風(fēng)力發(fā)電機(jī)基塔設(shè)計(jì)算例

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔基設(shè)計(jì)算例Tjjg1 設(shè)計(jì)概況風(fēng)機(jī)塔的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼、混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼/混凝土混合結(jié)構(gòu)。為了對比采用不同結(jié)構(gòu)體系風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對裝機(jī)容量為3.6MW、風(fēng)機(jī)軸線高100m的鋼管及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中鋼塔的材料分別考慮Q235和Q390兩種情況，混凝土塔采用C60。風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備荷載取自LWST PhaseProject Conceptual Design Study及WindPACT公開發(fā)布的研究報(bào)告。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)中華人民共和國頒布的現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072002）、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500102002）、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）。兩類鋼塔（tower1、tower2）及預(yù)應(yīng)力混凝土塔（tower3）的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。其中鋼塔的設(shè)計(jì)控制荷載是風(fēng)荷載組合，混凝土塔的設(shè)計(jì)控制荷載為地震效應(yīng)組合。表 1Tower1（鋼塔）Tower2（鋼塔）Tower3（預(yù)應(yīng)力混凝土塔）風(fēng)機(jī)直徑108.4m108.4m108.4m塔頂重量3155kN3155kN3155kN設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy=205MPafy=335MPafcu=60MPa塔頂外徑4.0m4.6m3.6m塔頂壁厚20mm25mm460mm中部外徑5.6m6.2m5.6m中部壁厚32mm32mm610mm塔底外徑7.6m8m7.9m塔底直徑32mm32mm760mm塔身自重3671kN4320kN28335 kN塔頂側(cè)移s1.542m1.094m0.506m塔頂側(cè)移w1.655m1.106m0.568m自振頻率0.322Hz0.358Hz0.454Hz基底軸力8191kN8191kN32121 kN基底剪力2159kN2213kN2310 kN基底彎矩230898kN.m232767 kN.m250627 kN.m塔底截面應(yīng)力比0.5130.7712 鋼塔設(shè)計(jì)鋼塔的設(shè)計(jì)主要包括截面初選、模態(tài)分析、內(nèi)力計(jì)算、截面驗(yàn)算、屈曲分析、疲勞驗(yàn)算等步驟。主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組荷載、風(fēng)荷載、地震荷載。機(jī)組擬建上海地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，基本風(fēng)壓設(shè)計(jì)值0.55kN/m2。而且與混凝土結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)自重較小，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)起控制作用的是風(fēng)荷載。由于缺乏可信的組合系數(shù)，所以不考慮風(fēng)機(jī)荷載的效應(yīng)的組合，將其與地震作用、風(fēng)荷載效應(yīng)分別直接組合確定最不利設(shè)計(jì)內(nèi)力。 2.1 設(shè)計(jì)荷載風(fēng)機(jī)塔在使用過程中的設(shè)計(jì)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)機(jī)荷載、風(fēng)荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。2.1.1 結(jié)構(gòu)自重根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）本設(shè)計(jì)鋼材密度取7800kg/m3，彈性模量Es200×109 N/m2，Q235設(shè)計(jì)強(qiáng)度取205MPa、Q390設(shè)計(jì)強(qiáng)度取335MPa。由此計(jì)算的tower1和tower2的結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值分別為3059 kN、3600 kN。2.1.2 風(fēng)機(jī)荷載風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其配套和附屬設(shè)備傳給塔身的荷載通常有設(shè)備廠商提供，有六個(gè)荷載分量確定。荷載包括了風(fēng)機(jī)葉輪工作時(shí)承受的風(fēng)壓及離心力；風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸的周期荷載；設(shè)備自重等。在風(fēng)機(jī)塔設(shè)計(jì)中該荷載的影響很大，應(yīng)該仔細(xì)研究其取值及和其它荷載的組合方法。本設(shè)計(jì)考慮極限風(fēng)速（59.5m/s）時(shí)風(fēng)機(jī)（3.6MW）荷載（LWST PhaseProject Conceptual Design Study）： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。其中x為順風(fēng)方向，y為側(cè)向，z為滿足右手規(guī)則的豎直方向。2.1.3 風(fēng)荷載 通過長期的實(shí)踐，人們認(rèn)識到風(fēng)對塔身的直接作用可以分速度、方向基本不變的穩(wěn)定風(fēng)和隨機(jī)變化的脈動(dòng)風(fēng)。本設(shè)計(jì)采用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）規(guī)定的風(fēng)荷載計(jì)算方法考慮風(fēng)對塔身的作用。具體方法是考慮風(fēng)壓隨高度的變化，結(jié)構(gòu)體型的影響，及風(fēng)振的效應(yīng)將風(fēng)荷載等效為靜力荷載，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的響應(yīng)。本設(shè)計(jì)不考慮橫向風(fēng)振作用。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kzszo 基本風(fēng)壓o0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風(fēng)壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風(fēng)速計(jì)算而得。風(fēng)壓高度變化系數(shù)z按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考慮地面的摩擦，風(fēng)壓沿著高度會發(fā)生的變化。此處B類指的是田野、鄉(xiāng)村、城郊等沒有密集建筑群的場地。風(fēng)荷載體型系數(shù)s根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實(shí)際風(fēng)壓作用的影響。風(fēng)振系數(shù)z根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）公式7.4.2計(jì)算。反應(yīng)了脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。根據(jù)上述方法計(jì)算所得風(fēng)壓沿塔高的分布如圖1。圖1 鋼塔風(fēng)壓剖面圖2.1.4 地震荷載地震是建筑物在服役期間需要考慮的主要自然災(zāi)害之一，雖然地震發(fā)生的幾率比較小，但是一旦發(fā)生可能造成很大的破壞。因此，必須做好地震設(shè)防區(qū)建筑物的抗震設(shè)計(jì)工作。雖然當(dāng)前對地震作用的認(rèn)識還不十分清楚，但是實(shí)踐證明按照考慮地震作用設(shè)計(jì)的建筑物對提高抗震能力有明顯的效果。地震對建筑物的作用既與地震本身有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性有關(guān)，所以風(fēng)機(jī)塔的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意選擇適當(dāng)?shù)淖灾睾蛣偠?，盡量減少地震力。本設(shè)計(jì)擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001），抗震設(shè)防烈度按7度考慮，場地為類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）表5.4.11取0.08，場地特征周期按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）表5.4.12取0.65。2.1.5 荷載組合 風(fēng)機(jī)塔在服役期間可能承受強(qiáng)風(fēng)、地震、設(shè)備、溫度等多種荷載的作用，但是這些荷載同時(shí)出現(xiàn)最大值的可能性比較小，所以有必要對在設(shè)計(jì)時(shí)對各種荷載進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）中對常見的情況做出了規(guī)定。恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，地震荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔設(shè)計(jì)時(shí)比較特殊的是風(fēng)機(jī)荷載，它既包括了設(shè)備自重，也包含了風(fēng)機(jī)工作時(shí)傳來的風(fēng)壓、離心力等動(dòng)荷載，因此簡單的將其作為恒載或者活載都不合適。由于缺乏可靠的依據(jù)確定其組合系數(shù)，這里將風(fēng)機(jī)傳來的重力作為恒載，彎矩及剪力作為活載，與地震、風(fēng)荷載組合時(shí)不考慮折減（組合系數(shù)取1），這樣做是偏于保守的。具體表達(dá)式如下：軸力組合：1.2結(jié)構(gòu)自重1.2設(shè)備自重彎矩、剪力組合：1.2橫恒載1.4風(fēng)荷載1.4風(fēng)機(jī)荷載1.2橫恒載1.3地震荷載1.4風(fēng)機(jī)荷載2.2 結(jié)構(gòu)分析風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)、地震、自重、設(shè)備等荷載作用下的響應(yīng)既有靜力問題，也有動(dòng)力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期），要求其避開風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作頻段，以免引起共振響應(yīng)。此外它也是計(jì)算風(fēng)振和地震動(dòng)效應(yīng)的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設(shè)備的重量引起的二次效應(yīng)。風(fēng)荷載主要考慮第一振型的影響，地震內(nèi)力計(jì)算時(shí)采用振型疊加法來計(jì)及高階振型的影響。2.2.1 有限元模型對于高度不超過200m的塔桅結(jié)構(gòu)可以將其離散為多自由度體系（2030個(gè)）來簡化計(jì)算其結(jié)構(gòu)固有參數(shù)和響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風(fēng)機(jī)塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可視作懸臂結(jié)構(gòu)，以彎曲變形為主，不考慮基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)影響，采用固定端約束。由于塔頂集中有很大的荷載，計(jì)算過程中考慮P二次效應(yīng)的影響。有限元模型見圖。圖2 風(fēng)機(jī)塔有限元模型2.2.2 模態(tài)分析及結(jié)果結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，對風(fēng)機(jī)塔（頂部集中有風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)備）進(jìn)行振型分析，前三階頻率及振型見表1及圖1、圖2、圖3。表 2階 數(shù) 參 數(shù)123Tower1Tower2Tower1Tower2Tower1Tower2周期(s)3.1062.7950.5010.4630.1840.169頻率(Hz)0.3220.3581.9982.1615.4225.909 圖1 一階振型 圖2 二階振型 圖3 三階振型2.2.3 內(nèi)力計(jì)算及組合2.2.3.1 塔及風(fēng)機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力表 3 內(nèi) 力塔 號軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower18191515015221522193138115457Tower28970570715221522191613114063 圖 tower1軸力圖 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩圖 圖 tower2軸力圖 圖 tower2剪力圖 圖 tower2彎矩圖2.2.3.2 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力表 3 內(nèi) 力塔 號軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1819151506373973776010852Tower2897057076914364115416595 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩圖 圖 tower2剪力圖 圖 tower2彎矩圖2.2.3.3 地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力表 4 內(nèi) 力塔 號軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1819151502762382403910775Tower2897057073433132923315831 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩 圖 tower2剪力圖 圖 tower2彎矩圖2.2.3.4 內(nèi)力組合表 5 內(nèi) 力塔 號軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1（Do=7.6m）地震作用8191515017981760217177126231風(fēng)荷載8191515021591919230898126309Tower2（Do=8.0m）地震作用8970570718651818220846126825風(fēng)荷載8970570722131958232767125876 注：Do為塔底直徑 圖 tower1剪力圖（地震組合） 圖 tower1彎矩（地震組合） 圖 tower2剪力圖（地震組合） 圖 tower2彎矩（地震組合） 圖 tower1剪力圖（風(fēng)組合） 圖 tower1彎矩（風(fēng)組合） 圖 tower2剪力圖（風(fēng)組合） 圖 tower2 彎矩（風(fēng)組合）2.2.4 截面驗(yàn)算表 6 截面位置塔 號塔 底 截 面（風(fēng)控制）中 部 截 面（風(fēng)控制）Tower10.5130.866Tower20.7710.9272.3 結(jié)構(gòu)屈曲分析風(fēng)機(jī)塔的整體屈曲分析采用SAP2000 V9軟件，考慮二階效應(yīng)后tower1和tower2的屈曲荷載系數(shù)分別為25.3、33.4，這里屈曲荷載系數(shù)等于結(jié)構(gòu)屈曲荷載與施加荷載之比。滿足整體屈曲的要求。結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定通過控制塔身外徑與壁厚比和構(gòu)造要求來保證。2.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗(yàn)算 3 混凝土塔設(shè)計(jì)混凝土塔的設(shè)計(jì)主要包括步驟同樣包括截面初選、模態(tài)分析、內(nèi)力分析、截面驗(yàn)算等步驟。為了控制塔身的變形，保證正常使用狀態(tài)下混凝土不開裂，這里選用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組荷載、風(fēng)荷載、地震荷載。上海地區(qū)抗震設(shè)防為7度，基本風(fēng)壓設(shè)計(jì)值0.55kN/m2。但是由于混凝土結(jié)構(gòu)的自重大，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)起控制作用的是地震效應(yīng)。 3.1設(shè)計(jì)荷載風(fēng)機(jī)塔在使用過程中的設(shè)計(jì)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)機(jī)荷載、風(fēng)荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。3.1.1結(jié)構(gòu)自重混凝土密度2500kg/m3，彈性模量Es36000 N/mm2。采用C60混凝土，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500102002）抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度fc=27.5 N/mm2，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為ft=2.04 N/mm2 (計(jì)算過程中，Sap2000可以自動(dòng)考慮)。3.1.2 風(fēng)機(jī)荷載風(fēng)機(jī)荷載的取值及組合方法同鋼塔。59.5m/s風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)（3.6MW）荷載： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。3.1.3 風(fēng)荷載風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kzszo 基本風(fēng)壓o0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風(fēng)壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風(fēng)速計(jì)算而得。風(fēng)壓高度變化系數(shù)z按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考慮地面的摩擦，風(fēng)壓沿著高度會發(fā)生的變化。此處B類指的是田野、鄉(xiāng)村、城郊等沒有密集建筑群的場地。風(fēng)荷載體型系數(shù)s根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實(shí)際風(fēng)壓作用的影響。風(fēng)振系數(shù)z根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB500092001）公式7.4.2計(jì)算。反應(yīng)了脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。根據(jù)上述方法計(jì)算所得風(fēng)壓沿塔高的分布如圖1。圖1 混凝土塔風(fēng)壓剖面圖3.1.4 地震荷載風(fēng)力發(fā)電機(jī)擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001），抗震設(shè)防烈度按7度考慮，場地為類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）表5.4.11取0.08，場地特征周期按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）表5.4.12取0.65。3.1.5 荷載組合軸力組合：1.2結(jié)構(gòu)自重1.2設(shè)備自重彎矩、剪力組合：1.2橫恒載1.4風(fēng)荷載1.4風(fēng)機(jī)荷載1.2橫恒載1.3地震荷載1.4風(fēng)機(jī)荷載3.2 結(jié)構(gòu)分析混凝土塔在風(fēng)、地震、自重、設(shè)備等荷載作用下的響應(yīng)既有靜力問題，也有動(dòng)力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期），要求其避開風(fēng)機(jī)的工作頻段，以免引起共振響應(yīng)。此外自振周期也是計(jì)算風(fēng)振和地震動(dòng)效應(yīng)的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設(shè)備的重量引起的二次效應(yīng)。風(fēng)荷載主要考慮第一振型的影響，地震作用計(jì)算時(shí)采用振型疊加法來計(jì)及高階振型的影響3.2.1 有限元模型結(jié)構(gòu)的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風(fēng)機(jī)塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)。考慮P二次效應(yīng)的影響。3.2.2 模態(tài)分析及結(jié)果結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，對風(fēng)機(jī)塔（頂部集中有風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)備）進(jìn)行振型分析，前三階頻率及振型見表1及圖1、圖2、圖3。塔的固有自振頻率避開了風(fēng)機(jī)的工作頻率。表 4 模態(tài)123周期(s)2.2040.4830.185頻率(Hz)0.4542.0705.405 圖1 一階振型 圖2 二階振型 圖3 三階振型3.2.3 內(nèi)力計(jì)算及組合3.2.3.1 風(fēng)機(jī)塔及設(shè)備自重、風(fēng)荷載、地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力表 5 內(nèi) 力荷載軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部自重321211354915221522191216113430風(fēng)荷載3212113549512353288977629地震荷載32121135497896185941122895 圖 tower3軸力圖 圖 tower3剪力圖 圖 tower3彎矩圖 圖 tower3剪力圖 （地震） 圖 tower3彎矩圖（地震） 圖 tower3剪力圖 （風(fēng)） 圖 tower3彎矩圖（風(fēng)）3.2.3.2 內(nèi)力組合表 5 內(nèi) 力塔 號軸力設(shè)計(jì)值/kN剪力設(shè)計(jì)值/kN彎矩設(shè)計(jì)值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower3（地震控制）地震作用321211354923102196250627136324風(fēng)荷載321211354920341819220113121058 圖 tower3剪力圖 （地震組合） 圖 tower3彎矩圖（地震組合） 圖 tower3剪力圖 （風(fēng)組合） 圖 tower3彎矩圖（風(fēng)組合）3.2.4 截面驗(yàn)算表 6 截面位置塔 號塔 底 截 面（地震控制）中 部 截 面（地震控制）Tower3113.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗(yàn)算4 塔身特征尺寸及截面樣圖 圖3 tower1圖4 tower2圖5 tower3