结构的疲劳使用寿命；三、预应力混凝土塔架形式：分离式、整体式的优点和缺点。分离式的优点：筒身预制板之间结构连贯性好；缺点：施工不遍。整体式的优点：施工方便；缺点：施工过程中易形成空隙，造成结构不连贯。（一）分离式预应力混凝土塔架设计和分析（一）分离式预应力混凝土塔架设计和分析 1.1.考虑动力特性的材料强度取值考虑动力特性的材料强度取值 作用在结构上的风荷载也是随时间不断变化的动态载荷，因此，应该考虑塔身混凝土材料在动力荷载作用下强度的提高，根据我们的试验结果，对混凝土材料强度提高10%

4、。 2.2.预应力混凝土塔架设计计算预应力混凝土塔架设计计算 风力发电机在运行的过程中，塔架要承受风轮和机舱传递的力和力矩、风荷载等，各种荷载的计算方法如下：作用在塔顶的集中荷载：作用在塔顶的集中荷载：（1 1）水平推力）水平推力2294VRFy（2 2）竖向压力）竖向压力 mgFz（3 3）由风轮和机舱质量中心与塔架轴线的偏心产生的俯仰力矩）由风轮和机舱质量中心与塔架轴线的偏心产生的俯仰力矩eFMzx1（4 4）由风轮扫掠面内风速分布不均匀产生的俯仰力矩）由风轮扫掠面内风速分布不均匀产生的俯仰力矩2221323278VVRMx 根据建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)规定，垂直作用

5、于塔身单位面积上的风荷载标准值由下式确定：0zszzz西北地区某2.5MW风力发电钢-预应力混凝土混合塔架，如图1所示:图 1 塔架示意图oxyz 当地基本风压为0.5kN/m ，地面粗糙度类别为B类，塔高120m，风轮直径100m，轮毂处高度122m，塔架下段采用预应力混凝土结构，高70m，塔底截面外径7m，壁厚0.35m，顶部截面外径4m，壁厚0.25m，混凝土强度等级采用C80，上段采用钢结构，高50m，塔底截面外径4m，壁厚0.035m，塔顶截面外径3m，壁厚0.025m，钢材强度等级为Q345，塔筒壁厚沿高度线性变化，风轮和机舱质量中心到塔架轴线的偏心距离为1m，风轮和机舱总质量为1

6、00t。基本资料基本资料2z2m/kNwF 将塔架的基本参数代入以上公式，求得作用在塔架顶部集中力、集中力矩和作用在塔身的风荷载结果如下：作用在塔架顶部的荷载作用在塔身的风荷载,如表1所示。 表1 010 0.29 9.65 6.63 1020 0.38 20.97 15.16 2030 0.45 24.35 25.09 3040 0.53 26.82 35.07 4050 0.60 28.64 45.04 5060 0.67 29.52 55.01位置 (m)mkN3923MkN980FkN981Fxzy，(kN)h(m)z2m/kNwF位置 (m)(kN)h(m) 6070 0.73 29

7、.57 64.99 7080 0.96 33.03 75.17 8090 1.04 37.04 85.02 90100 1.12 37.75 95.00 100110 1.18 37.80 104.99 110120 1.22 37.14 114.98注： 为作用在每10m范围塔身上的风荷载合力；h为 的作用点位置距离塔底 面的距离。wFwF2ptkmm/N1860fptkfkN14326N 在塔顶集中力、集中力矩、塔身风荷载和自重荷载作用下，塔架最危险截面为预应力混凝土塔底部截面；应验算该截面的承载力。 塔底面配筋情况：非预应力筋采用HRB335级钢筋，公称直径20mm，外排90根，内排80

8、根，预应力筋采用低松弛钢绞线，公称直径17.8mm，极限强度标准值 ，张拉控制应力为0.75 ，共170根。经荷载组合计算，作用在塔底截面的轴力和弯矩为：mkN191554Mp0ppytp0pc1AfAAfNsytAfsinrAf2sinrrAfMpppy21c1 根据混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)规定，环形截面压弯构件正截面承载力按下式计算：tssypp0ppysinsinrAfsinrAf5 . 11t23. 0mkN 204178经计算得：受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值 截面受弯承载力为 ，满足要求。3 3 现场施工现场施工 分离式预应力混凝土塔架由工厂预制，现

9、场组装并采用后张法施加预应力将各构件连接形成整体，塔架每环段由3片预制板组成，如图2所示。预制板通过预留钢筋连接成整体圆环，如图3所示。圆环段之间采用承插口方式进行连接。混凝土塔段和钢塔段之间用法兰盘连接，如图4所示。图2 预制板图3 预制板间的连接构造图4 混凝土塔与钢塔连接部位构造 塔架类型 高塔 塔架高度（H） 120m 轮毂中心高度 121.8m 塔底外径 6.4m 塔底壁厚 0.3m 塔顶外径 3.2m 塔顶壁厚 0.08m 钢塔高度 50m 预应力混凝土塔高 70m1.1 1.1 塔架几何尺寸如表塔架几何尺寸如表2 2所示所示（二）、整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分（二）、

10、整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分析和设计析和设计1.1.风力发电机的参数和塔架几何尺寸风力发电机的参数和塔架几何尺寸表21 1. .2 2 所设计的风力发电机的几何尺寸、重量和性能等基本所设计的风力发电机的几何尺寸、重量和性能等基本特性如表特性如表3 3所示所示设计概要名称参数值风力发电机参数额定功率 (P)2.5MW塔架高度 (H)120m叶轮直径（D）98m额定风速15m/s额定转速（n）23r/min切出风速 (V)25m/s叶片质量（m ）7033.7*3kg机舱质量（m ）79640.9kg塔架参数类型预应力钢筋混凝土混凝土设计强度等级C80塔架尺寸见表212表3gmmF21

11、yyFzM2 2 预应力混凝土塔架的设计计算预应力混凝土塔架的设计计算2.1 2.1 荷载计算荷载计算 塔架的荷载包括永久荷载、可变荷载和地震作用。其中永久荷载主要有塔架、机舱和风轮的自重等，可变荷载主要是风荷载的影响。2.1.1 2.1.1 永久荷载永久荷载(1)垂直力由风叶和机舱的质量引起的垂直力 按下式计算：(2)由风叶和机舱重力引起的力矩 按下式计算：gemmM21zkN3 .987Fy计算得到以下结果：计算得到以下结果：mkN5 .1974Mz0zszzzzz/12.1.2 2.1.2 风荷载风荷载 风荷载与结构高度、横截面尺寸、构件形式等有关。我国建筑结构荷载规范（GB50009-

12、2001)规定: 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，按下述公式计算： 对于风力发电塔这种变截面的高耸结构的风振系数按下式进行计算：44322zH3zHz4Hz6计算得作用在塔身各节点处风荷载标准值的结果如下计算得作用在塔身各节点处风荷载标准值的结果如下: :F（10）=27.574kN F（20）=34.440kNF（30）=39.501kN F（40）=43.830kNF（50）=46.956kN F（60）=49.340kN F（70）=51.104kN F（80）=54.340kN F（90）=54.273kN F（100）=53.396kN F（110）=51.660kN F（120）

13、=49.368kNxF22pxVRC4 . 0FxM2.1.3 2.1.3 作用于塔顶的荷载作用于塔顶的荷载 风力发电塔架在切出风速作用下受到如下荷载作用。(1)气动荷载当风速达到切出风速时，为安全起见，风叶在切出荷载作用下 的气动荷载 应乘以0.4的安全系数。(2)转矩 计算如下式nP9550Mx(3)偏转力矩 可按下式计算yMcossineR94M2ykN1 .848Fz经计算得到以下结果：经计算得到以下结果：mkN9 .925Mzm3627.2kNMy2.2 2.2 考虑应变率影响的混凝土强度考虑应变率影响的混凝土强度 风力发电塔混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的设计荷载外,往往还要

14、经受各种突然的动荷载作用,如地震、风荷载等。一般认为,在动态荷载作用下引起的混凝土材料的力学特性是显著区别于其准静态情况的。大量研究表明混凝土是应变速率敏感材料,其强度、刚度、韧性(脆性)等性质均随加载速率而变化。根据我们的试验结果得知：随着应变率的增加，混凝土强度提高系数为10%。132.3 2.3 预应力混凝土塔架设计计算预应力混凝土塔架设计计算 塔身的厚度随高度线性变化，塔架的重量:G =12479.7kN，塔架底截面所受轴力N=14247.47kN，剪力F=1403.88kN，假定塔架采用C80混凝土，弹性模量为38GPa，密度为2500kg/m ；钢材部分采用Q345钢材，密度为78

15、50kg/m，弹性模量为206GPa；预应力筋采用钢绞线1*7(d=21.6mm)，强度1860N/mm 的低松弛钢绞线制成，弹性模量为206GPa；本文对后张法构件进行体外预应力法施工；非预应力钢筋选用HRB400，直径为20mm。2 按照混凝土结构设计规范沿周边均匀配置纵向钢筋的环形截面偏心受压构件，其正截面受压承载力按下式计算：sytp0ppytp0pc1AfAfAAfNsinrAf2sinrrAfMpppy21c1tssypp0ppysinsinrAfsinrAf5.11t 塔架底环形截面上均匀对称的配置纵向钢筋，由以上公式得到在内环配置预应力钢筋70根，塔壁内、外径上分别配置80根、

16、90根非预应力钢筋。塔架基础环形截面上能承受的最大弯矩为塔架在风荷载、塔架重力等荷载作用下的最大弯矩为mkN10825.1M5maxmkN1082.1M5maxMM 满足要求。3 3 预应力混凝土塔架和基础的施工预应力混凝土塔架和基础的施工 采用滑模法施工，现场浇筑混凝土，该法具有成本低、整体性好和施工速度快等优点。图1 滑模法施工3.1 3.1 基础施工基础施工 风力发电机基础的地基处理中采用现场灌注桩基础，由于纵向钢筋配筋直径较大且数量较多。因此，按照施工图设计径向钢筋的下料长度，联系钢筋生产厂定扎（用一定数量的小直径的钢筋绑扎成满足要求面积的钢筋束）并在现场下料焊接，这样经过定扎运抵现场的钢筋不需要断料和配料等工序，并节约了钢筋接头，同时钢筋接头的减少，也提高了风机基础的质量。3.2 3.2 塔身施工塔身施工 施工时竖向钢筋的接头一般采用绑扎搭接，接头按25%错开。预埋件的留设位置和型号必须准确，滑模施工前，应绘制预埋件平面图，详细标注预埋件的标高、位置、型号和数量，必要时，可将所有预埋件统一编号