額定風(fēng)速下裝配式UHPC 風(fēng)電塔筒靜力與疲勞性能

張學(xué)森， 吳香國(guó)， 李 丹， 申 超， 楊 靜， 邱發(fā)強(qiáng)， 王 龍

（1.中國(guó)廣核新能源控股有限公司， 北京 100070； 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090； 4.保定建業(yè)集團(tuán)有限公司， 河北保定 071000； 5.上海風(fēng)領(lǐng)新能源有限公司， 上海 200021； 6.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090； 7.健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司， 福建 廈門(mén) 361004）

0 引言

塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分， 它下連基礎(chǔ)、上支撐風(fēng)電機(jī)和風(fēng)輪等主機(jī)部件，要求有足夠的剛度和強(qiáng)度。 隨著多兆瓦級(jí)風(fēng)電工程的發(fā)展， 研發(fā)與大功率主機(jī)配套的超高高度（百米以上）新型塔架越來(lái)越受到關(guān)注。目前常見(jiàn)的高塔架形式主要有鋼制錐筒、桁架、混凝土筒以及組合式塔筒等[1]。 普通鋼筋混凝土塔筒一般由錐筒節(jié)段通過(guò)專(zhuān)用連接設(shè)計(jì)而成， 其截面剛度較鋼制塔筒大。

塔筒在軸向應(yīng)力、 橫向彎剪等耦合作用下形成損傷，損傷在擾動(dòng)載荷作用下累積，疲勞破壞一般發(fā)生在局部高應(yīng)力區(qū)域。塔架結(jié)構(gòu)為變截面，高應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)段截面外徑表面處[1]。 因此，風(fēng)電塔筒在擾動(dòng)載荷作用下，塔筒某些局部區(qū)域（結(jié)構(gòu)總體突變區(qū)域或局部連接區(qū)域） 將產(chǎn)生疲勞累積損傷。 文獻(xiàn)[2]開(kāi)展了對(duì)預(yù)應(yīng)力砼-鋼組合風(fēng)電塔筒連接段的性能研究。 塔架受到的擾動(dòng)載荷包括塔架表面均布風(fēng)載荷、 葉輪氣動(dòng)推力及其同塔架自重和機(jī)組自重的耦合等[3]，[4]?；谟邢拊钠诜治鲞M(jìn)行“全場(chǎng)”疲勞壽命分析，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案分析中通常采用的方法。 有限元軟件FE.SAFE 可用來(lái)開(kāi)展結(jié)構(gòu)的疲勞仿真分析。 近年來(lái)，基于FE.SAFE 的疲勞分析多集中在結(jié)構(gòu)部件。 文獻(xiàn)[5]采用全系統(tǒng)載荷計(jì)算結(jié)果和有限元分析相結(jié)合的方法， 開(kāi)展了氣動(dòng)載荷和機(jī)械載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和疲勞性能分析。 文獻(xiàn)[6]應(yīng)用FE.SAFE 軟件，開(kāi)展了轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的疲勞分析。文獻(xiàn)[7]基于ANSYS/FE.SAFE 對(duì)后機(jī)架的焊縫進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 文獻(xiàn)[8]基于ANASYS/FE.SAFE對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組變槳擋塊強(qiáng)度進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)[9]開(kāi)展了塔筒門(mén)洞焊縫多軸疲勞累積損傷計(jì)算，確定了門(mén)洞焊縫最危險(xiǎn)位置。 文獻(xiàn)[10]開(kāi)展了鋼筋混凝土梁疲勞性能的有限元分析。 為了進(jìn)一步提高風(fēng)電混凝土塔筒受力性能， 降低預(yù)制節(jié)段自重， 全高或者局部節(jié)段采用超高性能混凝土（UHPC）， 有望解決普通混凝土塔筒局部性能超限的問(wèn)題。UHPC 具有超高的力學(xué)性能、耐久性能和工作性能，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到180～200 MPa，抗折強(qiáng)度可以達(dá)到20～30 MPa， 由于鋼纖維的增強(qiáng)增韌， 材料的疲勞性能較高， 適合于承受動(dòng)載荷、疲勞載荷作用下的特種工程結(jié)構(gòu)。

本文介紹了新型節(jié)段裝配式UHPC 風(fēng)電塔筒（H120 型）的基本概念，基于ABAQUS 有限元分析，考察了額定風(fēng)速工況下的塔架應(yīng)力、應(yīng)變和位移響應(yīng)情況。 采用FE.SAFE 軟件，從疲勞壽命、安全系數(shù)及疲勞失效概率等角度， 分析了UHPC風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命， 給出了塔筒的使用年限和安全系數(shù)建議取值。 本文為H120 型新型裝配式風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的評(píng)定提供了科學(xué)參考。

1 UHPC 節(jié)段拼裝風(fēng)電塔筒基本結(jié)構(gòu)

本文以120 m 典型高度（H120）的風(fēng)電塔筒為例， 其輪轂高度為123 m， 采用抗壓強(qiáng)度等級(jí)200 MPa 的新型UHPC 塔筒， 預(yù)制節(jié)段為錐形筒體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 塔筒自上而下分為三部分：頂部為鋼制轉(zhuǎn)接段，高度2 m，壁厚20 mm；中部和下部塔筒采用UHPC，高度為118 m，其中中部塔筒和鋼制轉(zhuǎn)接段連接， 高度98 m， 壁厚200 mm；下部塔筒高20 m，壁厚300 mm。 UHPC 塔筒之間通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)柔性連接?？紤]到運(yùn)輸需求，下部UHPC 塔筒豎向拆分為節(jié)段高度5 m 的若干段，節(jié)段間采用螺栓連接。塔筒在豎向整體上采用體外預(yù)應(yīng)力連接。 為了便于螺栓固定和預(yù)應(yīng)力束就位，在節(jié)段間增設(shè)環(huán)肋。 塔筒底端外徑為12 m，頂部外徑為3 m。

圖1 H120 型UHPC 塔筒組成示意圖Fig.1 Composition diagram of H120 UHPC tower

塔架所用UHPC 的密度、彈模、泊松比、塑性應(yīng)變分別為3 000 kg/m3，36 GPa，0.2，0.001 6。 預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860 七股鋼絞線， 直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，每個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道布設(shè)6束鋼絞線， 共計(jì)48 束。 H120 新型塔筒配套的3 MW 主機(jī)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示[11]。 應(yīng)用ABAQUS通用有限元軟件對(duì)額定風(fēng)速下的塔筒靜力性能進(jìn)行分析。

表1 風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of wind turbine

2 塔筒靜力性能分析

本文在ABAQUS 有限元建模過(guò)程中塔筒部分采用實(shí)體單元，材料參數(shù)如前所述，在Interaction 模塊中，節(jié)段間采用tie 綁定。 邊界條件為塔筒根部固定，在頂端施加重力載荷、塔頂三方向集中力以及頂部彎矩和塔筒風(fēng)載荷。 考慮到塔架過(guò)高過(guò)大，為優(yōu)化網(wǎng)格劃分，在對(duì)塔架切割后，采用結(jié)構(gòu)和掃略?xún)煞N方式對(duì)塔架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 塔架有限元（FEM）模型如圖2 所示。 塔筒頂部輸入載荷值如表2 所示。

圖2 塔架分網(wǎng)圖與加載圖Fig.2 Tower mesh diagram and loading diagram

表2 額定風(fēng)速下的塔筒頂部載荷Table 2 Loads on the top of the tower under rated wind

在額定風(fēng)速下， 塔筒應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 塔筒節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of tower joint

額定風(fēng)速下， 沿塔筒高度范圍內(nèi)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的應(yīng)力結(jié)果如表3 所示。 其中，σw為迎風(fēng)面最大主應(yīng)力，σl為背風(fēng)面最大主應(yīng)力，U 為側(cè)向位移，fuc為UHPC 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，U/H 為相對(duì)側(cè)移。 考察3 種UHPC 抗拉強(qiáng)度級(jí)別， 即UHT-Ⅰ（fut-Ⅰ=4.2 MPa），UHT-Ⅱ（fut-Ⅱ=6.4 MPa）和UHT-Ⅲ（fut-Ⅲ=10.0 MPa）對(duì)應(yīng)的迎風(fēng)面（塔筒彎拉側(cè)）應(yīng)力水平。結(jié)果表明；迎風(fēng)面應(yīng)力水平最大位于標(biāo)高40～50 m， 采用UHT-Ⅱ和UHT-Ⅲ的最大拉應(yīng)力水平分別為56.09%和35.90%， 滿足設(shè)計(jì)要求[12]；背風(fēng)面（塔筒彎壓側(cè)）最大壓應(yīng)力水平為14.64%，塔頂最大相對(duì)側(cè)向位移為0.39%，滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

表3 額定風(fēng)速下的塔筒節(jié)段應(yīng)力、應(yīng)變和位移響應(yīng)Table 3 Stress, strain and displacement results under the rated wind load

續(xù)表3

3 塔筒結(jié)構(gòu)疲勞有限元分析

3.1 塔筒疲勞驗(yàn)算基本流程

風(fēng)電混凝土塔筒疲勞壽命可按以下流程進(jìn)行計(jì)算。

①獲取塔筒混凝土材料性能、 幾何形狀、加載歷程等信息，根據(jù)靜力分析求出塔筒外表面相應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力譜，通過(guò)有限元靜強(qiáng)度分析判斷結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)位置。FE.SAFE 基于載荷時(shí)間歷程和單位載荷應(yīng)力張量的乘積，計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的6 個(gè)應(yīng)力張量的時(shí)間歷程。 設(shè)置FE.SAFE 數(shù)據(jù)集的載荷工況和彈性應(yīng)力分別為PFE和SFE，載荷時(shí)間歷程P（t）中的數(shù)據(jù)點(diǎn)值為PK，則節(jié)點(diǎn)上的彈性應(yīng)力和彈性應(yīng)變的時(shí)間歷程可分別按式（1），（2）計(jì)算。

基于多軸Neuber 準(zhǔn)則，在得到各單元面上的主應(yīng)力時(shí)間歷程后， 可用材料記憶算法得到循環(huán)屈服載荷引起的彈塑性應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變值，進(jìn)而得到循環(huán)載荷下的節(jié)點(diǎn)雙軸應(yīng)力狀態(tài)的本構(gòu)關(guān)系。對(duì)于單一載荷時(shí)間歷程，節(jié)點(diǎn)上的主應(yīng)力方向不變。

②獲取工作載荷譜。對(duì)于隨機(jī)載荷歷程，危險(xiǎn)點(diǎn)的隨機(jī)載荷譜可用雨流計(jì)數(shù)法等效轉(zhuǎn)換為變幅載荷譜。

③塔筒的疲勞壽命。 根據(jù)材料疲勞壽命曲線假設(shè)和載荷譜，采用Miner 準(zhǔn)則（線性損傷累積準(zhǔn)則）計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的疲勞壽命。

構(gòu)件在反復(fù)作用下的損傷， 隨著應(yīng)力循環(huán)線性累積，當(dāng)損傷達(dá)到臨界值時(shí)，發(fā)生疲勞破壞。 當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到k 個(gè)不同應(yīng)力水平的變幅循環(huán)載荷作用時(shí)， 若發(fā)生了ni個(gè)應(yīng)力水平為Δσi的循環(huán)，且每一個(gè)Δσi下發(fā)生了Ni次疲勞循環(huán)，其中，單次循環(huán)損傷為1/Ni，那么，每個(gè)應(yīng)力水平下的ni個(gè)循環(huán)的總損傷Di=ni/Ni。疲勞破壞的極限是累計(jì)損傷為1，即：

對(duì)于給定設(shè)計(jì)壽命，F(xiàn)E.SAFE 可通過(guò)迭代給出相應(yīng)的應(yīng)力因子，也即安全系數(shù)。雨流計(jì)數(shù)法為FE.SAFE 的內(nèi)核，可分析疲勞載荷信號(hào)。FE.SAFE實(shí)現(xiàn)了疲勞壽命計(jì)算可視化， 通過(guò)三維云圖可以直觀地顯示出對(duì)數(shù)壽命和給定壽命的安全系數(shù)，對(duì)比分析預(yù)計(jì)值和設(shè)計(jì)要求值，評(píng)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文采用ABAQUS/FE.SAFE 對(duì)H120 風(fēng)電塔筒和疲勞壽命進(jìn)行分析。

3.2 H120 節(jié)段拼裝風(fēng)電塔筒疲勞有限元分析

FE.SAFE 可讀取靜力有限元分析結(jié)果，比如單位載荷或?qū)嶋H工作載荷下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)溫度等， 進(jìn)而將結(jié)果迭代生成工作應(yīng)力時(shí)間歷程， 或換算成特定類(lèi)型載荷作用下的彈塑性應(yīng)力。 從材料庫(kù)中選取相應(yīng)的材料，完成疲勞數(shù)據(jù)的定義。

直接將基于ABAQUS 的風(fēng)力機(jī)塔架靜力性能的分析計(jì)算結(jié)果的odb 文件導(dǎo)入FE.SAFE 中，編輯載荷譜，使塔架結(jié)構(gòu)應(yīng)用此載荷歷程。計(jì)算塔筒在疲勞載荷下的使用壽命、安全系數(shù)及失效概率。

①材料屬性定義。 考慮到塔筒在疲勞載荷作用下，混凝土應(yīng)力水平較低，選用FE.SAFE 材料庫(kù)中的通用材料SAE950C 近似模擬塔筒的疲勞性能；②繪制材料的S-N 曲線圖（圖4）；③在load模塊中分別添加從ABAQUS 導(dǎo)出的載荷數(shù)據(jù)和S-N 曲線圖；④在fatigue from FEA 中設(shè)置完分析步，即可開(kāi)始分析。在抽樣頻率為1/h 的前提下，計(jì)算得到的塔架載荷譜見(jiàn)圖5。

圖4 材料疲勞壽命曲線Fig.4 Material fatigue life curve

圖5 FE-SAFE 載荷譜設(shè)置與疲勞載荷譜Fig.5 FE-SAFE load spectrum setting and fatigue load spectrum

4 驗(yàn)算結(jié)果

將得到的疲勞分析結(jié)果文件導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行后處理，分析疲勞壽命和安全系數(shù)。 在上述載荷譜作用下，UHPC 塔筒的疲勞壽命及連接段的疲勞壽命（局部放大）云圖如圖6 所示，塔筒的安全系數(shù)及失效概率分別如圖7、圖8 所示。

圖6 塔筒疲勞壽命云圖及局部放大云圖Fig.6 Tower fatigue life and local enlarged nephograms

圖7 塔筒疲勞安全系數(shù)圖Fig.7 Fatigue safety factor diagram of tower

圖8 塔筒疲勞失效概率云圖Fig.8 Tower failure probability nephograms

由圖6 可見(jiàn)，在載荷譜作用下，塔架最小壽命發(fā)生在UHPC 上部塔筒和下部塔筒過(guò)渡變錐度區(qū)域， 說(shuō)明疲勞累積損傷對(duì)H120 型塔筒錐度變化敏感，塔筒的最大對(duì)數(shù)疲勞壽命為7，即塔筒的疲勞壽命為107次。 定義疲勞安全系數(shù)為疲勞計(jì)算壽命和設(shè)計(jì)壽命之比，即疲勞可靠度，由圖7 可知，其最大值和最小值分別為2 和0.5。 由圖8 可知，塔筒的最大失效概率為1%，滿足設(shè)計(jì)要求。塔筒的變截面局部區(qū)域和迎風(fēng)面處均有裂縫產(chǎn)生，因此，建議對(duì)塔架連接處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括局部調(diào)整截面錐度或者采用局部組合截面設(shè)計(jì)，降低局部區(qū)域的應(yīng)力水平， 提高塔筒局部疲勞性能。

5 結(jié)論

①本文以H120 風(fēng)電UHPC 塔筒為案例，基于ABAQUS 有限元分析方法，考察了額定風(fēng)速下迎風(fēng)面和背風(fēng)面塔筒應(yīng)力水平， 以及塔頂?shù)南鄬?duì)側(cè)移， 獲得了基于UHC200 下的3 個(gè)抗拉強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的UHPC 最大應(yīng)力水平響應(yīng)值及其范圍，為H120 型UHPC 風(fēng)電塔筒方案的深化設(shè)計(jì)和選材提供了依據(jù)。

②基于有限元FE.SAFE 開(kāi)展了塔筒疲勞載荷下的性能研究，驗(yàn)算了塔架疲勞壽命、安全系數(shù)及失效概率， 給出了H120 型UHPC 塔筒使用壽命和安全系數(shù)值， 以及疲勞損傷在變錐度塔筒局部區(qū)域和塔筒迎風(fēng)面的集中分布規(guī)律， 為加強(qiáng)塔筒變錐度局部區(qū)域設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。