風(fēng)電機(jī)組裝配式超高鋼混塔筒剛度魯棒性分析

謝冰冰，褚景春，2，袁凌，2，王小虎，張林中，寧紅超

（1.國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039；2.風(fēng)電設(shè)備及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

0 引言

隨著低風(fēng)速高切邊風(fēng)場的大規(guī)模開發(fā)及平價(jià)上網(wǎng)趨勢下，裝配式超高鋼混塔筒以眾多優(yōu)勢逐步得到廣泛應(yīng)用。但裝配式超高鋼混塔筒存在的整體性、剛度及抗震性能差等問題仍未解決，須做進(jìn)一步的研究。

羅桂鑫[1]應(yīng)用ANSYS有限元軟件對傳統(tǒng)鋼制錐塔筒的動(dòng)力特性、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。郝二通[2]通過測量阻尼性能差異較大的有機(jī)玻璃單件、鋼板單件的材料阻尼比以及模態(tài)阻尼比，開展了有機(jī)玻璃與鋼板組件模態(tài)阻尼比的有限元分析。宋雙賀[3]分別對塔筒的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合性的分析，將混合式塔架和傳統(tǒng)的鋼制塔架進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)方面的對比。

上述文獻(xiàn)均把塔筒當(dāng)作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，或只關(guān)注某些局部構(gòu)件荷載是否超限。但目前鋼混塔筒均是采用裝配式建筑的概念進(jìn)行建造的，文獻(xiàn)[4]，[5]研究得出了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的連接處是裝配式建筑的薄弱環(huán)節(jié)，地震中裝配式結(jié)構(gòu)破壞的形式主要就是構(gòu)件連接破壞，而預(yù)制構(gòu)件本身卻較少發(fā)生破壞。超高鋼混塔筒屬于高聳結(jié)構(gòu)物，設(shè)計(jì)階段不僅要使局部構(gòu)件滿足承載力要求，還需對整體結(jié)構(gòu)剛度魯棒性進(jìn)行分析，找到對整體結(jié)構(gòu)剛度影響大的接觸面并加固處理，防止由于極個(gè)別接觸面連接不牢而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體剛度斷崖式下降，但目前這一研究領(lǐng)域尚屬空白。

本文選取兩種不同技術(shù)路線的140 m高鋼混塔筒結(jié)構(gòu)形式。首先，對這兩種鋼混塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析；然后，計(jì)算結(jié)構(gòu)所有接觸面單一部分失效情況下自振頻率，獲得接觸面的重要性排序；最后，計(jì)算結(jié)構(gòu)接觸面逐一部分失效情況下最終的魯棒值。雖然模態(tài)分析屬于線性分析，但鋼混塔筒自身剛度極大，其實(shí)際變形相較其百米級體量而言微不足道，可認(rèn)為整個(gè)生命周期變形均處于彈性變形范圍內(nèi)，因此模態(tài)分析方法進(jìn)行剛度魯棒性分析具有一定的應(yīng)用性。本文研究內(nèi)容可為工程設(shè)計(jì)及建設(shè)提供參考。

1 魯棒性應(yīng)用及其評價(jià)指標(biāo)

目前，國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)魯棒性的研究取得了一定的成果，但仍未有統(tǒng)一的定量評價(jià)方法[6]。柳承茂[7]提出了基于剛度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性的評估方法。高揚(yáng)[8]以“概念移除”的方法并結(jié)合攝動(dòng)法分析構(gòu)件前后的結(jié)構(gòu)承載力變化，給出一個(gè)結(jié)構(gòu)魯棒性評價(jià)中計(jì)算構(gòu)件的重要性系數(shù)的新方法。葉列平[9]以拆除構(gòu)件對廣義結(jié)構(gòu)剛度的影響程度作為該構(gòu)件重要性評價(jià)指標(biāo)。呂大剛[10]分別采用基于承載力、可靠度以及基于風(fēng)險(xiǎn)的魯棒性指標(biāo)，對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震魯棒性進(jìn)行了定量評價(jià)。文獻(xiàn)[11]，[12]改進(jìn)了一種結(jié)構(gòu)魯棒性評價(jià)中的構(gòu)件重要性系數(shù)，提出了一種新的結(jié)構(gòu)魯棒性指標(biāo)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)魯棒性方法。包超[13]通過定量分析結(jié)構(gòu)魯棒性進(jìn)行建筑選型和結(jié)構(gòu)布置方案優(yōu)化，提出了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)魯棒性的方法。

鑒于裝配式結(jié)構(gòu)破壞的形式主要在構(gòu)件連接處，因此本文將構(gòu)件之間接觸面失效連接前后結(jié)構(gòu)剛度值的變化作為接觸面重要性的判別依據(jù)，然后依據(jù)重要性排序?qū)⒔佑|面依次失效后求出結(jié)構(gòu)魯棒值。

2 鋼混塔筒技術(shù)路線

根據(jù)混凝土段不同的拼接吊裝方式，鋼混塔筒的技術(shù)路線分為分段式和分片式兩種。

2.1 分段式

將混凝土塔段沿高度分割成一段段的圓環(huán)構(gòu)件，全塔無豎向接縫，塔段間水平接縫無需灌漿。一般3～4大段固定直徑塔身，最大程度削減模板數(shù)量節(jié)省造價(jià)，其結(jié)構(gòu)示意及組成構(gòu)件如圖1所示。

圖1 分段式鋼混塔筒Fig.1 Segmented steel-concrete tower

2.2 分片式

分片式鋼混塔筒混凝土段任一橫截面均是圓角矩形，同鋼質(zhì)塔筒類似，沿高度方向劃分成3或4大段，由于每一段高度過大，在制作過程中既難以整體預(yù)制又難以現(xiàn)場澆筑，因此將每一段沿環(huán)向分割成8片（4個(gè)方片和4個(gè)角片）。拼裝時(shí)先將8片構(gòu)件拼成環(huán)段，然后豎向接縫處灌漿連接，形成一定強(qiáng)度后再進(jìn)行豎向吊裝，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

3 剛度魯棒性分析方法

3.1 剛度與頻率關(guān)系

3.2 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)重要性系數(shù)及魯棒值

若某一結(jié)構(gòu)體系有n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，其中一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)i的重要性系數(shù)定義為

式中：Ki為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)所對應(yīng)的剛度值；Ri為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)所對應(yīng)的魯棒值。

綜上所述，結(jié)構(gòu)整體的魯棒值R由最小的Ri決定：

4 分析過程

本文選取某廠家3.4 MW機(jī)型，采用ANSYS進(jìn)行建模分析。該機(jī)型鋼混塔筒高度為常見的140 m，上部機(jī)艙、輪轂和葉片的總質(zhì)量約為230 t，建模分析時(shí)將上部總質(zhì)量簡化為質(zhì)量點(diǎn)point mass?？紤]基礎(chǔ)的影響，將基礎(chǔ)與大地進(jìn)行Bonded連接。

4.1 模型尺寸

基礎(chǔ)外徑為21 m，高為4.87 m。分段式與分片式鋼混塔筒模型及尺寸分別見圖3和表1，其中分段式鋼混塔筒每大段中均包含6個(gè)小段和1個(gè)轉(zhuǎn)換段。

4.2 初始模態(tài)分析

在初始模型無損情況下，所有接觸面連接類型為Bonded連接，對兩種形式的鋼混塔筒分別求前6階模態(tài)進(jìn)行分析，各階振型如圖4所示，自振頻率值如表2所示。

由于鋼混塔筒自身結(jié)構(gòu)屬于對稱結(jié)構(gòu)，1階和2階、3階和4階、5階和6階頻率在數(shù)值上基本相等，可以把頻率接近的振型看成一個(gè)模態(tài)。其中1階和2階振型為擺動(dòng)，3階和4階振型為彎曲，5階和6階振型為彎扭組合，其中最大幅值約為0.08 mm，此幅值與百米級塔高相比可忽略不計(jì)。

4.3 單一接觸面部分失效模態(tài)分析

4.3.1 分段式鋼混塔筒

由圖3可知，分段式鋼混塔筒共包含29段混凝土段，共有30個(gè)接觸面。理想情況下每個(gè)接觸面都緊密連接無脫開。因構(gòu)件加工制作表面平整度誤差或?qū)嶋H吊裝施工等環(huán)節(jié)所致，很可能導(dǎo)致構(gòu)件接觸不緊密，但又不會(huì)完全失效。此時(shí)，將部分失效接觸面接觸類型由Bonded連接修改為Rough連接，比較符合實(shí)際損傷情況。分別將30個(gè)接觸面逐一部分失效后求解塔筒的自振頻率，接觸面編號從塔底至塔頂逐漸增大排列。

接觸面是保證塔體剛度的重要環(huán)節(jié)，接觸面失效，甚至部分失效，都可能造成結(jié)構(gòu)剛度斷崖式下降，在風(fēng)機(jī)動(dòng)荷載作用下極易造成倒塔的嚴(yán)重后果。為簡化分析分別取1，3，5階頻率進(jìn)行分析。圖5為分段式鋼混塔筒在不同接觸面部分失效情況下結(jié)構(gòu)頻率的變化值，接觸面越重要其部分失效后結(jié)構(gòu)頻率降低越多。

4.3.2 分片式鋼混塔筒

由于分片式鋼混塔筒預(yù)制構(gòu)件較多，共有47個(gè)接觸面，其中多個(gè)接觸面形式一致可歸為一類，共計(jì)有19個(gè)不同的接觸面類型。接觸面接觸類型與分段式鋼混塔筒一致，取1，3，5階頻率進(jìn)行分析。圖6為分片式鋼混塔筒在不同接觸面部分失效情況下結(jié)構(gòu)頻率的變化值。

4.4接觸面連續(xù)部分失效魯棒性分析

由于低階頻率相應(yīng)的振型對結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于較高頻率相應(yīng)振型的貢獻(xiàn)，因此在進(jìn)行魯棒性分析時(shí)只考慮結(jié)構(gòu)1階頻率波動(dòng)變化的影響。根據(jù)頻率變化的大小可將接觸面的重要程度進(jìn)行排序：頻率降低越多，結(jié)構(gòu)體系剛度降低越多，說明該截面越重要。

將式（2）帶入式（3）可得結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與頻率之間關(guān)系。

式中：ω0為結(jié)構(gòu)所有連接面Bonded連接時(shí)的1階頻率。

4.4.1 分段式鋼混塔筒接觸面連續(xù)失效

根據(jù)式（6）將分段式鋼混塔筒30個(gè)接觸面的重要性進(jìn)行排序，其中ω0=0.481 09。

按照順序?qū)⒔佑|面依次連續(xù)失效，進(jìn)行模擬得到相應(yīng)頻率，并得到相對應(yīng)的魯棒值，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 接觸面連續(xù)部分失效及魯棒值Table 3 Continuous failure and robust value of contact surface

4.4.2 分片式鋼混塔筒接觸面連續(xù)失效

與分段式同理，將分片式鋼混塔筒19個(gè)接觸面的重要性進(jìn)行排序，其中ω0=0.268 01。由于接觸面之間存在相互包含的情況，例如：編號為9和10的接觸面均被包含在編號為11的接觸面內(nèi)，因此在模擬計(jì)算時(shí)不考慮編號為9和10的接觸面，其余接觸面同理。

按照順序?qū)⒔佑|面依次連續(xù)失效，相應(yīng)頻率及魯棒值見表4。

表4 接觸面連續(xù)部分失效及魯棒值Table 4 Continuous failure and robust value of contact surface

5 分析與討論

5.1 分段式鋼混塔筒魯棒值

分段式鋼混塔筒接觸面單一部分失效及連續(xù)部分失效后，結(jié)構(gòu)整體剛度魯棒值如圖7所示。

圖7 分段式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)剛度魯棒值Fig.7 Stiffness robust value of segmented steel concrete tower

由圖7（a）及式（5）可知，單一接觸面部分失效情況下結(jié)構(gòu)剛度魯棒值約為21。由圖7（a）可以間接得出結(jié)構(gòu)重要的接觸面分別為第6，16及25號接觸面，其所處相對位置從底到頂分別位于1/6，1/2及5/6混凝土段高度處。

按接觸面重要性順序?qū)⒔佑|面依次部分失效。因結(jié)構(gòu)內(nèi)部接觸面部分失效使得結(jié)構(gòu)整體剛度降低，結(jié)構(gòu)剛度魯棒值由21遞減至10并趨于穩(wěn)定，其中前3個(gè)重要接觸面對剛度魯棒值影響較大。在分段式鋼混塔筒設(shè)計(jì)及施工中要重點(diǎn)關(guān)注這3個(gè)接觸面，設(shè)計(jì)中要避免在1/6，1/2及5/6混凝土段高度處設(shè)置接觸面。如果設(shè)計(jì)中不能避開，則要在實(shí)際施工中對這3個(gè)接觸面處加強(qiáng)連接措施，保證施工質(zhì)量。

5.2 分片式鋼混塔筒魯棒值

分片式鋼混塔筒接觸面單一部分失效及連續(xù)部分失效后，結(jié)構(gòu)整體剛度魯棒值如圖8所示。

圖8 分片式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)剛度魯棒值Fig.8 Stiffness robust value of sheeted steel concrete tower

由圖8可知：單一接觸面部分失效情況下分片式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)剛度魯棒值約為61，其較危險(xiǎn)接觸面出現(xiàn)在混凝土段中間部位；按接觸面重要性順序?qū)⒔佑|面依次部分失效，魯棒值從61降為43。其中每個(gè)接觸面對剛度魯棒值影響相對較平均，可間接認(rèn)為分片式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)剛度分布較均勻。

6 結(jié)論

①對超高鋼混塔筒進(jìn)行剛度魯棒性分析不僅可以針對具體工程對鋼混塔筒進(jìn)行選型，還可找出對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較大的接觸面，繼而針對重要接觸面在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)或在施工階段加固處理。

②分段式鋼混塔筒較危險(xiǎn)接觸面出現(xiàn)在1/6，1/2及5/6混凝土段高度附近（從底到頂），要在設(shè)計(jì)中避免在這些位置處設(shè)置接觸面，如果不可避免則應(yīng)該在施工中設(shè)置加強(qiáng)連接措施，并保證施工質(zhì)量。

③分片式鋼混塔筒在1/6及5/6混凝土段高度處并無接觸面，其較危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在1/2混凝土段高度處，實(shí)際施工中加強(qiáng)此接觸面的連接，保證結(jié)構(gòu)剛度的有效傳遞。

④分片式鋼混塔筒結(jié)構(gòu)剛度魯棒值要優(yōu)于分段式鋼混塔筒，分片式鋼混塔筒的接觸面要多于分段式鋼混塔筒。分片式鋼混塔筒的施工周期、施工難度及出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率均大于分段式鋼混塔筒。