風力發(fā)電機基塔設計算例

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1、風力發(fā)電機塔基設計算例 Tjjg 1 設計概況 風機塔的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼、混凝土、預應力混凝土、鋼/混凝土混合結(jié)構(gòu)。為了對比采用不同結(jié)構(gòu)體系風力發(fā)電機塔的經(jīng)濟技術(shù)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(jié)構(gòu)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 PhaseⅠProject Conceptual Design Study及WindPACT公開發(fā)布的研究報告。 風力發(fā)電機塔的結(jié)構(gòu)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（GB5000

2、7－2002）、混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50010－2002）、建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－2001）、鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50017－2003）、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）。 兩類鋼塔（tower1、tower2）及預應力混凝土塔（tower3）的主要技術(shù)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 1 Tower1（鋼塔） Tower2（鋼塔） Tower3（預應力混凝土塔） 風機直徑 108.4m 108.4m 108.4m 塔頂重量 3155kN 3155kN 3155kN 設計強度

3、 fy=205MPa fy=335MPa fcu=60MPa 塔頂外徑 4.0m 4.6m 3.6m 塔頂壁厚 20mm 25mm 460mm 中部外徑 5.6m 6.2m 5.6m 中部壁厚 32mm 32mm 610mm 塔底外徑 7.6m 8m 7.9m 塔底直徑 32mm 32mm 760mm 塔身自重 3671kN 4320kN 28335 kN 塔頂側(cè)移s 1.542m 1.094m 0.506m 塔頂側(cè)移w 1.655m 1.106m 0.568m 自振頻率 0.322Hz 0.358Hz 0.4

4、54Hz 基底軸力 8191kN 8191kN 32121 kN 基底剪力 2159kN 2213kN 2310 kN 基底彎矩 230898kN.m 232767 kN.m 250627 kN.m 塔底截面 應力比 0.513 0.771 2 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)自重較小，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設計時起控制作用的是風荷載

5、。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。

6、 2.1 設計荷載 風機塔在使用過程中的設計荷載包括結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50017－2003）本設計鋼材密度取ρ＝7800kg/m3，彈性模量Es＝200×109 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(jié)構(gòu)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

7、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 PhaseⅠProject Conceptual Design Study）： Fx＝636kN、 Fy＝881kN、 Mx＝14179kN.m、 My＝8950kN.m、Fz＝3155kN。其中x為順風方向，y為側(cè)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

8、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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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 ωk＝βzμsμzωo 基本風壓ωo＝0.55 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)μz按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）表7.2.1查取。μz是考慮地面的摩擦，風壓沿著高度會發(fā)生的

9、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)μs根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）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)βz根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）公式7.4.2計算。反應了脈動風作用下結(jié)構(gòu)的動力響應，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。 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

10、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(guān)，也與結(jié)構(gòu)自身的動力特性有關(guān)，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（GB50011－2001），抗震設防烈度按7度考慮，場地為Ⅳ類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－1取0.08，場地特征周期按建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－2取0.65。 2.1.5 荷載組合 風機塔在服役期間可能

11、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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）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：

12、 1.2結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析 風機塔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以

13、將其離散為多自由度體系（20～30個）來簡化計算其結(jié)構(gòu)固有參數(shù)和響應。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可視作懸臂結(jié)構(gòu)，以彎曲變形為主，不考慮基礎的轉(zhuǎn)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(jié)果 結(jié)構(gòu)的風荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，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) 1 2 3 Tower1 Tower

14、2 Tower1 Tower2 Tower1 Tower2 周期(s) 3.106 2.795 0.501 0.463 0.184 0.169 頻率(Hz) 0.322 0.358 1.998 2.161 5.422 5.909 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(jié)構(gòu)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/k

15、N.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower1 8191 5150 1522 1522 193138 115457 Tower2 8970 5707 1522 1522 191613 114063 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

16、載作用下結(jié)構(gòu)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 Tower1 8191 5150 637 397 37760 10852 Tower2 8970 5707 691 436 41154 16595 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩圖 圖 tower2剪力圖

17、 圖 tower2彎矩圖 2.2.3.3 地震作用下結(jié)構(gòu)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 Tower1 8191 5150 276 238 24039 10775 Tower2 8970 5707 343 313 29233 15831 圖 tower1剪力圖

18、 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 8191 5150 1798 1760 217177 126231 風荷載 8191 5150 2159 1919 23089

19、8 126309 Tower2 （Do=8.0m） 地震作用 8970 5707 1865 1818 220846 126825 風荷載 8970 5707 2213 1958 232767 125876 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）

20、 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） Tower1 0.513 0.866 Tower2 0.771 0.927 2.3 結(jié)構(gòu)屈曲分析 風機塔的整體屈曲

21、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(jié)構(gòu)屈曲荷載與施加荷載之比。滿足整體屈曲的要求。 結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定通過控制塔身外徑與壁厚比和構(gòu)造要求來保證。 2.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗算

22、

23、 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(jié)構(gòu)。主要荷載包括結(jié)構(gòu)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

24、防為7度，基本風壓設計值0.55kN/m2。但是由于混凝土結(jié)構(gòu)的自重大，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設計時起控制作用的是地震效應。

25、 3.1設計荷載 風機塔在使用過程中的設計荷載包括結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重 混凝土密度ρ＝2500kg/m3，彈性模量Es＝36000 N/mm2。采用C60混凝土，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50010－2002）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（

26、3.6MW）荷載： Fx＝636kN、 Fy＝881kN、 Mx＝14179kN.m、 My＝8950kN.m、Fz＝3155kN。 3.1.3 風荷載 風荷載標準值 ωk＝βzμsμzωo 基本風壓ωo＝0.55 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)μz按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）表7.2.1查取。μz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)μs根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－20

27、01）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)βz根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）公式7.4.2計算。反應了脈動風作用下結(jié)構(gòu)的動力響應，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。 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（GB50011－2001），抗震設防烈度按7度考慮，場地為Ⅳ類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－1取0.08，場地特征周期按建筑抗震設計規(guī)范（GB50011－

28、2001）表5.4.1－2取0.65。 3.1.5 荷載組合 軸力組合： 1.2結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

29、振型的影響 3.2.1 有限元模型 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)?？紤]P－△二次效應的影響。 3.2.2 模態(tài)分析及結(jié)果 結(jié)構(gòu)的風荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，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) 1 2 3 周期(s) 2.204 0.483 0.185 頻率(Hz) 0.454 2.070 5.405 圖1 一階振型 圖

30、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(jié)構(gòu)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 32121 13549 1522 1522 191216 113430 風荷載 32121 13549 512 353 28897 7629 地震荷載 32121 13549 789 618 59411 22895

31、 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

32、 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower3 （地震控制） 地震作用 32121 13549 2310 2196 250627 136324 風荷載 32121 13549 2034 1819 220113 121058 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） Tower3 ≤1 ≤1 3.4 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