(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211100；2.國家電投集團(tuán) 江蘇新能源有限公司，江蘇 鹽城 224000；3.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

作為一種蘊(yùn)藏豐富，分布廣泛的可再生清潔能源，風(fēng)能引起了世界各國，尤其是發(fā)達(dá)國家的關(guān)注，大量資金的引入使得風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，成為了目前可再生能源的重要組成部分。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，配套的葉輪直徑和輪轂高度也隨之增大，呈現(xiàn)出大容量、長葉片、高塔筒的發(fā)展趨勢(shì)。鋼結(jié)構(gòu)-混凝土組合的結(jié)構(gòu)形式不僅有利于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架剛度、增加塔架的阻尼比，而且可以解決純鋼管式塔架的運(yùn)輸問題，又能避免混凝土塔段高度太大而導(dǎo)致的模板費(fèi)用過高及施工周期過長，已被投入到風(fēng)電機(jī)組的建設(shè)中[1]。典型鋼結(jié)構(gòu)-混凝土組合的混合塔架由上部的標(biāo)準(zhǔn)鋼筒及下部的預(yù)制混凝土塔段組成。各混凝土塔段由多片預(yù)制板材拼合而成，其高度及組合形式都可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。各混凝土塔段首尾銜接，通過預(yù)應(yīng)力鋼纜進(jìn)行連接并與地基相固定。然而對(duì)于分片式混凝土塔架，雖然混凝土分片之間的縱縫和水平縫通過高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行連接，但由于受到施工工期等現(xiàn)場(chǎng)因素限制，大多數(shù)的分片式混凝土塔架縱縫和水平縫處鋼筋無法貫通。領(lǐng)域內(nèi)不少學(xué)者對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行了研究[2-4]，但針對(duì)鋼筋連續(xù)性對(duì)分片式混凝土塔架結(jié)構(gòu)性能影響的研究較少，本文以江蘇省鹽城某2.2 MW鋼-混凝土混合式塔架為例，采用有限元軟件ABAQUS建立混凝土塔段、混凝土基礎(chǔ)及地基土的整體模型，對(duì)比分析各混凝土分片間鋼筋連續(xù)性對(duì)塔架承載力和自振頻率的影響。

1 工程案例

研究對(duì)象為國家電投響水大有風(fēng)電項(xiàng)目工程2.2 MW風(fēng)電機(jī)組鋼-混凝土混合式塔架。塔架上部為鋼制塔筒，下部為混凝土塔段，通過無粘結(jié)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線將鋼塔筒和混凝土塔段進(jìn)行連接，鋼絞線下端錨固于混凝土基礎(chǔ)柱墩下表面。塔架總高120 m，混凝土塔底面標(biāo)高+0.400 m，上頂面標(biāo)高32.41 m，底部外徑7.764 m，頂部外徑4.54 m，共分為9節(jié)塔段，每節(jié)塔段分為2片進(jìn)行澆筑。基礎(chǔ)部分采用板式承臺(tái)+樁基礎(chǔ)，其中承臺(tái)直徑18 m，埋深3.75 m，樁為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，外徑500 mm，內(nèi)徑300 mm?；A(chǔ)混凝土等級(jí)C40，管樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，塔架混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，鋼筋采用HRB400，墊板、門框采用Q345鋼，水平縫、豎縫采用高強(qiáng)灌漿料。

2 有限元模型

采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行建模分析。建模中，由于水平縫、豎縫中高強(qiáng)灌漿料材料性能均高于C60混凝土材料性能，偏于安全地對(duì)混凝土采用整體建模。地基土、混凝土管樁、墊層、基礎(chǔ)、混凝土塔段、墊圈和鋼塔筒采用六面體實(shí)體單元C3D8，鋼筋采用三維桿單元T3D2，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用三維梁單元B31。

分析混凝土塔架承載力時(shí)，針對(duì)混凝土塔段鋼筋在縱縫和水平縫處貫通和斷開2種情況分別建立模型(下文簡稱“鋼筋貫通模型”和“鋼筋斷開模型”)，考慮地基土、混凝土管樁、墊層、基礎(chǔ)、混凝土塔段、墊圈和部分鋼塔筒的相互作用，地基土、墊層、基礎(chǔ)以及混凝土塔段、墊圈、鋼塔筒間采用庫倫接觸約束，鋼筋采用Embedded region約束，地基土體寬度和深度分別取為基礎(chǔ)直徑的4倍和3倍，在管樁底面和地基土體底面和側(cè)面施加約束，在鋼塔筒頂面圓心處建立參考點(diǎn)，與塔筒頂面所有節(jié)點(diǎn)x、y、z3個(gè)方向平動(dòng)自由度耦合，根據(jù)風(fēng)機(jī)供應(yīng)商提供的風(fēng)機(jī)塔架載荷報(bào)告，將各工況下彎矩、扭矩和豎向力(見表1)施加在參考點(diǎn)及混凝土塔筒表面。

分析塔架結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，建立鋼筋貫通模型和鋼筋斷開模型，忽略地基土、墊層及管樁影響，考慮部分混凝土基礎(chǔ)、混凝土塔段和鋼塔筒的相互作用，在混凝土基礎(chǔ)底面施加約束，并考慮鋼塔筒底面的附加集中質(zhì)量(見圖1)。

圖1 整體有限元模型

圖2 混凝土塔段鋼筋有限元模型(剖視圖)

混凝土本構(gòu)模型采用ABAQUS自帶的損傷塑性模型(CDP)進(jìn)行分析。該本構(gòu)模型根據(jù)文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出的損傷塑性模型確定，能考慮混凝土拉壓性能的差異以及低靜力壓力水平下由損傷引起的不可恢復(fù)的材料退化，其本構(gòu)關(guān)系見圖3(以C40混凝土為例)。鋼筋及鋼材采用理想彈塑性模型，地基土采用線彈性本構(gòu)?；炷炼雾敳枯d荷見表1?；炷?、鋼材及地基土的物理力學(xué)參數(shù)分別如表2～表4所示。

圖3 C40混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及損傷因子-應(yīng)變曲線

表1 混凝土段頂部載荷

表2 混凝土物理力學(xué)參數(shù)

表3 鋼材物理力學(xué)參數(shù)

表4 地基土物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 承載力極限狀態(tài)

承載力極限狀態(tài)下混凝土塔段豎向應(yīng)力云圖如圖4所示?；炷了呜Q向應(yīng)力整體呈迎風(fēng)側(cè)低背風(fēng)側(cè)高分布，應(yīng)力水平由背風(fēng)側(cè)向迎風(fēng)側(cè)降低，符合懸臂構(gòu)件在彎矩作用下的應(yīng)力分布規(guī)律。對(duì)于鋼筋貫通模型，除頂部塔段局部區(qū)域外，整體上混凝土塔筒全截面受壓，大部分區(qū)域豎向壓應(yīng)力水平為2.29～16.04 MPa，低于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB50010—2010，下文簡稱“混凝土規(guī)范”)中C60混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度27.5 MPa；頂部塔段應(yīng)力分布較復(fù)雜，迎風(fēng)側(cè)外立面局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力水平為0～2.54 MPa，超出混凝土規(guī)范中C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.04 MPa，但仍低于C60混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 MPa，背風(fēng)側(cè)頂面壓應(yīng)力水平較高(22.91～25.21 MPa)，低于C60混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)于鋼筋斷開模型，應(yīng)力分布情況與鋼筋貫通模型大致相同，但由于縱向鋼筋在水平縫中斷開，豎向鋼筋所承擔(dān)的豎向預(yù)應(yīng)力及外部荷載引起的豎向應(yīng)力較小，而混凝土所承擔(dān)的較大，在承載力極限狀態(tài)下，混凝土豎向壓應(yīng)力水平較鋼筋貫通模型高，頂部塔段迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力的區(qū)域也較小。由圖5可以看出，豎向鋼筋Mises應(yīng)力水平呈現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)低背風(fēng)側(cè)高的規(guī)律分布，由于鋼筋貫通模型的鋼筋在水平縫處保持連續(xù)，豎向傳力性能較好，所承擔(dān)的豎向應(yīng)力較大，豎向鋼筋應(yīng)力水平整體較鋼筋斷開模型高；背風(fēng)側(cè)頂部塔段的鋼筋應(yīng)力水平最高，鋼筋貫通模型和鋼筋斷開模型分別為138.01 MPa和135.77 MPa。

圖4 承載力極限狀態(tài)下混凝土塔段豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖5 承載力極限狀態(tài)下鋼筋Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.2 正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)混凝土塔段豎向應(yīng)力云圖及水平位移云圖如圖6和圖7所示?；炷了呜Q向應(yīng)力分布與承載力極限狀態(tài)下的豎向應(yīng)力分布類似。對(duì)于鋼筋貫通模型，除頂部塔段局部區(qū)域外，整體上混凝土塔筒全截面受壓，滿足混凝土規(guī)范中一級(jí)裂縫控制要求，大部分區(qū)域豎向壓應(yīng)力水平為1.88～13.13 MPa，滿足混凝土規(guī)范中關(guān)于預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下截面壓應(yīng)力的要求；混凝土塔段最大水平位移為25.28 mm，與混凝土塔段總高度之比為0.000 79，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](GB50135—2006，下文簡稱“高聳規(guī)范”)中對(duì)于自立塔水平位移的要求。對(duì)于鋼筋斷開模型，應(yīng)力分布情況與鋼筋貫通模型大致相同，但由于縱向鋼筋在水平縫中斷開，結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)較低，塔筒頂部最大水平位移較鋼筋貫通模型更大，最大水平位移為25.33 mm，滿足高聳規(guī)范的要求。

圖6 正常使用極限狀態(tài)下混凝土塔段豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 正常使用極限狀態(tài)下混凝土塔段水平位移云圖(單位：mm)

3.3 模態(tài)分析

預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合式塔筒整體結(jié)構(gòu)前6階振型如圖8所示，各階自振頻率如表5所示。整體結(jié)構(gòu)振型與一般懸臂結(jié)構(gòu)類型，主要為彎曲振型。雖然整體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但由于塔筒頂部集中質(zhì)量位置與結(jié)構(gòu)平面中心不重合，因此第一和第二階，第三和第四階，第五和第六階雖然為正交振型，但自振頻率均存在一定差值，且隨著階數(shù)提高差值逐漸增大。由表5可以得出，鋼筋在縱縫和水平縫的不連續(xù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低，與鋼筋貫通模型相比，除第一、二階外鋼筋斷開模型的各階自振頻率較低，且階數(shù)越高頻率降低越明顯；但由于頻率降低值較小(0～0.002 1 Hz)，可以認(rèn)為對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能的影響可以忽略。

圖8 整體結(jié)構(gòu)前6階振型圖

表5 整體結(jié)構(gòu)前6階自振頻率 Hz

4 結(jié)論

以實(shí)際工程案例為背景，建立了分片式預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合式塔架與基礎(chǔ)及地基土的一體化有限元模型，對(duì)比鋼筋在分縫處貫通及斷開2種情況的分析結(jié)果，研究了鋼筋連續(xù)性對(duì)分片式預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合式塔架承載力和模態(tài)參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

(1)頂部混凝土塔段應(yīng)力分布情況復(fù)雜，迎風(fēng)側(cè)外表面出現(xiàn)了豎向拉應(yīng)力區(qū)，混凝土開裂后拉應(yīng)力由鋼筋承受，鋼筋的應(yīng)力水平仍較低。

(2)由于混凝土塔段在豎向預(yù)應(yīng)力作用下基本處于受壓狀態(tài)，鋼筋在分縫處的連續(xù)性對(duì)分片式預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合塔架的承載力和模態(tài)參數(shù)影響很小，驗(yàn)證了該類結(jié)構(gòu)具有良好的整體性，為分片式預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合式塔架整體性的研究提供了工程實(shí)例和有限元分析依據(jù)，為工程設(shè)計(jì)中采用更靈活的分片方式奠定了基礎(chǔ)；

(3)對(duì)分片式預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土混合式塔架進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，可采用建模更為方便的鋼筋貫通模型。