預(yù)制混凝土塔筒連接件承載性能分析

摘要：針對(duì)預(yù)制混凝土塔筒連接件，采用有限元分析和試驗(yàn)分析的方法，深入分析不同材料性能對(duì)連接件拉伸性能和疲勞性能的影響，對(duì)不同材料的連接件進(jìn)行了承載性能和疲勞試驗(yàn)，選用合金結(jié)構(gòu)鋼材料成功開發(fā)了預(yù)制混凝土塔筒連接件，在規(guī)定應(yīng)力幅下疲勞性能可達(dá)200萬次，解決了制約塔筒連接件關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸問題，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土塔筒連接件疲勞性能1、引言風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，越來越受到世界各國的重視，我國風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大，近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。隨著我國能源結(jié)構(gòu)及供給側(cè)改革進(jìn)程加快，傳統(tǒng)風(fēng)資源優(yōu)勢區(qū)域遇到電力消納能力不足等問題，低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)電開發(fā)已成為解決風(fēng)電發(fā)展的必由之路，我國中東部和南方地區(qū)屬于典型的低風(fēng)速地區(qū)，年平均風(fēng)速小于6m/s，年滿發(fā)小時(shí)數(shù)小于2000小時(shí)，占全國風(fēng)能資源區(qū)的68%，低風(fēng)速資源接近電網(wǎng)負(fù)荷中心，不存在限電棄風(fēng)影響。業(yè)內(nèi)具有共識(shí)的解決低風(fēng)速區(qū)域風(fēng)資源開發(fā)，提高發(fā)電效率的辦法是大風(fēng)機(jī)、長葉片、高塔筒。大風(fēng)機(jī)、長葉片必須匹配更高、承載力更好的風(fēng)機(jī)塔筒,柔性塔筒和混凝土塔筒是兩個(gè)方向，在國外，混凝土塔筒應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)超過1.5萬臺(tái)。國內(nèi)在風(fēng)機(jī)100m以上高塔筒的研究和應(yīng)用相對(duì)滯后，近兩年，我國的風(fēng)電龍頭企業(yè)、科研院所、高校，已經(jīng)開始在風(fēng)機(jī)高塔筒方面謀篇布局，開始出現(xiàn)100m以上全鋼柔性塔、砼鋼混合塔筒及全混凝土塔筒的應(yīng)用。其中，預(yù)制混凝土塔筒是使用更經(jīng)濟(jì)的混凝土材料替代鋼材，采用分片生產(chǎn)，現(xiàn)場拼裝的形式，或就近選擇預(yù)制場地進(jìn)行分片結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行吊裝、拼裝，如圖1所示：圖1：預(yù)制混凝土塔筒拼接、吊裝混凝土塔筒采用分段圓環(huán)錐式塔筒，體內(nèi)采用后張預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)。如圖2所示，預(yù)制混凝土塔筒因截面直徑相對(duì)較大，運(yùn)輸不便，單節(jié)塔筒可由兩片C形塔筒管片通過連接件拼接在一起。由于混凝土塔筒在運(yùn)行過程中承受頻繁的振動(dòng)載荷和疲勞載荷，對(duì)連接件的力學(xué)性能和疲勞性能要求較高，除了基本的力學(xué)性能之外，在疲勞應(yīng)力幅為150～300Mpa，疲勞壽命不低于200萬次[3]，遠(yuǎn)高于國內(nèi)普通螺紋鋼連接件的要求。圖2：混凝土塔筒連接件連接示意圖2、連接件有限元分析2.1有限元模型預(yù)制混凝土塔筒連接件一般由直端帶肋鋼筋、L型帶肋鋼筋和螺紋套筒組成，如圖3所示。螺紋套筒采用擠壓套筒，螺紋套筒與L型帶肋鋼筋采用冷擠壓連接，與直端帶肋鋼筋采用螺紋連接。通過選用不同的材料對(duì)連接件性能進(jìn)行有限元分析，螺紋連接件材料特性如表1所示：圖3：預(yù)制混凝土塔筒連接件結(jié)構(gòu)示意圖表1：螺紋連接件材料特性2.2邊界條件預(yù)制混凝土塔筒連接件有限元仿真分析邊界條件：固定L型帶肋鋼筋的一端，在直端帶肋鋼筋的一端加載一個(gè)水平拉伸載荷。2.3計(jì)算工況1預(yù)制混凝土塔筒連接件組件材料1的應(yīng)力云圖如圖4所示，當(dāng)拉伸載荷加載到230kN時(shí)，應(yīng)力云圖仿真結(jié)果表明帶肋鋼筋的應(yīng)力值在583.3MPa～641.7MPa之間，超過了材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生屈服發(fā)生了塑性變形，且材料1的應(yīng)力值接近抗拉強(qiáng)度；螺紋套筒中間出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力值為551.2MPa～600MPa，表明此區(qū)域已經(jīng)發(fā)生屈服，且應(yīng)力值逼近抗拉強(qiáng)度。由此可以看出，當(dāng)拉伸載荷為230kN時(shí)，帶肋鋼筋和螺紋套筒都已經(jīng)接近承載極限。圖4：連接件組件材料1的應(yīng)力云圖2.4計(jì)算工況2預(yù)制混凝土塔筒連接件組件材料2的應(yīng)力云圖如圖5所示，拉伸載荷加載到230kN時(shí)，應(yīng)力云圖仿真結(jié)果表明L型帶肋鋼筋和直端帶肋鋼筋主體的應(yīng)力值在600～675MPa之間，沒有達(dá)到材料屈服應(yīng)力，因而屬于彈性變形，L型帶肋鋼筋在套筒內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于螺紋連接端；螺紋套筒上的應(yīng)力值小于帶肋鋼筋的應(yīng)力值，螺紋套筒過渡段出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力值為550MPa～600MPa，表明此區(qū)域已經(jīng)發(fā)生屈服，且應(yīng)力值逼近抗拉強(qiáng)度，因而螺紋套筒強(qiáng)度制約著連接件組件的承載特性。圖5：材料2連接件組件應(yīng)力云圖2.5仿真分析結(jié)論計(jì)算工況1采用國內(nèi)四級(jí)鋼帶肋鋼筋和螺紋套筒模擬連接件組件，在載荷逐漸加載到230kN過程中，連接件材料幾乎同時(shí)達(dá)到抗拉極限，且拉伸載荷在230kN時(shí)已經(jīng)逼近連接件的最大拉伸載荷。計(jì)算工況2采用合金鋼帶肋鋼筋和螺紋套筒模擬連接件組件，在拉伸過程中，在載荷逐漸加載到230kN過程中，由于合金鋼帶肋鋼筋承載特性明顯好于螺紋套筒，表明螺紋套筒的材料制約著連接件組件的承載特性。3、連接件承載特性3.1連接件試驗(yàn)研究在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，預(yù)制混凝土塔筒不僅承受塔筒、基礎(chǔ)、設(shè)備和附件產(chǎn)生的永久載荷，還受到風(fēng)機(jī)風(fēng)載荷、塔筒風(fēng)載荷、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)載荷和平臺(tái)均布載荷。由于連接件的受力性能復(fù)雜，目前尚未見到國內(nèi)外有關(guān)連接件受力性能的理論分析方法，一般都是通過試驗(yàn)獲得[4]。3.2連接件承載試驗(yàn)預(yù)制混凝土塔筒連接件采用四級(jí)螺紋鋼帶肋鋼筋和合金鋼帶肋鋼筋，螺紋套筒采用Q345加工，將螺紋套筒分別冷擠壓在四級(jí)鋼帶肋鋼筋和合金鋼帶肋鋼筋上，并將四級(jí)鋼帶肋鋼筋和合金鋼帶肋鋼筋分別進(jìn)行端頭墩粗后加工螺紋，將做好的連接件進(jìn)行承載對(duì)比試驗(yàn)，如圖6所示。不同材料制作的連接件承載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：圖6：連接件承載試驗(yàn)表2：連接件承載試驗(yàn)結(jié)果3.3連接件試驗(yàn)結(jié)果分析預(yù)制混凝土塔筒連接件兩種材料對(duì)比分析表明，連接件強(qiáng)度受本身材料性能、設(shè)備精度及螺紋套筒強(qiáng)度影響，四級(jí)鋼帶肋鋼筋制作的連接件最大力拉伸試驗(yàn)結(jié)果明顯低于合金鋼帶肋鋼筋制作的連接件。3.4連接件疲勞載荷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)制混凝土塔筒中使用的連接件，由于承受重復(fù)載荷，應(yīng)考慮連接件的疲勞強(qiáng)度。連接件的疲勞強(qiáng)度取決于其組成材料。選用未進(jìn)行熱處理的四級(jí)鋼帶肋鋼筋和螺紋套筒制作連接件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)性能檢測，制作的連接件在頻率6Hz、94kN～47kN試驗(yàn)水平下，試件經(jīng)受108萬次應(yīng)力循環(huán)后連接件斷裂，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)熱處理的四級(jí)鋼帶肋鋼筋無法達(dá)到連接件的疲勞性能的要求。圖7：連接件108萬次后疲勞試驗(yàn)斷口圖選用熱處理的合金鋼帶肋鋼筋和螺紋套筒制作連接件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)性能檢測，制作的連接件在試驗(yàn)頻率9Hz、拉伸載荷94kN～47kN試驗(yàn)水平下，試件經(jīng)受200萬次應(yīng)力循環(huán)后連接件未破壞，表明熱處理后的合金鋼帶肋鋼筋制作的連接件達(dá)到其疲勞性能的要求。4、結(jié)論隨著國內(nèi)風(fēng)電市場向低風(fēng)速區(qū)域的發(fā)展，預(yù)制混凝土塔筒由于剛性好、運(yùn)輸方便和塔筒高度優(yōu)勢，受到了國內(nèi)風(fēng)電設(shè)計(jì)院和施工單位的青睞，預(yù)制混凝土塔筒應(yīng)用前景十分廣泛