钢管混凝土格构式风电塔架万向包裹Y型节点受力性能研究

发布时间：2020-07-26 21:20

【摘要】：钢管混凝土格构式风电塔架较锥筒式塔架在受风时位移较小、应力水平较低,力学性能优越。现阶段对于钢管混凝土格构式风电塔架节点的研究主要集中于相贯式节点和管板式节点,但上述两种节点形式施工过程繁杂,易出现焊接缺陷,施工质量难以把控。针对上述现状,本文提出了一种新型装配式万向包裹Y型节点,对Y型节点开展力学行为试验研究和有限元非线性分析。主要研究内容和结果为:(1)以白云鄂博矿区某1.5MW锥筒型风电塔架为设计参照模型,设计三肢钢管混凝土格构式风电塔架。运用SAP2000通用结构分析软件对塔架内力进行计算,得出塔架内力分布规律和塔架节点最不利位置,为试验节点设计制作提供理论依据。结果表明:塔架整体受力均匀、连续,压、拉斜腹杆内力比控制在1.04~1.09之间;塔架8、9层间节点为塔架节点相对不利位置。(2)基于塔架内力计算得到的节点最不利位置,设计制作了4个Y型节点缩尺模型试件并完成了静力荷载试验,研究了球台壁厚度及球台高度变化对节点受力性能的影响。对试验现象和受力特征进行分析归纳表明:Y型节点的破坏模式可分为两类,即屈曲破坏模式和剪切-屈曲破坏模式。(3)结合试验现象和节点受力特征,对腹杆荷载-变形曲线、球杆连接件核心区应力分布规律、球台区等效应力分布规律进行分析。结果表明:腹杆荷载-变形关系曲线完整,弹塑性阶段较长,腹杆具有良好的变形及承载能力;球杆连接件核心区为节点拉、压合力作用点,整体应力水平较高,下部剪切端为部件高应力区;球台受钢球挤压一侧的等效应力是未受挤压一侧等效应力的2倍左右,球台应力分布较为均匀。(4)运用ABAQUS有限元分析软件建立Y型节点有限元模型,通过试验数据与有限元模型分析结果进行比较,验证有限元模型可靠性,并在此基础上进行有限元参数扩展分析,得出球台壁厚度、球台高度和腹杆壁厚度的合理取值范围。分析结果显示:建议节点在设计使用时选择强度等级为C30的混凝土作为塔柱核心混凝土;球台设计时取球台高度65mm为最优值,取球台壁厚度≤10mm为宜;腹杆选取时满足腹杆壁厚度≤7mm较为合理。
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU398.9
【图文】：

塔架,风力发电,形式

2（a）锥筒型塔架（b）格构式塔架图1.4 风力发电塔架形式2000 年 Ryan K、Jason C 等[11]采用有限元软件分析风电塔架结构动力特性。2001 年，Tongguang Wang 和 Frank N. Coton[12]在考虑循环荷载影响的前提下，对塔架塔影效应进行分析，分析得到塔影效应对风电塔架有较强烈叶片负荷响应。2002 年 N.Bazeos 等[13]对风电塔架的尾流模型和涡流模型进行分析，研究塔影效应产生的叶片负荷响应。2003 年 Lavasas 等[14]采用欧洲规范对塔架受自重、风荷载和地震荷条件下进行载疲劳寿命验算，为塔架设计提供参考。2004 年谢峰，赵吉文等[15]采用数值模拟对 600kW 风力机的塔架进行了静、动态分析，在静态分析中进行了塔架强度校核，在动态分析中进行了塔架塔架前五阶固有频率计算。2005 年 Murtagh[16]对顺风向作用下风电塔架振动效应进行研究

节点形式

1.3.1 管板式、相贯式节点研究现状（a）管板式节点（b）相贯式节点图1.5 传统节点形式1995 年 Packer[23]研究了 31 个不同形式圆钢管混凝土节点的极限承载力，得到了管内混凝土局压承压计算公式。2001 年 Kim[24]对矩形钢管相贯节点进行静力性能研究，提出支管、弦杆截面宽厚比、夹角最佳取用范围。2004 年 Sakai 等[25]对方钢管混凝土 X、T、K 三种节点进行单调静力试验，提出不同节点形式的承载力计算公式并予以对比。2008 年聂建国等[26]针对方钢管混凝土柱内隔板式节点提出弯矩-层间转角变形骨架曲线的三折线模型。研究表明弹塑性阶段模型虽存在一定误差，但仍有参考意义。

万向,包裹式,节点

5（a）节点连接器（b）万向包裹板式节点（c）万向包裹球式节点图1.6 万向包裹式节点基于上述专利，闻洋课题组先后进行了万向包裹球板节点[36]、万向包裹插板节点[32]和万向包裹螺栓球节点[37]的力学性能研究，并于2018年成功获批国家自然科学

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