组合结构风电塔架灌浆连接段受力分析及设计方法

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风能已成为我国第二大可再生能源,在全球范围内越来越受到人们的重视。随着风机功率不断提高,对风电塔架的高度和承载能力提出了更高的要求。混凝土-钢组合结构塔架已成为超高风电塔架的主要发展趋势。混凝土-钢组合结构塔架是下部采用预制或现浇筑混凝土塔筒,上部为钢制塔筒的组合形式塔架。组合结构风电塔架中,其连接段起着重要的过渡作用。随着塔高的不断增加,传统连接方式存在法兰制作运输成本较高、存在应力集中和抗疲劳性能较差等问题。本文研究了新型灌浆连接方式在混凝土-钢组合结构风电塔架中的应用,首先总结了现有灌浆连接段的受力分析和计算方法,然后基于有限元软件ABAQUS对混凝土-钢组合结构灌浆连接段进行了一系列受力分析,提出了混凝土-钢组合结构风电塔架灌浆连接段接触压计算方法,通过参数化分析得到了不同构件尺寸灌浆连接段对力学性能的影响规律。首先,以150m混凝土-钢组合结构风电塔架为研究对象,建立了三维数值模型,分析了连接段各个部分的受力,并将其与传统海洋结构灌浆连接段力学性能计算结果进行对比,说明了由于结构的不同,即该新型结构灌浆连接段存在外侧混凝土,因此其受力存在新的特点,如果用现有规范对其进行评估,可能会高估该结构连接段的承载能力。然后,基于已建立的有限元模型,对外侧混凝土厚度进行了参数化分析,得到了接触压分布与外侧混凝土厚度的规律,即随着外侧混凝土变厚,连接段上侧受压部分接触压分布区域会逐渐变小,证明了外侧混凝土厚度对于连接段内力的影响。在此基础上基于平衡方程提出了适用于该类结构的接触压计算公式,为混凝土-钢组合结构连接段受力分析提供了一定的理论基础。最后,基于混凝土-钢组合结构风电塔架有限元模型模型,对连接段长度和灌浆厚度进行了参数化分析,得到了连接段长度和灌浆厚度对于灌浆连接段各部分受力的影响规律,并给出了相应的设计建议。
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