左晶晶 羅成喜 張景

中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 長沙 410014

引言

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架普遍采用鋼結(jié)構(gòu)形式。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量不斷增加，對塔架高度提出了更高要求。而更高的鋼塔架需要通過增大橫截面直徑或塔筒壁厚來滿足設(shè)計(jì)要求，由此帶來了經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸、可靠性、疲勞等多方面的問題，特別是南方山區(qū)風(fēng)場建設(shè)中，純鋼制塔筒不再是最佳選擇［1］。因此，一些研究人員開始重點(diǎn)研究鋼筋混凝土塔架［2］。

預(yù)應(yīng)力混凝土塔架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)其承載力、耐久性及經(jīng)濟(jì)性的多重要求，研究者對風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種類型的靜動(dòng)力分析。國內(nèi)外的研究中大都對混凝土塔筒進(jìn)行了簡化處理，將塔筒按照各個(gè)塔段進(jìn)行連接模擬，對塔門、法蘭盤等局部結(jié)構(gòu)不予考慮［3］。塔門作為風(fēng)機(jī)塔架的重要組成部分，對整體塔架的力學(xué)特性有著不可忽略的影響，是較容易失效部位。趙世林等［4］用工程算法和有限元法對有塔門的鋼制塔筒進(jìn)行了屈曲分析，重點(diǎn)研究了塔門處的局部缺陷對屈曲強(qiáng)度的影響。計(jì)算表明塔門的設(shè)置將大大增加塔筒的屈曲強(qiáng)度，不能忽略門洞的影響。因此，有必要開展混凝土塔架考慮門洞后的承載力驗(yàn)算。

目前針對考慮門洞的混凝土塔架的研究多采用有限元法，利用大型有限元分析軟件ANSYS或ABAQUS等進(jìn)行仿真計(jì)算。金濤等［5］以某鋼筋混凝土塔架為例，采用有限元方法研究了塔架在塔頂靜力荷載作用下塔身開洞對鋼筋混凝土塔頂位移的影響，未進(jìn)行深入分析。且其模擬的孔洞為方形結(jié)構(gòu)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中并不適用。畢繼紅［6］利用ABAQUS合理地模擬95m超高素混凝土、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土三種塔筒，分析在簡化荷載下的靜態(tài)響應(yīng)，研究塔門處的門洞對預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒的應(yīng)力影響和模態(tài)影響。

由于目前沒有專門針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組混凝土塔架的設(shè)計(jì)規(guī)范，本文參照《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2006）［7］、《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051—2013）［8］和美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI 307-08［9］進(jìn)行混凝土塔架門洞處界面極限狀態(tài)驗(yàn)算，并對比不同規(guī)范所采用計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 不同規(guī)范計(jì)算方法

1.1 理論公式

《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2006）6.3節(jié)（塔筒極限承載能力計(jì)算）指出，當(dāng)塔筒受壓區(qū)有一個(gè)孔洞時(shí)，混凝土塔筒水平截面極限承載力的計(jì)算可按規(guī)范中的公式進(jìn)行計(jì)算，公式考慮了預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后處于消壓狀態(tài)的影響。

《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051—2013）7.3節(jié)（煙囪筒壁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算）里指出，當(dāng)計(jì)算截面有一個(gè)孔洞時(shí)，鋼筋混凝土煙囪筒壁水平截面極限狀態(tài)承載能力可按規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，但沒有考慮預(yù)應(yīng)力的影響。

美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI 307-08第五章介紹了設(shè)計(jì)鋼筋混凝土煙囪壁的強(qiáng)度方法，煙囪壁水平截面的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等于名義強(qiáng)度乘以一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)，對于截面垂直強(qiáng)度，系數(shù)取值為0.7，環(huán)向強(qiáng)度取值為0.9。同樣未能考慮預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)壓應(yīng)力。

1.2 算例分析

本文以140m風(fēng)電機(jī)組鋼混塔架為例，整個(gè)混凝土塔架為變直徑變壁厚結(jié)構(gòu)。筒壁采用C60混凝土建造，沿塔架高度劃分為12個(gè)計(jì)算截面，30m混凝土段塔架幾何尺寸如圖1a所示，塔架沿壁內(nèi)豎向布置40束預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每束包含13根φs15.2低松弛鋼絞線，每束鋼筋的布置角度為9°。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為1300MPa，布置孔徑取為102mm。這些預(yù)應(yīng)力鋼筋束均位于塔筒壁中間，如圖1b所示，在混凝土塔架底部設(shè)置寬度1.2m、高度3.2m的門洞，其底端距離塔筒底部截面1.7m。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土塔架Fig.1 Diagram of reinforced concrete tower

本文采用EXCEL為計(jì)算工具，根據(jù)1.1節(jié)中推薦的3種規(guī)范計(jì)算方法得到該混凝土塔架在塔筒門洞截面處的極限承載力，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［10］，在計(jì)算過程中，考慮了預(yù)應(yīng)力束的預(yù)應(yīng)力損失，分別為：張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，約為58.04MPa；預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，約為5.66MPa；混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)、預(yù)應(yīng)力筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失，約為0MPa；預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，約為32.33MPa；混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失，約為80.28MPa。在確定預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失后，計(jì)算得到混凝土消壓時(shí)預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)力和有效預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的法向應(yīng)力，由此進(jìn)一步計(jì)算得到門洞截面處的抗彎承載力，見表1。

由表1的計(jì)算結(jié)果可知，不同規(guī)范計(jì)算方法所得到的門洞截面處的受彎承載力均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。按照《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》得到的結(jié)果較安全，冗余量大，計(jì)算結(jié)果偏于保守。由美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與中國設(shè)計(jì)規(guī)范差異較大，但是對于不同的荷載工況，截面抗彎承載力的變化趨勢基本一致。

對比3種不同的規(guī)范計(jì)算方法可知，決定截面抗彎承載力的有一個(gè)重要影響因素，即受壓區(qū)的半角系數(shù)α或ACI 308-08標(biāo)準(zhǔn)中采用的中性軸角度α。

3種計(jì)算抗彎承載力所采用的公式均為超越函數(shù)方程，如何精確求解α對計(jì)算結(jié)果有著重大的影響。中國規(guī)范中采用根據(jù)偏心率假定，依據(jù)塔筒門洞截面處靜力強(qiáng)度受壓承載力恰好等于軸向作用荷載，計(jì)算得到不同荷載工況下受壓區(qū)混凝土截面面積的占比，見圖2所示。ACI 308-08標(biāo)準(zhǔn)則按照混凝土應(yīng)變關(guān)系確定中性軸角度α。

由圖2可知，對于不同荷載工況，同一種規(guī)范計(jì)算得到的受壓區(qū)混凝土面積差別不大，而不同規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果不同。對于鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)軸向力一定時(shí)，偏心距越大，所需的配筋率就越大。即當(dāng)軸向力和配筋條件一定時(shí)，偏心距越大，截面的抗彎承載力越差，圖2所示的結(jié)果與這一變化規(guī)律相同。本文采用有限元分析方法，建立混凝土塔架的實(shí)體模型，模擬得到塔筒門洞截面處的受壓區(qū)混凝土面積，對比分析3種規(guī)范計(jì)算方法。

2 數(shù)值分析

2.1 有限元模型

本文采用ANSYS軟件建立了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架的簡易模型如圖3所示，在初步設(shè)計(jì)階段，不考慮塔筒門洞處的結(jié)構(gòu)配筋，僅建立彈性模型計(jì)算門洞截面處在靜力荷載作用下的混凝土受壓區(qū)范圍，作為規(guī)范計(jì)算方法結(jié)果的參考。本文模擬了14.27m高的混凝土段，混凝土采用solid 45單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link 8單元模擬。鋼筋兩端節(jié)點(diǎn)和混凝土進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)自由度耦合。混凝土塔底采用固端約束，塔頂中心建立了一個(gè)質(zhì)量單元便于施加荷載。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土塔架有限元模型Fig.3 FEM of reinforced concrete tower

分別對無門洞和有門洞兩種模型施加表1中荷載進(jìn)行有限元分析，采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力1300MPa，得到模型在塔架門洞截面位置處（截面3）的軸向應(yīng)力，如圖4所示，提取該截面處受壓節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力換算成應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)的等效面積，從而計(jì)算得到受壓混凝土截面面積與全截面面積的比值α，如圖5所示。同理，提取預(yù)應(yīng)力鋼筋的軸向應(yīng)力，并且計(jì)算出該截面處受拉豎向鋼筋截面面積與全部豎向鋼筋截面面積的比值αt，如圖6所示。

圖4 門洞截面處軸向應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.4 The axial stress nephogram of opening section（unit：Pa）

圖5 受壓混凝土截面面積占比αFig.5 The area ratio of compressive concrete，α

圖6 受拉豎向鋼筋截面占比αtFig.6 The area ratio of tensile vertical steel，αt

2.2 結(jié)果分析與對比

由圖5的數(shù)據(jù)可知，是否考慮門洞對計(jì)算受壓混凝土截面面積占比α的影響不大，兩者計(jì)算的數(shù)值基本接近?？梢娫凇陡呗柦Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用根據(jù)偏心率假定，不考慮孔洞的作用，依據(jù)截面處靜力強(qiáng)度受壓承載力恰好等于軸向作用荷載計(jì)算得到受壓區(qū)混凝土截面面積的占比α的假設(shè)具有一定的借鑒性?！陡呗柦Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中均推薦采用αt=1-1.5α來計(jì)算受拉區(qū)的半角系數(shù)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，線性擬合得到考慮門洞時(shí)，αt=-0.2025α+0.9854；不考慮門洞時(shí)，αt=-0.2558α+0.9967。這與規(guī)范中推薦的αt=1-1.5α出入較大，下文中仍采用規(guī)范中推薦的公式進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算。

將考慮門洞影響的數(shù)值分析結(jié)果與3種規(guī)范計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果對比可知，有限元模擬得到的受壓區(qū)混凝土截面面積占比α與《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果最接近，計(jì)算誤差低至0.02%，見表2。而其他兩種規(guī)范中推薦的計(jì)算方法結(jié)果與有限元分析結(jié)果相差大，誤差最大達(dá)到43.37%。

表2 考慮門洞影響的α值計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比Tab.2 The comparison of engineering algorithm with finite element analysis results

將有限元模擬得到的受壓區(qū)半角系數(shù)α和受拉區(qū)半角系數(shù)αt代入到3種規(guī)范公式中，得到預(yù)應(yīng)力混凝土塔架門洞截面處的抗彎承載力見表3。與表1結(jié)果對比可知，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的截面承載力變化不大，在每種荷載工況下結(jié)構(gòu)都是安全的。而美國ACI 307-08標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的截面抗彎承載能力下降，在荷載工況1和荷載工況5下不滿足要求。

表3 混凝土塔筒門洞截面處的受彎承載力有限元分析結(jié)果Tab.3 FEM analysis results of bearing capacity of reinforced concrete tower

3 結(jié)論

1.采用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土塔架門洞截面處的承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果接近，充分考慮了預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后處于消壓狀態(tài)的影響，但是未能考慮預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)壓應(yīng)力。

2.《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051—2013）和美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI 307-08這兩種規(guī)范推薦的計(jì)算方法并沒有單獨(dú)考慮預(yù)應(yīng)力筋的影響，將其視為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存在一定的缺陷性。

3.依據(jù)美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI 307-08計(jì)算的截面抗彎承載力偏低，與有限元模擬結(jié)果出入較大，是否適用于預(yù)應(yīng)力混凝土塔架門洞承載能力的驗(yàn)算還有待進(jìn)一步研究。

4.應(yīng)建立針對風(fēng)電機(jī)組混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)兼顧風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架作為高聳結(jié)構(gòu)和動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)兩種結(jié)構(gòu)具備的特征，保證機(jī)組在承受巨大的傾覆力矩的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)用量最少的要求，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。在此之前，本文推薦采用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行塔架門洞處的水平承載力驗(yàn)算。