风电机组装配式超高钢混塔筒刚度鲁棒性分析

2022-02-23谢冰冰褚景春袁凌王小虎张林中宁红超

可再生能源 2022年2期

谢冰冰，褚景春，2，袁凌，2，王小虎，张林中，宁红超

（1.国电联合动力技术有限公司，北京 100039；2.风电设备及控制国家重点实验室，河北保定 071000）

0 引言

随着低风速高切边风场的大规模开发及平价上网趋势下，装配式超高钢混塔筒以众多优势逐步得到广泛应用。但装配式超高钢混塔筒存在的整体性、刚度及抗震性能差等问题仍未解决，须做进一步的研究。

罗桂鑫[1]应用ANSYS有限元软件对传统钢制锥塔筒的动力特性、强度、刚度和稳定性进行了分析。郝二通[2]通过测量阻尼性能差异较大的有机玻璃单件、钢板单件的材料阻尼比以及模态阻尼比，开展了有机玻璃与钢板组件模态阻尼比的有限元分析。宋双贺[3]分别对塔筒的强度、刚度和稳定性进行了综合性的分析，将混合式塔架和传统的钢制塔架进行了经济方面的对比。

上述文献均把塔筒当作一个整体结构进行研究，或只关注某些局部构件荷载是否超限。但目前钢混塔筒均是采用装配式建筑的概念进行建造的，文献[4]，[5]研究得出了装配式混凝土结构中的连接处是装配式建筑的薄弱环节，地震中装配式结构破坏的形式主要就是构件连接破坏，而预制构件本身却较少发生破坏。超高钢混塔筒属于高耸结构物，设计阶段不仅要使局部构件满足承载力要求，还需对整体结构刚度鲁棒性进行分析，找到对整体结构刚度影响大的接触面并加固处理，防止由于极个别接触面连接不牢而出现结构整体刚度断崖式下降，但目前这一研究领域尚属空白。

本文选取两种不同技术路线的140 m高钢混塔筒结构形式。首先，对这两种钢混塔筒结构进行模态分析；然后，计算结构所有接触面单一部分失效情况下自振频率，获得接触面的重要性排序；最后，计算结构接触面逐一部分失效情况下最终的鲁棒值。虽然模态分析属于线性分析，但钢混塔筒自身刚度极大，其实际变形相较其百米级体量而言微不足道，可认为整个生命周期变形均处于弹性变形范围内，因此模态分析方法进行刚度鲁棒性分析具有一定的应用性。本文研究内容可为工程设计及建设提供参考。

1 鲁棒性应用及其评价指标

目前，国内外学者对结构鲁棒性的研究取得了一定的成果，但仍未有统一的定量评价方法[6]。柳承茂[7]提出了基于刚度的结构构件重要性的评估方法。高扬[8]以“概念移除”的方法并结合摄动法分析构件前后的结构承载力变化，给出一个结构鲁棒性评价中计算构件的重要性系数的新方法。叶列平[9]以拆除构件对广义结构刚度的影响程度作为该构件重要性评价指标。吕大刚[10]分别采用基于承载力、可靠度以及基于风险的鲁棒性指标，对钢筋混凝土框架结构的抗震鲁棒性进行了定量评价。文献[11]，[12]改进了一种结构鲁棒性评价中的构件重要性系数，提出了一种新的结构鲁棒性指标及加强结构鲁棒性方法。包超[13]通过定量分析结构鲁棒性进行建筑选型和结构布置方案优化，提出了增强结构鲁棒性的方法。

鉴于装配式结构破坏的形式主要在构件连接处，因此本文将构件之间接触面失效连接前后结构刚度值的变化作为接触面重要性的判别依据，然后依据重要性排序将接触面依次失效后求出结构鲁棒值。

2 钢混塔筒技术路线

根据混凝土段不同的拼接吊装方式，钢混塔筒的技术路线分为分段式和分片式两种。

2.1 分段式

将混凝土塔段沿高度分割成一段段的圆环构件，全塔无竖向接缝，塔段间水平接缝无需灌浆。一般3～4大段固定直径塔身，最大程度削减模板数量节省造价，其结构示意及组成构件如图1所示。

图1 分段式钢混塔筒Fig.1 Segmented steel-concrete tower

2.2 分片式

分片式钢混塔筒混凝土段任一横截面均是圆角矩形，同钢质塔筒类似，沿高度方向划分成3或4大段，由于每一段高度过大，在制作过程中既难以整体预制又难以现场浇筑，因此将每一段沿环向分割成8片（4个方片和4个角片）。拼装时先将8片构件拼成环段，然后竖向接缝处灌浆连接，形成一定强度后再进行竖向吊装，其结构组成如图2所示。

3 刚度鲁棒性分析方法

3.1 刚度与频率关系

3.2 风险点重要性系数及鲁棒值

若某一结构体系有n个风险点，其中一个风险点i的重要性系数定义为

式中：Ki为第i个风险点存在风险时所对应的刚度值；Ri为第i个风险点存在风险时所对应的鲁棒值。

综上所述，结构整体的鲁棒值R由最小的Ri决定：

4 分析过程

本文选取某厂家3.4 MW机型，采用ANSYS进行建模分析。该机型钢混塔筒高度为常见的140 m，上部机舱、轮毂和叶片的总质量约为230 t，建模分析时将上部总质量简化为质量点point mass。考虑基础的影响，将基础与大地进行Bonded连接。

4.1 模型尺寸

基础外径为21 m，高为4.87 m。分段式与分片式钢混塔筒模型及尺寸分别见图3和表1，其中分段式钢混塔筒每大段中均包含6个小段和1个转换段。

4.2 初始模态分析

在初始模型无损情况下，所有接触面连接类型为Bonded连接，对两种形式的钢混塔筒分别求前6阶模态进行分析，各阶振型如图4所示，自振频率值如表2所示。

由于钢混塔筒自身结构属于对称结构，1阶和2阶、3阶和4阶、5阶和6阶频率在数值上基本相等，可以把频率接近的振型看成一个模态。其中1阶和2阶振型为摆动，3阶和4阶振型为弯曲，5阶和6阶振型为弯扭组合，其中最大幅值约为0.08 mm，此幅值与百米级塔高相比可忽略不计。

4.3 单一接触面部分失效模态分析

4.3.1 分段式钢混塔筒

由图3可知，分段式钢混塔筒共包含29段混凝土段，共有30个接触面。理想情况下每个接触面都紧密连接无脱开。因构件加工制作表面平整度误差或实际吊装施工等环节所致，很可能导致构件接触不紧密，但又不会完全失效。此时，将部分失效接触面接触类型由Bonded连接修改为Rough连接，比较符合实际损伤情况。分别将30个接触面逐一部分失效后求解塔筒的自振频率，接触面编号从塔底至塔顶逐渐增大排列。

接触面是保证塔体刚度的重要环节，接触面失效，甚至部分失效，都可能造成结构刚度断崖式下降，在风机动荷载作用下极易造成倒塔的严重后果。为简化分析分别取1，3，5阶频率进行分析。图5为分段式钢混塔筒在不同接触面部分失效情况下结构频率的变化值，接触面越重要其部分失效后结构频率降低越多。

4.3.2 分片式钢混塔筒

由于分片式钢混塔筒预制构件较多，共有47个接触面，其中多个接触面形式一致可归为一类，共计有19个不同的接触面类型。接触面接触类型与分段式钢混塔筒一致，取1，3，5阶频率进行分析。图6为分片式钢混塔筒在不同接触面部分失效情况下结构频率的变化值。

4.4接触面连续部分失效鲁棒性分析

由于低阶频率相应的振型对结构体系动力响应的贡献远大于较高频率相应振型的贡献，因此在进行鲁棒性分析时只考虑结构1阶频率波动变化的影响。根据频率变化的大小可将接触面的重要程度进行排序：频率降低越多，结构体系刚度降低越多，说明该截面越重要。

将式（2）带入式（3）可得结构重要性系数与频率之间关系。

式中：ω0为结构所有连接面Bonded连接时的1阶频率。

4.4.1 分段式钢混塔筒接触面连续失效

根据式（6）将分段式钢混塔筒30个接触面的重要性进行排序，其中ω0=0.481 09。

按照顺序将接触面依次连续失效，进行模拟得到相应频率，并得到相对应的鲁棒值，模拟结果如表3所示。

表3 接触面连续部分失效及鲁棒值Table 3 Continuous failure and robust value of contact surface

4.4.2 分片式钢混塔筒接触面连续失效

与分段式同理，将分片式钢混塔筒19个接触面的重要性进行排序，其中ω0=0.268 01。由于接触面之间存在相互包含的情况，例如：编号为9和10的接触面均被包含在编号为11的接触面内，因此在模拟计算时不考虑编号为9和10的接触面，其余接触面同理。

按照顺序将接触面依次连续失效，相应频率及鲁棒值见表4。

表4 接触面连续部分失效及鲁棒值Table 4 Continuous failure and robust value of contact surface

5 分析与讨论

5.1 分段式钢混塔筒鲁棒值

分段式钢混塔筒接触面单一部分失效及连续部分失效后，结构整体刚度鲁棒值如图7所示。

图7 分段式钢混塔筒结构刚度鲁棒值Fig.7 Stiffness robust value of segmented steel concrete tower

由图7（a）及式（5）可知，单一接触面部分失效情况下结构刚度鲁棒值约为21。由图7（a）可以间接得出结构重要的接触面分别为第6，16及25号接触面，其所处相对位置从底到顶分别位于1/6，1/2及5/6混凝土段高度处。

按接触面重要性顺序将接触面依次部分失效。因结构内部接触面部分失效使得结构整体刚度降低，结构刚度鲁棒值由21递减至10并趋于稳定，其中前3个重要接触面对刚度鲁棒值影响较大。在分段式钢混塔筒设计及施工中要重点关注这3个接触面，设计中要避免在1/6，1/2及5/6混凝土段高度处设置接触面。如果设计中不能避开，则要在实际施工中对这3个接触面处加强连接措施，保证施工质量。