不同规范计算预应力混凝土塔架门洞处水平承载力结果比较

2022-03-12左晶晶罗成喜张景

特种结构 2022年1期

左晶晶罗成喜张景

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙 410014

引言

目前，风力发电机组的塔架普遍采用钢结构形式。随着风力发电机组单机装机容量不断增加，对塔架高度提出了更高要求。而更高的钢塔架需要通过增大横截面直径或塔筒壁厚来满足设计要求，由此带来了经济、运输、可靠性、疲劳等多方面的问题，特别是南方山区风场建设中，纯钢制塔筒不再是最佳选择［1］。因此，一些研究人员开始重点研究钢筋混凝土塔架［2］。

预应力混凝土塔架结构复杂，为实现其承载力、耐久性及经济性的多重要求，研究者对风电机组整体结构进行了各种类型的静动力分析。国内外的研究中大都对混凝土塔筒进行了简化处理，将塔筒按照各个塔段进行连接模拟，对塔门、法兰盘等局部结构不予考虑［3］。塔门作为风机塔架的重要组成部分，对整体塔架的力学特性有着不可忽略的影响，是较容易失效部位。赵世林等［4］用工程算法和有限元法对有塔门的钢制塔筒进行了屈曲分析，重点研究了塔门处的局部缺陷对屈曲强度的影响。计算表明塔门的设置将大大增加塔筒的屈曲强度，不能忽略门洞的影响。因此，有必要开展混凝土塔架考虑门洞后的承载力验算。

目前针对考虑门洞的混凝土塔架的研究多采用有限元法，利用大型有限元分析软件ANSYS或ABAQUS等进行仿真计算。金涛等［5］以某钢筋混凝土塔架为例，采用有限元方法研究了塔架在塔顶静力荷载作用下塔身开洞对钢筋混凝土塔顶位移的影响，未进行深入分析。且其模拟的孔洞为方形结构，在实际结构中并不适用。毕继红［6］利用ABAQUS合理地模拟95m超高素混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝土三种塔筒，分析在简化荷载下的静态响应，研究塔门处的门洞对预应力混凝土塔筒的应力影响和模态影响。

由于目前没有专门针对风力发电机组混凝土塔架的设计规范，本文参照《高耸结构设计规范》（GB 50135—2006）［7］、《烟囱设计规范》（GB 50051—2013）［8］和美国混凝土协会标准ACI 307-08［9］进行混凝土塔架门洞处界面极限状态验算，并对比不同规范所采用计算方法的优缺点。

1 不同规范计算方法

1.1 理论公式

《高耸结构设计规范》（GB 50135—2006）6.3节（塔筒极限承载能力计算）指出，当塔筒受压区有一个孔洞时，混凝土塔筒水平截面极限承载力的计算可按规范中的公式进行计算，公式考虑了预应力筋张拉完成后处于消压状态的影响。

《烟囱设计规范》（GB 50051—2013）7.3节（烟囱筒壁承载能力极限状态计算）里指出，当计算截面有一个孔洞时，钢筋混凝土烟囱筒壁水平截面极限状态承载能力可按规范公式进行计算，但没有考虑预应力的影响。

美国混凝土协会标准ACI 307-08第五章介绍了设计钢筋混凝土烟囱壁的强度方法，烟囱壁水平截面的设计强度等于名义强度乘以一个强度折减系数，对于截面垂直强度，系数取值为0.7，环向强度取值为0.9。同样未能考虑预应力混凝土的预压应力。

1.2 算例分析

本文以140m风电机组钢混塔架为例，整个混凝土塔架为变直径变壁厚结构。筒壁采用C60混凝土建造，沿塔架高度划分为12个计算截面，30m混凝土段塔架几何尺寸如图1a所示，塔架沿壁内竖向布置40束预应力钢绞线，每束包含13根φs15.2低松弛钢绞线，每束钢筋的布置角度为9°。预应力钢绞线的张拉控制应力为1300MPa，布置孔径取为102mm。这些预应力钢筋束均位于塔筒壁中间，如图1b所示，在混凝土塔架底部设置宽度1.2m、高度3.2m的门洞，其底端距离塔筒底部截面1.7m。

图1 预应力混凝土塔架Fig.1 Diagram of reinforced concrete tower

本文采用EXCEL为计算工具，根据1.1节中推荐的3种规范计算方法得到该混凝土塔架在塔筒门洞截面处的极限承载力，具体计算结果如表1所示。依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［10］，在计算过程中，考虑了预应力束的预应力损失，分别为：张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失，约为58.04MPa；预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失，约为5.66MPa；混凝土养护时、预应力筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失，约为0MPa；预应力筋的应力松弛引起的预应力损失，约为32.33MPa；混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失，约为80.28MPa。在确定预应力筋的预应力损失后，计算得到混凝土消压时预应力筋中的应力和有效预应力产生的法向应力，由此进一步计算得到门洞截面处的抗弯承载力，见表1。

由表1的计算结果可知，不同规范计算方法所得到的门洞截面处的受弯承载力均满足结构设计要求。按照《高耸结构设计规范》和《烟囱设计规范》得到的结果较安全，冗余量大，计算结果偏于保守。由美国混凝土协会标准计算得到的结果与中国设计规范差异较大，但是对于不同的荷载工况，截面抗弯承载力的变化趋势基本一致。

对比3种不同的规范计算方法可知，决定截面抗弯承载力的有一个重要影响因素，即受压区的半角系数α或ACI 308-08标准中采用的中性轴角度α。

3种计算抗弯承载力所采用的公式均为超越函数方程，如何精确求解α对计算结果有着重大的影响。中国规范中采用根据偏心率假定，依据塔筒门洞截面处静力强度受压承载力恰好等于轴向作用荷载，计算得到不同荷载工况下受压区混凝土截面面积的占比，见图2所示。ACI 308-08标准则按照混凝土应变关系确定中性轴角度α。

由图2可知，对于不同荷载工况，同一种规范计算得到的受压区混凝土面积差别不大，而不同规范计算得到的结果不同。对于钢筋混凝土偏心受压构件，当轴向力一定时，偏心距越大，所需的配筋率就越大。即当轴向力和配筋条件一定时，偏心距越大，截面的抗弯承载力越差，图2所示的结果与这一变化规律相同。本文采用有限元分析方法，建立混凝土塔架的实体模型，模拟得到塔筒门洞截面处的受压区混凝土面积，对比分析3种规范计算方法。

2 数值分析

2.1 有限元模型

本文采用ANSYS软件建立了预应力钢筋混凝土塔架的简易模型如图3所示，在初步设计阶段，不考虑塔筒门洞处的结构配筋，仅建立弹性模型计算门洞截面处在静力荷载作用下的混凝土受压区范围，作为规范计算方法结果的参考。本文模拟了14.27m高的混凝土段，混凝土采用solid 45单元模拟，预应力钢筋采用link 8单元模拟。钢筋两端节点和混凝土进行了节点自由度耦合。混凝土塔底采用固端约束，塔顶中心建立了一个质量单元便于施加荷载。

图3 预应力混凝土塔架有限元模型Fig.3 FEM of reinforced concrete tower

分别对无门洞和有门洞两种模型施加表1中荷载进行有限元分析，采用降温法施加预应力1300MPa，得到模型在塔架门洞截面位置处（截面3）的轴向应力，如图4所示，提取该截面处受压节点的应力换算成应力达到抗压强度时的等效面积，从而计算得到受压混凝土截面面积与全截面面积的比值α，如图5所示。同理，提取预应力钢筋的轴向应力，并且计算出该截面处受拉竖向钢筋截面面积与全部竖向钢筋截面面积的比值αt，如图6所示。

图4 门洞截面处轴向应力云图（单位：Pa）Fig.4 The axial stress nephogram of opening section（unit：Pa）

图5 受压混凝土截面面积占比αFig.5 The area ratio of compressive concrete，α

图6 受拉竖向钢筋截面占比αtFig.6 The area ratio of tensile vertical steel，αt

2.2 结果分析与对比

由图5的数据可知，是否考虑门洞对计算受压混凝土截面面积占比α的影响不大，两者计算的数值基本接近。可见在《高耸结构设计规范》和《烟囱设计规范》中采用根据偏心率假定，不考虑孔洞的作用，依据截面处静力强度受压承载力恰好等于轴向作用荷载计算得到受压区混凝土截面面积的占比α的假设具有一定的借鉴性。《高耸结构设计规范》和《烟囱设计规范》中均推荐采用αt=1-1.5α来计算受拉区的半角系数，根据有限元计算结果，线性拟合得到考虑门洞时，αt=-0.2025α+0.9854；不考虑门洞时，αt=-0.2558α+0.9967。这与规范中推荐的αt=1-1.5α出入较大，下文中仍采用规范中推荐的公式进行抗弯承载力计算。

将考虑门洞影响的数值分析结果与3种规范计算方法计算结果对比可知，有限元模拟得到的受压区混凝土截面面积占比α与《高耸结构设计规范》的计算结果最接近，计算误差低至0.02%，见表2。而其他两种规范中推荐的计算方法结果与有限元分析结果相差大，误差最大达到43.37%。

表2 考虑门洞影响的α值计算结果与有限元分析结果对比Tab.2 The comparison of engineering algorithm with finite element analysis results

将有限元模拟得到的受压区半角系数α和受拉区半角系数αt代入到3种规范公式中，得到预应力混凝土塔架门洞截面处的抗弯承载力见表3。与表1结果对比可知，《高耸结构设计规范》计算的截面承载力变化不大，在每种荷载工况下结构都是安全的。而美国ACI 307-08标准计算得到的截面抗弯承载能力下降，在荷载工况1和荷载工况5下不满足要求。