風力發(fā)電預應力混凝土塔架設計和分析作者：宋玉普尹翠陳淵

一、前言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，人類對能源的需求量也越來越大，然而石油、煤這些能源屬于非再生能源，用了就意味著越來越少，另外，此類能源的大量消耗產(chǎn)生的污染物對人類的生活環(huán)境也有嚴重的危害，因此，風能的開發(fā)利用越來越引起各國的重視。

風力發(fā)電是利用風能的主要方式，風力發(fā)電機塔架是風力發(fā)電機組的承重構(gòu)件，它支承葉輪到一定的高度，以獲得足夠大的風速來驅(qū)使葉輪轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為電能。風力發(fā)電機塔架的結(jié)構(gòu)形式主要有桁架式鋼結(jié)構(gòu)塔架，格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)塔架，圓筒式或錐筒式鋼塔架和混凝土塔架，鋼-預應力混凝土混合塔架等。重量占全機組的一半，成本占15%。垳架式鋼結(jié)構(gòu)塔架格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)塔架錐筒式鋼塔架、混凝土塔架圓筒式鋼塔架、混凝土塔架鋼－預應力混凝土混合塔架二、為什么需預應力混凝土塔架：隨著風力發(fā)電向單機大容量發(fā)展，使塔架高度越來越大，體積增大，運輸困難，所以出現(xiàn)了預應力混凝土塔架。預應力混凝土塔架的優(yōu)點是：耐疲勞、抗腐蝕能力強、耐久性好、維修費用低、節(jié)約鋼材、造價低、穩(wěn)定性好、現(xiàn)場施工方便。（1）施加預應力擴大了結(jié)構(gòu)的彈性范圍，調(diào)整了結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布，較小結(jié)構(gòu)變形；（2）相對于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)而言，使用預應力技術(shù)可以有效地利用高強鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重，工程實踐證明可節(jié)約鋼材10%~30%；（3）增強應力幅值，降低結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，由于施加了預應力，降低了混凝土截面的最大拉應力，有效應力幅值的降低增強了結(jié)構(gòu)的疲勞使用壽命；三、預應力混凝土塔架形式：分離式、整體式的優(yōu)點和缺點。分離式的優(yōu)點：筒身預制板之間結(jié)構(gòu)連貫性好；缺點：施工不遍。整體式的優(yōu)點：施工方便；缺點：施工過程中易形成空隙，造成結(jié)構(gòu)不連貫。（一）分離式預應力混凝土塔架設計和分析

1.考慮動力特性的材料強度取值作用在結(jié)構(gòu)上的風荷載也是隨時間不斷變化的動態(tài)載荷，因此，應該考慮塔身混凝土材料在動力荷載作用下強度的提高，根據(jù)我們的試驗結(jié)果，對混凝土材料強度提高10%。

2.預應力混凝土塔架設計計算風力發(fā)電機在運行的過程中，塔架要承受風輪和機艙傳遞的力和力矩、風荷載等，各種荷載的計算方法如下：作用在塔頂?shù)募泻奢d：（1）水平推力（2）豎向壓力

（3）由風輪和機艙質(zhì)量中心與塔架軸線的偏心產(chǎn)生的俯仰力矩（4）由風輪掃掠面內(nèi)風速分布不均勻產(chǎn)生的俯仰力矩

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)規(guī)定，垂直作用于塔身單位面積上的風荷載標準值由下式確定：西北地區(qū)某2.5MW風力發(fā)電鋼-預應力混凝土混合塔架，如圖1所示:圖1塔架示意圖oxyz當?shù)鼗撅L壓為0.5kN/m，地面粗糙度類別為B類，塔高120m，風輪直徑100m，輪轂處高度122m，塔架下段采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，高70m，塔底截面外徑7m，壁厚0.35m，頂部截面外徑4m，壁厚0.25m，混凝土強度等級采用C80，上段采用鋼結(jié)構(gòu)，高50m，塔底截面外徑4m，壁厚0.035m，塔頂截面外徑3m，壁厚0.025m，鋼材強度等級為Q345，塔筒壁厚沿高度線性變化，風輪和機艙質(zhì)量中心到塔架軸線的偏心距離為1m，風輪和機艙總質(zhì)量為100t?；举Y料

將塔架的基本參數(shù)代入以上公式，求得作用在塔架頂部集中力、集中力矩和作用在塔身的風荷載結(jié)果如下：作用在塔架頂部的荷載作用在塔身的風荷載,如表1所示。表1

0~10

0.29

9.65

6.6310~20

0.38

20.97

15.1620~30

0.45

24.35

25.0930~40

0.53

26.82

35.0740~50

0.60

28.64

45.0450~60

0.67

29.52

55.01位置(m)(kN)h(m)位置(m)(kN)h(m)

60~70

0.73

29.57

64.99

70~80

0.96

33.03

75.17

80~90

1.04

37.04

85.02

90~100

1.12

37.75

95.00

100~110

1.18

37.80

104.99

110~120

1.22

37.14

114.98注：為作用在每10m范圍塔身上的風荷載合力；h為

的作用點位置距離塔底

面的距離。

在塔頂集中力、集中力矩、塔身風荷載和自重荷載作用下，塔架最危險截面為預應力混凝土塔底部截面；應驗算該截面的承載力。

塔底面配筋情況：非預應力筋采用HRB335級鋼筋，公稱直徑20mm，外排90根，內(nèi)排80根，預應力筋采用低松弛鋼絞線，公稱直徑17.8mm，極限強度標準值，張拉控制應力為0.75，共170根。經(jīng)荷載組合計算，作用在塔底截面的軸力和彎矩為：

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010-2010)規(guī)定，環(huán)形截面壓彎構(gòu)件正截面承載力按下式計算：經(jīng)計算得：受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值

截面受彎承載力為

，滿足要求。3現(xiàn)場施工

分離式預應力混凝土塔架由工廠預制，現(xiàn)場組裝并采用后張法施加預應力將各構(gòu)件連接形成整體，塔架每環(huán)段由3片預制板組成，如圖2所示。預制板通過預留鋼筋連接成整體圓環(huán)，如圖3所示。圓環(huán)段之間采用承插口方式進行連接。混凝土塔段和鋼塔段之間用法蘭盤連接，如圖4所示。圖2預制板圖3預制板間的連接構(gòu)造圖4混凝土塔與鋼塔連接部位構(gòu)造塔架類型高塔塔架高度（H）

120m輪轂中心高度

121.8m塔底外徑

6.4m塔底壁厚

0.3m塔頂外徑

3.2m塔頂壁厚

0.08m鋼塔高度

50m預應力混凝土塔高

70m1.1塔架幾何尺寸如表2所示（二）、整體式預應力混凝土塔架考慮應變率影響的分析和設計1.風力發(fā)電機的參數(shù)和塔架幾何尺寸表21.2

所設計的風力發(fā)電機的幾何尺寸、重量和性能等基本特性如表3所示設計概要名稱參數(shù)值風力發(fā)電機參數(shù)額定功率(P)2.5MW塔架高度(H)120m葉輪直徑（D）98m額定風速15m/s額定轉(zhuǎn)速（n）23r/min切出風速(V)25m/s葉片質(zhì)量（m）7033.7*3kg機艙質(zhì)量（m）79640.9kg塔架參數(shù)類型預應力鋼筋混凝土混凝土設計強度等級C80塔架尺寸見表2表32

預應力混凝土塔架的設計計算2.1荷載計算塔架的荷載包括永久荷載、可變荷載和地震作用。其中永久荷載主要有塔架、機艙和風輪的自重等，可變荷載主要是風荷載的影響。2.1.1永久荷載(1)垂直力由風葉和機艙的質(zhì)量引起的垂直力按下式計算：(2)由風葉和機艙重力引起的力矩按下式計算：計算得到以下結(jié)果：2.1.2風荷載風荷載與結(jié)構(gòu)高度、橫截面尺寸、構(gòu)件形式等有關(guān)。我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001)規(guī)定:垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，按下述公式計算：對于風力發(fā)電塔這種變截面的高聳結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)按下式進行計算：計算得作用在塔身各節(jié)點處風荷載標準值的結(jié)果如下:F（10）=27.574kN

F（20）=34.440kNF（30）=39.501kN

F（40）=43.830kNF（50）=46.956kN

F（60）=49.340kNF（70）=51.104kN

F（80）=54.340kNF（90）=54.273kN

F（100）=53.396kNF（110）=51.660kN

F（120）=49.368kN2.1.3作用于塔頂?shù)暮奢d風力發(fā)電塔架在切出風速作用下受到如下荷載作用。(1)氣動荷載當風速達到切出風速時，為安全起見，風葉在切出荷載作用下的氣動荷載應乘以0.4的安全系數(shù)。(2)轉(zhuǎn)矩計算如下式(3)偏轉(zhuǎn)力矩可按下式計算經(jīng)計算得到以下結(jié)果：2.2考慮應變率影響的混凝土強度

風力發(fā)電塔混凝土結(jié)構(gòu)在其工作過程中除了承受正常的設計荷載外,往往還要經(jīng)受各種突然的動荷載作用,如地震、風荷載等。一般認為,在動態(tài)荷載作用下引起的混凝土材料的力學特性是顯著區(qū)別于其準靜態(tài)情況的。大量研究表明混凝土是應變速率敏感材料,其強度、剛度、韌性(脆性)等性質(zhì)均隨加載速率而變化。根據(jù)我們的試驗結(jié)果得知：隨著應變率的增加，混凝土強度提高系數(shù)為10%。2.3預應力混凝土塔架設計計算

塔身的厚度隨高度線性變化，塔架的重量:G=12479.7kN，塔架底截面所受軸力N=14247.47kN，剪力F=1403.88kN，假定塔架采用C80混凝土，彈性模量為38GPa，密度為2500kg/m

；鋼材部分采用Q345鋼材，密度為7850kg/m，彈性模量為206GPa；預應力筋采用鋼絞線1*7(d=21.6mm)，強度1860N/mm

的低松弛鋼絞線制成，彈性模量為206GPa；本文對后張法構(gòu)件進行體外預應力法施工；非預應力鋼筋選用HRB400，直徑為20mm。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》沿周邊均勻配置縱向鋼筋的環(huán)形截面偏心受壓構(gòu)件，其正截面受壓承載力按下式計算：塔架底環(huán)形截面上均勻?qū)ΨQ的配置縱向鋼筋，由以上公式得到在內(nèi)環(huán)配置預應力鋼筋70根，塔壁內(nèi)、外徑上分別配置80根、90根非預應力鋼筋。塔架基礎環(huán)形截面上能承受的最大彎矩為塔架在風荷載、塔架重力等荷載作用下的最大彎矩為滿足要求。3預應力混凝土塔架和基礎的施工采用滑模法施工，現(xiàn)場澆筑混凝土，該法具有成本低、整體性好和施工速度快等優(yōu)點。 圖1滑模法施工3.1基礎施工風力發(fā)電機基礎的地基處理中采用現(xiàn)場灌注樁基礎，由于縱向鋼筋配筋直徑較大且數(shù)量較多。因此，按照施工圖設計徑向鋼筋的下料長度，聯(lián)系鋼筋生產(chǎn)廠定扎（用一定數(shù)量的小直徑的鋼筋綁扎成滿足要求面積的鋼筋束）并在現(xiàn)場下料焊接，這樣經(jīng)過定扎運抵現(xiàn)場的鋼筋不需要斷料和配料等工序，并節(jié)約了鋼筋接頭，同時鋼筋接頭的減少，也提高了風機基礎的質(zhì)量。3.2塔身施工施工時豎向鋼筋的接頭一般采用綁扎搭接，接頭按25%錯開。預埋件的留設位置和型號必須準確，滑模施工前，應繪制預埋件平面圖，詳細標注預埋件的標高、位置、型號和數(shù)量，必要時，可將所有