风力发电机基塔设计算例

风力发电机塔基设计算例Tjjg1 设计概况风机塔的结构形式主要有钢、混凝土、预应力混凝土、钢/混凝土混合结构。为了对比采用不同结构体系风力发电机塔的经济技术指标，对装机容量为3.6MW、风机轴线高100m的钢管及预应力钢筋混凝土两种结构形式分别进行设计。其中钢塔的材料分别考虑Q235和Q390两种情况，混凝土塔采用C60。风力发电机设备荷载取自LWST PhaseProject Conceptual Design Study及WindPACT公开发布的研究报告。风力发电机塔的结构设计依据中华人民共和国颁布的现行设计规范及标准，主要包括：建筑地基基础设计规范（GB500072002）、混凝土结构设计规范（GB500102002）、建筑抗震设计规范（GB500112001）、钢结构设计规范（GB500172003）、建筑结构荷载规范（GB500092001）。两类钢塔（tower1、tower2）及预应力混凝土塔（tower3）的主要技术指标见表1。其中钢塔的设计控制荷载是风荷载组合，混凝土塔的设计控制荷载为地震效应组合。表 1Tower1（钢塔）Tower2（钢塔）Tower3（预应力混凝土塔）风机直径108.4m108.4m108.4m塔顶重量3155kN3155kN3155kN设计强度fy=205MPafy=335MPafcu=60MPa塔顶外径4.0m4.6m3.6m塔顶壁厚20mm25mm460mm中部外径5.6m6.2m5.6m中部壁厚32mm32mm610mm塔底外径7.6m8m7.9m塔底直径32mm32mm760mm塔身自重3671kN4320kN28335 kN塔顶侧移s1.542m1.094m0.506m塔顶侧移w1.655m1.106m0.568m自振频率0.322Hz0.358Hz0.454Hz基底轴力8191kN8191kN32121 kN基底剪力2159kN2213kN2310 kN基底弯矩230898kN.m232767 kN.m250627 kN.m塔底截面应力比0.5130.7712 钢塔设计钢塔的设计主要包括截面初选、模态分析、内力计算、截面验算、屈曲分析、疲劳验算等步骤。主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。机组拟建上海地区，抗震设防烈度为7度，基本风压设计值0.55kN/m2。而且与混凝土结构相比钢结构自重较小，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是风荷载。由于缺乏可信的组合系数，所以不考虑风机荷载的效应的组合，将其与地震作用、风荷载效应分别直接组合确定最不利设计内力。 2.1 设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作用。不考虑温度作用的影响。2.1.1 结构自重根据钢结构设计规范（GB500172003）本设计钢材密度取7800kg/m3，弹性模量Es200109 N/m2，Q235设计强度取205MPa、Q390设计强度取335MPa。由此计算的tower1和tower2的结构自重标准值分别为3059 kN、3600 kN。2.1.2 风机荷载风力发电机及其配套和附属设备传给塔身的荷载通常有设备厂商提供，有六个荷载分量确定。荷载包括了风机叶轮工作时承受的风压及离心力；风机传动轴的周期荷载；设备自重等。在风机塔设计中该荷载的影响很大，应该仔细研究其取值及和其它荷载的组合方法。本设计考虑极限风速（59.5m/s）时风机（3.6MW）荷载（LWST PhaseProject Conceptual Design Study）： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。其中x为顺风方向，y为侧向，z为满足右手规则的竖直方向。2.1.3 风荷载 通过长期的实践，人们认识到风对塔身的直接作用可以分速度、方向基本不变的稳定风和随机变化的脉动风。本设计采用建筑结构荷载规范（GB500092001）规定的风荷载计算方法考虑风对塔身的作用。具体方法是考虑风压随高度的变化，结构体型的影响，及风振的效应将风荷载等效为静力荷载，进而求得结构在风荷载下的响应。本设计不考虑横向风振作用。风荷载标准值 kzszo 基本风压o0.55 kN/m2。规范给出50年一遇的风压，它是根据空旷平坦地面，离地10m高处的10分钟平均风速计算而得。风压高度变化系数z按地面粗糙度B类根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考虑地面的摩擦，风压沿着高度会发生的变化。此处B类指的是田野、乡村、城郊等没有密集建筑群的场地。风荷载体型系数s根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表7.3.1查取。该系数主要修正建筑物外形对实际风压作用的影响。风振系数z根据建筑结构荷载规范（GB500092001）公式7.4.2计算。反应了脉动风作用下结构的动力响应，它与建筑物的固有参数（周期、振型）相关。根据上述方法计算所得风压沿塔高的分布如图1。图1 钢塔风压剖面图2.1.4 地震荷载地震是建筑物在服役期间需要考虑的主要自然灾害之一，虽然地震发生的几率比较小，但是一旦发生可能造成很大的破坏。因此，必须做好地震设防区建筑物的抗震设计工作。虽然当前对地震作用的认识还不十分清楚，但是实践证明按照考虑地震作用设计的建筑物对提高抗震能力有明显的效果。地震对建筑物的作用既与地震本身有关，也与结构自身的动力特性有关，所以风机塔的设计应该注意选择适当的自重和刚度，尽量减少地震力。本设计拟建在上海地区，根据建筑抗震设计规范（GB500112001），抗震设防烈度按7度考虑，场地为类。水平地震影响系数最大值按建筑抗震设计规范（GB500112001）表5.4.11取0.08，场地特征周期按建筑抗震设计规范（GB500112001）表5.4.12取0.65。2.1.5 荷载组合 风机塔在服役期间可能承受强风、地震、设备、温度等多种荷载的作用，但是这些荷载同时出现最大值的可能性比较小，所以有必要对在设计时对各种荷载进行适当的组合。建筑结构荷载规范（GB500092001）中对常见的情况做出了规定。恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4，地震荷载分项系数为1.3。风力发电机塔设计时比较特殊的是风机荷载，它既包括了设备自重，也包含了风机工作时传来的风压、离心力等动荷载，因此简单的将其作为恒载或者活载都不合适。由于缺乏可靠的依据确定其组合系数，这里将风机传来的重力作为恒载，弯矩及剪力作为活载，与地震、风荷载组合时不考虑折减（组合系数取1），这样做是偏于保守的。具体表达式如下：轴力组合：1.2结构自重1.2设备自重弯矩、剪力组合：1.2横恒载1.4风荷载1.4风机荷载1.2横恒载1.3地震荷载1.4风机荷载2.2 结构分析风机塔结构在风、地震、自重、设备等荷载作用下的响应既有静力问题，也有动力问题，这里采用有限元方法来求解。首先需要确定结构的自振频率（周期），要求其避开风力发电机的工作频段，以免引起共振响应。此外它也是计算风振和地震动效应的前提条件。需要考虑塔自重及塔顶设备的重量引起的二次效应。风荷载主要考虑第一振型的影响，地震内力计算时采用振型叠加法来计及高阶振型的影响。2.2.1 有限元模型对于高度不超过200m的塔桅结构可以将其离散为多自由度体系（2030个）来简化计算其结构固有参数和响应。结构的有限元分析采用SAP2000 V9软件，将风机塔沿高度离散为20段，采用梁单元模拟结构。结构可视作悬臂结构，以弯曲变形为主，不考虑基础的转动影响，采用固定端约束。由于塔顶集中有很大的荷载，计算过程中考虑P二次效应的影响。有限元模型见图。图2 风机塔有限元模型2.2.2 模态分析及结果结构的风荷载和地震荷载与其模态密切相关，对风机塔（顶部集中有风机及附属设备）进行振型分析，前三阶频率及振型见表1及图1、图2、图3。表 2阶 数 参 数123Tower1Tower2Tower1Tower2Tower1Tower2周期(s)3.1062.7950.5010.4630.1840.169频率(Hz)0.3220.3581.9982.1615.4225.909 图1 一阶振型 图2 二阶振型 图3 三阶振型2.2.3 内力计算及组合2.2.3.1 塔及风机荷载作用下结构内力表 3 内 力塔 号轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower18191515015221522193138115457Tower28970570715221522191613114063 图 tower1轴力图 图 tower1剪力图 图 tower1弯矩图 图 tower2轴力图 图 tower2剪力图 图 tower2弯矩图2.2.3.2 风荷载作用下结构内力表 3 内 力塔 号轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1819151506373973776010852Tower2897057076914364115416595 图 tower1剪力图 图 tower1弯矩图 图 tower2剪力图 图 tower2弯矩图2.2.3.3 地震作用下结构内力表 4 内 力塔 号轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1819151502762382403910775Tower2897057073433132923315831 图 tower1剪力图 图 tower1弯矩 图 tower2剪力图 图 tower2弯矩图2.2.3.4 内力组合表 5 内 力塔 号轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower1（Do=7.6m）地震作用8191515017981760217177126231风荷载8191515021591919230898126309Tower2（Do=8.0m）地震作用8970570718651818220846126825风荷载8970570722131958232767125876 注：Do为塔底直径 图 tower1剪力图（地震组合） 图 tower1弯矩（地震组合） 图 tower2剪力图（地震组合） 图 tower2弯矩（地震组合） 图 tower1剪力图（风组合） 图 tower1弯矩（风组合） 图 tower2剪力图（风组合） 图 tower2 弯矩（风组合）2.2.4 截面验算表 6 截面位置塔 号塔 底 截 面（风控制）中 部 截 面（风控制）Tower10.5130.866Tower20.7710.9272.3 结构屈曲分析风机塔的整体屈曲分析采用SAP2000 V9软件，考虑二阶效应后tower1和tower2的屈曲荷载系数分别为25.3、33.4，这里屈曲荷载系数等于结构屈曲荷载与施加荷载之比。满足整体屈曲的要求。结构的局部稳定通过控制塔身外径与壁厚比和构造要求来保证。2.4 使用极限状态疲劳验算 3 混凝土塔设计混凝土塔的设计主要包括步骤同样包括截面初选、模态分析、内力分析、截面验算等步骤。为了控制塔身的变形，保证正常使用状态下混凝土不开裂，这里选用预应力混凝土结构。主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。上海地区抗震设防为7度，基本风压设计值0.55kN/m2。但是由于混凝土结构的自重大，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是地震效应。 3.1设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作用。不考虑温度作用的影响。3.1.1结构自重混凝土密度2500kg/m3，弹性模量Es36000 N/mm2。采用C60混凝土，根据混凝土结构设计规范（GB500102002）抗压设计强度fc=27.5 N/mm2，抗拉设计强度为ft=2.04 N/mm2 (计算过程中，Sap2000可以自动考虑)。3.1.2 风机荷载风机荷载的取值及组合方法同钢塔。59.5m/s风速时风机（3.6MW）荷载： Fx636kN、 Fy881kN、 Mx14179kN.m、 My8950kN.m、Fz3155kN。3.1.3 风荷载风荷载标准值 kzszo 基本风压o0.55 kN/m2。规范给出50年一遇的风压，它是根据空旷平坦地面，离地10m高处的10分钟平均风速计算而得。风压高度变化系数z按地面粗糙度B类根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表7.2.1查取。z是考虑地面的摩擦，风压沿着高度会发生的变化。此处B类指的是田野、乡村、城郊等没有密集建筑群的场地。风荷载体型系数s根据建筑结构荷载规范（GB500092001）表7.3.1查取。该系数主要修正建筑物外形对实际风压作用的影响。风振系数z根据建筑结构荷载规范（GB500092001）公式7.4.2计算。反应了脉动风作用下结构的动力响应，它与建筑物的固有参数（周期、振型）相关。根据上述方法计算所得风压沿塔高的分布如图1。图1 混凝土塔风压剖面图3.1.4 地震荷载风力发电机拟建在上海地区，根据建筑抗震设计规范（GB500112001），抗震设防烈度按7度考虑，场地为类。水平地震影响系数最大值按建筑抗震设计规范（GB500112001）表5.4.11取0.08，场地特征周期按建筑抗震设计规范（GB500112001）表5.4.12取0.65。3.1.5 荷载组合轴力组合：1.2结构自重1.2设备自重弯矩、剪力组合：1.2横恒载1.4风荷载1.4风机荷载1.2横恒载1.3地震荷载1.4风机荷载3.2 结构分析混凝土塔在风、地震、自重、设备等荷载作用下的响应既有静力问题，也有动力问题，这里采用有限元方法来求解。首先需要确定结构的自振频率（周期），要求其避开风机的工作频段，以免引起共振响应。此外自振周期也是计算风振和地震动效应的前提条件。需要考虑塔自重及塔顶设备的重量引起的二次效应。风荷载主要考虑第一振型的影响，地震作用计算时采用振型叠加法来计及高阶振型的影响3.2.1 有限元模型结构的有限元分析采用SAP2000 V9软件，将风机塔沿高度离散为20段，采用梁单元模拟结构。考虑P二次效应的影响。3.2.2 模态分析及结果结构的风荷载和地震荷载与其模态密切相关，对风机塔（顶部集中有风机及附属设备）进行振型分析，前三阶频率及振型见表1及图1、图2、图3。塔的固有自振频率避开了风机的工作频率。表 4 模态123周期(s)2.2040.4830.185频率(Hz)0.4542.0705.405 图1 一阶振型 图2 二阶振型 图3 三阶振型3.2.3 内力计算及组合3.2.3.1 风机塔及设备自重、风荷载、地震荷载作用下的结构内力表 5 内 力荷载轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部自重321211354915221522191216113430风荷载3212113549512353288977629地震荷载32121135497896185941122895 图 tower3轴力图 图 tower3剪力图 图 tower3弯矩图 图 tower3剪力图 （地震） 图 tower3弯矩图（地震） 图 tower3剪力图 （风） 图 tower3弯矩图（风）3.2.3.2 内力组合表 5 内 力塔 号轴力设计值/kN剪力设计值/kN弯矩设计值/kN.m塔底中部塔底中部塔底中部Tower3（地震控制）地震作用321211354923102196250627136324风荷载321211354920341819220113121058 图 tower3剪力图 （地震组合） 图 tower3弯矩图（地震组合） 图 tower3剪力图 （风组合） 图 tower3弯矩图（风组合）3.2.4 截面验算表 6 截面位置塔 号塔 底 截 面（地震控制）中 部 截 面（地震控制）Tower3113.4 使用极限状态疲劳验算4 塔身特征尺寸及截面样图 图3 tower1图4 tower2图5 tower3