風力發(fā)電機基塔設計算例

風力發(fā)電機塔基設計算例Tjjg1 設計概況風機塔的結構形式主要有鋼、混凝土、預應力混凝土、鋼/混凝土混合結構。為了對比采用不同結構體系風力發(fā)電機塔的經(jīng)濟技術指標，對裝機容量為3.6MW、風機軸線高100m的鋼管及預應力鋼筋混凝土兩種結構形式分別進行設計。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。風力發(fā)電機設備荷載取自LWST PhaseProject Conceptual Design Study及WindPACT公開發(fā)布的研究報告。風力發(fā)電機塔的結構設計依據(jù)中華人民共和國頒布的現(xiàn)行設計規(guī)范及標準，主要包括：建筑地基基礎設計規(guī)范（GB500072002）、混凝土結構設計規(guī)范（GB500102002）、建筑抗震設計規(guī)范（GB500112001）、鋼結構設計規(guī)范（GB500172003）、建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）。兩類鋼塔（tower1、tower2）及預應力混凝土塔（tower3）的主要技術指標見表1。其中鋼塔的設計控制荷載是風荷載組合，混凝土塔的設計控制荷載為地震效應組合。表 1Tower1（鋼塔）Tower2（鋼塔）Tower3（預應力混凝土塔）風機直徑108.4m108.4m108.4m塔頂重量3155kN3155kN3155kN設計強度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塔頂側移s1.542m1.094m0.506m塔頂側移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塔底截面應力比0.5130.7712 鋼塔設計鋼塔的設計主要包括截面初選、模態(tài)分析、內(nèi)力計算、截面驗算、屈曲分析、疲勞驗算等步驟。主要荷載包括結構自重、風力發(fā)電機組荷載、風荷載、地震荷載。機組擬建上海地區(qū)，抗震設防烈度為7度，基本風壓設計值0.55kN/m2。而且與混凝土結構相比鋼結構自重較小，所以結構承載力極限狀態(tài)設計時起控制作用的是風荷載。由于缺乏可信的組合系數(shù)，所以不考慮風機荷載的效應的組合，將其與地震作用、風荷載效應分別直接組合確定最不利設計內(nèi)力。 2.1 設計荷載風機塔在使用過程中的設計荷載包括結構自重、風機荷載、風荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。2.1.1 結構自重根據(jù)鋼結構設計規(guī)范（GB500172003）本設計鋼材密度取7800kg/m3，彈性模量Es200×109 N/m2，Q235設計強度取205MPa、Q390設計強度取335MPa。由此計算的tower1和tower2的結構自重標準值分別為3059 kN、3600 kN。2.1.2 風機荷載風力發(fā)電機及其配套和附屬設備傳給塔身的荷載通常有設備廠商提供，有六個荷載分量確定。荷載包括了風機葉輪工作時承受的風壓及離心力；風機傳動軸的周期荷載；設備自重等。在風機塔設計中該荷載的影響很大，應該仔細研究其取值及和其它荷載的組合方法。本設計考慮極限風速（59.5m/s）時風機（3.6MW）荷載（LWST PhaseProject Conceptual Design Study）： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。其中x為順風方向，y為側向，z為滿足右手規(guī)則的豎直方向。2.1.3 風荷載 通過長期的實踐，人們認識到風對塔身的直接作用可以分速度、方向基本不變的穩(wěn)定風和隨機變化的脈動風。本設計采用建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）規(guī)定的風荷載計算方法考慮風對塔身的作用。具體方法是考慮風壓隨高度的變化，結構體型的影響，及風振的效應將風荷載等效為靜力荷載，進而求得結構在風荷載下的響應。本設計不考慮橫向風振作用。風荷載標準值 kzszo 基本風壓o0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風速計算而得。風壓高度變化系數(shù)z按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考慮地面的摩擦，風壓沿著高度會發(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。風荷載體型系數(shù)s根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實際風壓作用的影響。風振系數(shù)z根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）公式7.4.2計算。反應了脈動風作用下結構的動力響應，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關。根據(jù)上述方法計算所得風壓沿塔高的分布如圖1。圖1 鋼塔風壓剖面圖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，必須做好地震設防區(qū)建筑物的抗震設計工作。雖然當前對地震作用的認識還不十分清楚，但是實踐證明按照考慮地震作用設計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，也與結構自身的動力特性有關，所以風機塔的設計應該注意選擇適當?shù)淖灾睾蛣偠?，盡量減少地震力。本設計擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范（GB500112001），抗震設防烈度按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計規(guī)范（GB500112001）表5.4.11取0.08，場地特征周期按建筑抗震設計規(guī)范（GB500112001）表5.4.12取0.65。2.1.5 荷載組合 風機塔在服役期間可能承受強風、地震、設備、溫度等多種荷載的作用，但是這些荷載同時出現(xiàn)最大值的可能性比較小，所以有必要對在設計時對各種荷載進行適當?shù)慕M合。建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）中對常見的情況做出了規(guī)定。恒載分項系數(shù)取1.2，活載分項系數(shù)取1.4，地震荷載分項系數(shù)為1.3。風力發(fā)電機塔設計時比較特殊的是風機荷載，它既包括了設備自重，也包含了風機工作時傳來的風壓、離心力等動荷載，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)，這里將風機傳來的重力作為恒載，彎矩及剪力作為活載，與地震、風荷載組合時不考慮折減（組合系數(shù)取1），這樣做是偏于保守的。具體表達式如下：軸力組合：1.2結構自重1.2設備自重彎矩、剪力組合：1.2橫恒載1.4風荷載1.4風機荷載1.2橫恒載1.3地震荷載1.4風機荷載2.2 結構分析風機塔結構在風、地震、自重、設備等荷載作用下的響應既有靜力問題，也有動力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結構的自振頻率（周期），要求其避開風力發(fā)電機的工作頻段，以免引起共振響應。此外它也是計算風振和地震動效應的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設備的重量引起的二次效應。風荷載主要考慮第一振型的影響，地震內(nèi)力計算時采用振型疊加法來計及高階振型的影響。2.2.1 有限元模型對于高度不超過200m的塔桅結構可以將其離散為多自由度體系（2030個）來簡化計算其結構固有參數(shù)和響應。結構的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風機塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結構。結構可視作懸臂結構，以彎曲變形為主，不考慮基礎的轉動影響，采用固定端約束。由于塔頂集中有很大的荷載，計算過程中考慮P二次效應的影響。有限元模型見圖。圖2 風機塔有限元模型2.2.2 模態(tài)分析及結果結構的風荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關，對風機塔（頂部集中有風機及附屬設備）進行振型分析，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)力計算及組合2.2.3.1 塔及風機荷載作用下結構內(nèi)力表 3 內(nèi) 力塔 號軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/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 風荷載作用下結構內(nèi)力表 3 內(nèi) 力塔 號軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/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 地震作用下結構內(nèi)力表 4 內(nèi) 力塔 號軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/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 號軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1（Do=7.6m）地震作用8191515017981760217177126231風荷載8191515021591919230898126309Tower2（Do=8.0m）地震作用8970570718651818220846126825風荷載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（風組合） 圖 tower1彎矩（風組合） 圖 tower2剪力圖（風組合） 圖 tower2 彎矩（風組合）2.2.4 截面驗算表 6 截面位置塔 號塔 底 截 面（風控制）中 部 截 面（風控制）Tower10.5130.866Tower20.7710.9272.3 結構屈曲分析風機塔的整體屈曲分析采用SAP2000 V9軟件，考慮二階效應后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)等于結構屈曲荷載與施加荷載之比。滿足整體屈曲的要求。結構的局部穩(wěn)定通過控制塔身外徑與壁厚比和構造要求來保證。2.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗算 3 混凝土塔設計混凝土塔的設計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，這里選用預應力混凝土結構。主要荷載包括結構自重、風力發(fā)電機組荷載、風荷載、地震荷載。上海地區(qū)抗震設防為7度，基本風壓設計值0.55kN/m2。但是由于混凝土結構的自重大，所以結構承載力極限狀態(tài)設計時起控制作用的是地震效應。 3.1設計荷載風機塔在使用過程中的設計荷載包括結構自重、風機荷載、風荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。3.1.1結構自重混凝土密度2500kg/m3，彈性模量Es36000 N/mm2。采用C60混凝土，根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范（GB500102002）抗壓設計強度fc=27.5 N/mm2，抗拉設計強度為ft=2.04 N/mm2 (計算過程中，Sap2000可以自動考慮)。3.1.2 風機荷載風機荷載的取值及組合方法同鋼塔。59.5m/s風速時風機（3.6MW）荷載： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。3.1.3 風荷載風荷載標準值 kzszo 基本風壓o0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風速計算而得。風壓高度變化系數(shù)z按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考慮地面的摩擦，風壓沿著高度會發(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。風荷載體型系數(shù)s根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實際風壓作用的影響。風振系數(shù)z根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范（GB500092001）公式7.4.2計算。反應了脈動風作用下結構的動力響應，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關。根據(jù)上述方法計算所得風壓沿塔高的分布如圖1。圖1 混凝土塔風壓剖面圖3.1.4 地震荷載風力發(fā)電機擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范（GB500112001），抗震設防烈度按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計規(guī)范（GB500112001）表5.4.11取0.08，場地特征周期按建筑抗震設計規(guī)范（GB500112001）表5.4.12取0.65。3.1.5 荷載組合軸力組合：1.2結構自重1.2設備自重彎矩、剪力組合：1.2橫恒載1.4風荷載1.4風機荷載1.2橫恒載1.3地震荷載1.4風機荷載3.2 結構分析混凝土塔在風、地震、自重、設備等荷載作用下的響應既有靜力問題，也有動力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結構的自振頻率（周期），要求其避開風機的工作頻段，以免引起共振響應。此外自振周期也是計算風振和地震動效應的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設備的重量引起的二次效應。風荷載主要考慮第一振型的影響，地震作用計算時采用振型疊加法來計及高階振型的影響3.2.1 有限元模型結構的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風機塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結構?？紤]P二次效應的影響。3.2.2 模態(tài)分析及結果結構的風荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關，對風機塔（頂部集中有風機及附屬設備）進行振型分析，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機的工作頻率。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)力計算及組合3.2.3.1 風機塔及設備自重、風荷載、地震荷載作用下的結構內(nèi)力表 5 內(nèi) 力荷載軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部自重321211354915221522191216113430風荷載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） 圖 tower3彎矩圖（風）3.2.3.2 內(nèi)力組合表 5 內(nèi) 力塔 號軸力設計值/kN剪力設計值/kN彎矩設計值/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 （風組合） 圖 tower3彎矩圖（風組合）3.2.4 截面驗算表 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)疲勞驗算4 塔身特征尺寸及截面樣圖 圖3 tower1圖4 tower2圖5 tower3