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1、风力发电机塔基设计算例Tjjg1 设计概况风机塔的结构形式主要有钢、混凝土、预应力混凝土、钢/混凝土混合结构。为了对比采用不同结构体系风力发电机塔的经济技术指标，对装机容量为 3.6MW、风机轴线高 100m 的钢管及预应力钢筋混凝土两种结构形式分别进行设计。其中钢塔的材料分别考虑 Q235 和 Q390 两种情况，混凝土塔采用 C60。风力发电机设备荷载取自LWST Phase Project Conceptual Design Study 及 WindPACT 公开发布的研究报告。风力发电机塔的结构设计依据中华人民共和国颁布的现行设计规范及标准，主要包括：建筑地基基础设计规范（GB5000
2、72002） 、混凝土结构设计规范（GB500102002） 、建筑抗震设计规范（GB500112001） 、钢结构设计规范（GB500172003） 、建筑结构荷载规范（GB500092001） 。两类钢塔（tower1、tower2 ）及预应力混凝土塔（tower3）的主要技术指标见表1。其中钢塔的设计控制荷载是风荷载组合，混凝土塔的设计控制荷载为地震效应组合。表 1Tower1（钢塔） Tower2（钢塔） Tower3（预应力混凝土塔）风机直径 108.4m 108.4m 108.4m塔顶重量 3155kN 3155kN 3155kN设计强度 fy=205MPa fy=335MPa f
3、cu=60MPa塔顶外径 4.0m 4.6m 3.6m塔顶壁厚 20mm 25mm 460mm中部外径 5.6m 6.2m 5.6m中部壁厚 32mm 32mm 610mm塔底外径 7.6m 8m 7.9m塔底直径 32mm 32mm 760mm塔身自重 3671kN 4320kN 28335 kN塔顶侧移 s 1.542m 1.094m 0.506m塔顶侧移 w 1.655m 1.106m 0.568m自振频率 0.322Hz 0.358Hz 0.454Hz基底轴力 8191kN 8191kN 32121 kN基底剪力 2159kN 2213kN 2310 kN基底弯矩 230898kN.m
4、 232767 kN.m 250627 kN.m塔底截面应力比0.513 0.7712 钢塔设计钢塔的设计主要包括截面初选、模态分析、内力计算、截面验算、屈曲分析、疲劳验算等步骤。主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。机组拟建上海地区，抗震设防烈度为 7 度，基本风压设计值 0.55kN/m2。而且与混凝土结构相比钢结构自重较小，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是风荷载。由于缺乏可信的组合系数，所以不考虑风机荷载的效应的组合，将其与地震作用、风荷载效应分别直接组合确定最不利设计内力。 2.1 设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作
5、用。不考虑温度作用的影响。2.1.1 结构自重根据钢结构设计规范（GB500172003）本设计钢材密度取 7800kg/m 3，弹性模量 Es20010 9 N/m2，Q235 设计强度取 205MPa、Q390 设计强度取 335MPa。由此计算的 tower1 和 tower2 的结构自重标准值分别为 3059 kN、3600 kN。2.1.2 风机荷载风力发电机及其配套和附属设备传给塔身的荷载通常有设备厂商提供，有六个荷载分量确定。荷载包括了风机叶轮工作时承受的风压及离心力；风机传动轴的周期荷载；设备自重等。在风机塔设计中该荷载的影响很大，应该仔细研究其取值及和其它荷载的组合方法。本设
6、计考虑极限风速（59.5m/s）时风机（ 3.6MW）荷载（LWST Phase Project Conceptual Design Study）： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN 。其中 x 为顺风方向，y 为侧向，z为满足右手规则的竖直方向。2.1.3 风荷载通过长期的实践，人们认识到风对塔身的直接作用可以分速度、方向基本不变的稳定风和随机变化的脉动风。本设计采用建筑结构荷载规范（GB500092001）规定的风荷载计算方法考虑风对塔身的作用。具体方法是考虑风压随高度的变化，结构体型的影响，及风振的效应将风荷载等效为静力
7、荷载，进而求得结构在风荷载下的响应。本设计不考虑横向风振作用。风荷载标准值 k z s z o 基本风压 o0.55 kN/m 2。规范给出 50 年一遇的风压，它是根据空旷平坦地面，离地 10m 高处的 10 分钟平均风速计算而得。风压高度变化系数 z 按地面粗糙度 B 类根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表 7.2.1 查取。 z 是考虑地面的摩擦，风压沿着高度会发生的变化。此处 B 类指的是田野、乡村、城郊等没有密集建筑群的场地。风荷载体型系数 s 根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表 7.3.1 查取。该系数主要修正建筑物外形对实际风压作用的影响。风振系数 z
8、根据建筑结构荷载规范（GB500092001）公式 7.4.2 计算。反应了脉动风作用下结构的动力响应，它与建筑物的固有参数（周期、振型）相关。根据上述方法计算所得风压沿塔高的分布如图 1。图 1 钢塔风压剖面图2.1.4 地震荷载地震是建筑物在服役期间需要考虑的主要自然灾害之一，虽然地震发生的几率比较小，但是一旦发生可能造成很大的破坏。因此，必须做好地震设防区建筑物的抗震设计工作。虽然当前对地震作用的认识还不十分清楚，但是实践证明按照考虑地震作用设计的建筑物对提高抗震能力有明显的效果。地震对建筑物的作用既与地震本身有关，也与结构自身的动力特性有关，所以风机塔的设计应该注意选择适当的自重和刚度
9、，尽量减少地震力。本设计拟建在上海地区，根据建筑抗震设计规范（GB500112001） ，抗震设防烈度按 7 度考虑，场地为类。水平地震影响系数最大值按建筑抗震设计规范（GB500112001）表 5.4.11 取 0.08，场地特征周期按建筑抗震设计规范（GB500112001）表 5.4.12 取 0.65。2.1.5 荷载组合风机塔在服役期间可能承受强风、地震、设备、温度等多种荷载的作用，但是这些荷载同时出现最大值的可能性比较小，所以有必要对在设计时对各种荷载进行适当的组合。建筑结构荷载规范（GB500092001）中对常见的情况做出了规定。恒载分项系数取1.2，活载分项系数取 1.4，
10、地震荷载分项系数为 1.3。风力发电机塔设计时比较特殊的是风机荷载，它既包括了设备自重，也包含了风机工作时传来的风压、离心力等动荷载，因此简单的将其作为恒载或者活载都不合适。由于缺乏可靠的依据确定其组合系数，这里将风机传来的重力作为恒载，弯矩及剪力作为活载，与地震、风荷载组合时不考虑折减（组合系数取 1） ，这样做是偏于保守的。具体表达式如下：轴力组合：1.2 结构自重1.2 设备自重弯矩、剪力组合：1.2 横恒载1.4 风荷载1.4 风机荷载1.2 横恒载1.3 地震荷载1.4 风机荷载2.2 结构分析风机塔结构在风、地震、自重、设备等荷载作用下的响应既有静力问题，也有动力问题，这里采用有限
11、元方法来求解。首先需要确定结构的自振频率（周期） ，要求其避开风力发电机的工作频段，以免引起共振响应。此外它也是计算风振和地震动效应的前提条件。需要考虑塔自重及塔顶设备的重量引起的二次效应。风荷载主要考虑第一振型的影响，地震内力计算时采用振型叠加法来计及高阶振型的影响。2.2.1 有限元模型对于高度不超过 200m 的塔桅结构可以将其离散为多自由度体系（2030 个）来简化计算其结构固有参数和响应。结构的有限元分析采用 SAP2000 V9 软件，将风机塔沿高度离散为 20 段，采用梁单元模拟结构。结构可视作悬臂结构，以弯曲变形为主，不考虑基础的转动影响，采用固定端约束。由于塔顶集中有很大的荷
12、载，计算过程中考虑 P二次效应的影响。有限元模型见图。图 2 风机塔有限元模型2.2.2 模态分析及结果结构的风荷载和地震荷载与其模态密切相关，对风机塔（顶部集中有风机及附属设备）进行振型分析，前三阶频率及振型见表 1 及图 1、图 2、图 3。表 21 2 3阶 数 参 数 Tower1 Tower2 Tower1 Tower2 Tower1 Tower2周期 (s) 3.106 2.795 0.501 0.463 0.184 0.169频率 (Hz) 0.322 0.358 1.998 2.161 5.422 5.909 图 1 一阶振型 图 2 二阶振型 图 3 三阶振型2.2.3 内力
13、计算及组合2.2.3.1 塔及风机荷载作用下结构内力表 3轴力设计值/kN 剪力设计值/kN 弯矩设计值/kN.m 内 力塔 号 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部Tower1 8191 5150 1522 1522 193138 115457Tower2 8970 5707 1522 1522 191613 114063 图 tower1 轴力图 图 tower1 剪力图 图 tower1 弯矩图 图 tower2 轴力图 图 tower2 剪力图 图 tower2 弯矩图2.2.3.2 风荷载作用下结构内力表 3轴力设计值/kN 剪力设计值/kN 弯矩设计值/kN.m 内 力塔 号 塔底
14、中部 塔底 中部 塔底 中部Tower1 8191 5150 637 397 37760 10852Tower2 8970 5707 691 436 41154 16595 图 tower1 剪力图 图 tower1 弯矩图 图 tower2 剪力图 图 tower2 弯矩图2.2.3.3 地震作用下结构内力表 4轴力设计值/kN 剪力设计值/kN 弯矩设计值/kN.m 内 力塔 号 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部Tower1 8191 5150 276 238 24039 10775Tower2 8970 5707 343 313 29233 15831 图 tower1 剪力图 图 tower1 弯矩 图 tower2 剪力图
