预应力混凝土—钢组合风电塔架结构性能研究

【摘要】：风力发电由于其清洁性、可再生性等优点，在新世纪的能源行业中受到越来越多的关注。在新世纪，风力发电行业的发展趋势为单机装机容量越来越大，塔架高度越来越高。预应力混凝土—钢组合风电塔架结构作为一种先进的风电塔架结构形式，与传统的圆筒钢塔和混凝土塔架相比，在保证施工进度的条件下可以很好满足塔架的设计要求。目前，我国对预应力混凝土—钢组合风电塔架缺少相关理论研究，设计风力发电塔架结构时需要根据我国的实际情况参考国外的设计规范进行工程设计。本论文通过介绍预应力混凝土—钢组合风电塔架的荷载计算、模型试验和有限元分析，将此类型的风电塔架进行推广介绍，为我国风电行业塔架建设提供相关资料。 本文中将具体关注以下内容： 1、首先，本文以实际工程为背景，对风电塔架的荷载计算和截面优化设计进行系统介绍，简化计算过程易于应用于工程设计。 2、其次，以设计的塔架结构为原型，在湖南大学结构试验室对塔架结构进行模型试验，分析模型塔架结构在正常使用状态下的局部和整体受力情况。根据模型的试验结果数据，进一步得到原型结构的受力性能，以此来指导塔架结构的设计。 3、对预应力混凝土—钢组合风电塔架整体进行有限元分析，分析塔架在各个部位的受力情况。 4、国内外对预应力混凝土—钢组合风电塔架的连接节点研究处于空白。本文使用有限元分析软件ABAQUS，对9种连接节点方式进行有限元分析。通过对比与连接节点处混凝土的拉应力的分布和大小来评价连接节点设计的优劣顺序，最终选择最优的设计方案。 5、最后，论文进一步对未来的研究进行归纳。 【关键词】：组合结构塔架 塔架设计 模型 节点 ABAQUS
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU347
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 插图索引10-12
• 附表索引12-14
• 第1章 绪论14-25
• 1.1 选题背景及意义14-15
• 1.1.1 选题背景14-15
• 1.1.2 选题意义15
• 1.2 风力发电机塔架15-21
• 1.2.1 风力发电塔架设计发展15-16
• 1.2.2 风力发电塔架种类16-18
• 1.2.3 新型塔架形式设计18-21
• 1.3 国内外研究现状21-22
• 1.4 研究内容和研究意义22-25
• 1.4.1 研究内容22-23
• 1.4.2 研究意义23-25
• 第2章 某兆瓦级风电组合塔架选型及分析25-48
• 2.1 概述25
• 2.2 设计概要25-28
• 2.2.1 设计思路26-27
• 2.2.2 塔架设计阶段27-28
• 2.3 风机基本数据28
• 2.4 计算风机荷载28-32
• 2.4.1 确定气动荷载29-30
• 2.4.2 叶轮和风机附加弯矩30
• 2.4.3 叶轮俯仰力矩30-31
• 2.4.4 偏转力矩31-32
• 2.5 确定塔架外型32-33
• 2.5.1 确定预应力混凝土段顶部32-33
• 2.5.2 确定预应力混凝土段底部33
• 2.6 计算塔架荷载33-37
• 2.6.1 计算塔筒固有频率34-35
• 2.6.2 基本风压35-36
• 2.6.3 风振系数36
• 2.6.4 风载体型系数36-37
• 2.6.5 风压高度变化系数37
• 2.6.6 风机荷载计算37
• 2.7 塔架荷载组合37-38
• 2.8 截面优化38-39
• 2.9 塔架截面设计39-45
• 2.9.1 预应力损失计算40-41
• 2.9.2 截面配筋计算41-43
• 2.9.3 正常极限状态下塔架截面应力43-45
• 2.10 连接法兰设计45-46
• 2.11 地震和疲劳验算46
• 2.12 小结46-48
• 第3章 组合塔筒比例模型试验研究48-76
• 3.1 概述48-49
• 3.2 模型设计制作49-53
• 3.2.1 几何相似49-51
• 3.2.2 材料相似51-52
• 3.2.3 荷载相似52-53
• 3.3 模型承载力计算53-57
• 3.3.1 预应力混凝土塔筒53-55
• 3.3.2 钢塔筒55-57
• 3.4 试件制作和安装试件57-68
• 3.4.1 试件制作58-60
• 3.4.2 试件拼接60-62
• 3.4.3 布置测点62-65
• 3.4.4 加载制度65-66
• 3.4.5 材性试验66-68
• 3.5 试验现象分析与试验数据分析68-74
• 3.5.1 试验现象分析68-69
• 3.5.2 试验数据分析69-74
• 3.6 小结74-76
• 第4章 组合塔架整体有限元分析76-81
• 4.1 概述76
• 4.2 组合塔架有限元建模过程76-77
• 4.3 组合塔架有限元结果分析77-80
• 4.3.1 静力分析77-79
• 4.3.2 模态分析79-80
• 4.4 小结80-81
• 第5章 组合塔筒连接方案比较分析81-98
• 5.1 概述81
• 5.2 连接方案有限元建模过程81-82
• 5.3 连接法兰82-97
• 5.3.1 传统法兰82-87
• 5.3.2 反向法兰87-92
• 5.3.3 剪力键法兰92-97
• 5.4 小结97-98
• 结论展望98-100
• 参考文献100-104
• 致谢104

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