钢筋混凝土风力发电高塔数值分析.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J ． o f HUS T．( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo1 ． 2 5 NO． 4 De c ． 2 0 0 8 钢筋混凝土风力发电高塔数值分析 金涛，周 勇，李杰 ( 同济大学 土木工程学院，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要：风能是一种清洁无污染的可再生资源，风力发电技术方兴未艾。目前，国内外已建的风力发 电高塔主 要采用钢锥筒塔形式，而关于钢筋混凝土塔体的研究与设计资料则较为缺乏。随着风机功率的提高，需要风力 发电塔具有更大的塔身高度，而钢筋混凝土塔体无论在技术方面还是在经济指标方面都将表现出更大的优越 性。本文以实际工程为背景，根据某钢筋混凝土风力发电高塔，采用有限元技术分析了该塔在塔顶静力荷载作 用下的受力行为，比较了采用不同的有限元建模方式所得到的数值结果， 分析了塔身开洞对钢筋混凝土塔体的 受力行为的影响，验证了设计的合理性，为今后我国混凝土风力发电塔的设计与建造提供参考。 关键词：风力发电高塔；有限元；复合壳单元；嵌入单元 中图分类号 ：T U3 7 5 ；T U3 1 1 ．4 文献标识码：A 文章编号 ：1 6 7 2 — 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 — 0 2 7 0 — 0 3 1 研究背景 本文以实际工程为背景，采用某钢筋混凝土 风力发 电高塔的工程实例作为数值模拟对象，其 基本信息如下：轮毂中心高度为 6 8 m，塔顶标高 6 6 ． 3 5 m，塔底标高 1 ． 7 m，塔身高 6 4 ． 6 5 m；塔底 截面直径 3 ． 9 m，壁厚 0 ． 3 IT I ；塔顶截面直径 2 ． 5 5 m，壁厚 0 ． 2 m； 塔身高度范围内的壁厚和直径按 线性变化；塔身在标高 2 ． 4 I T I 处有开洞，洞 口高 2 ． 0 m，宽 1 ． 5 m，所对应的圆心角为 4 5 。 ；塔顶总 质量 8 1 4 6 1 ． 8 k g ，其中包括桨 叶质量 4 3 2 0 ． 6 3 = 1 2 9 6 1 ． 8 k g ， 轮毂质量 1 6 5 0 0 k g ， 机舱质量 5 2 0 0 0 k g ；混凝土标号 C 3 0 ，钢筋 为 H R B 3 3 5 。 2 有限元建模与数值分析 采用复合壳单元和三维实体元对钢筋混凝土 风力发 电高塔进行 有限元建模 并应用 商用软件 AB A QU S对其进行数值分析 。 在材料本构关系的 选取中，钢筋采用理想弹塑性模型，混凝土采用 A B AQU S自带的混凝土损伤模型， 该模型结合各 向同性的弹性损伤概念和各 向同性的拉、压塑性 来反映混凝土的非弹性行为。在确定混凝土材料 的模型参数时， 使用C 3 0 混凝土材料性质的均值。 2 ． 1 复合壳单元 复合壳单元 能够用来模拟 由多层材料所组 成的结构，定义该种单元时需要给 出每层材料的 性质和厚度。 用该方式模拟混凝土风力发电高塔， 可将塔身沿壁厚方 向离散为 5层，即内外混凝土 保护层、内外纵向受力钢筋层和两层钢筋之间的 混凝土。混凝土层的厚度为结构中的该层所对应 的壁厚，结构中离散的钢筋按照面积等效的原则 弥散成厚度不变的钢筋层，层与层之间按照实际 结构的顺序排列见图 1 。 匿 习 混凝十 S 环向 钢筋 图 1 复合壳单元模型 在应用复合壳单元建模时， 将塔身分成 4段， 每段根据塔身的实际配筋情况赋以具有不 同厚度 的钢筋层。 塔顶在竖向荷载 1 2 1 6 ． 4 k N 的作用下，通过 位移加载的方式对塔顶施加水平位移， 计算采用 收稿1 3 期：2 0 0 8 — 0 6 — 3 0 作者简介：金涛 ( 1 9 8 3 一 ) ，男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为混凝土风力发电高塔，d a r r e n o d i e @1 6 3 ． c o m。 基金项目：国家自然科学基金委创新研究群体科学基金 ( 5 0 3 2 1 8 0 3 ； 5 0 6 2 1 0 6 2 ) ；“ 十一五”国家科技支撑计划 ( 2 0 0 6 B AA 0 1 A2 3 ) ；上海市科委 “ 登山行动计划”( 0 6 Z D1 2 2 0 5 ) ；上海市浦江人才计划 ( 0 6 P J 1 4 0 9 5 ) 。 第 4期 金涛等：钢筋混凝土风力发电高塔数值分析 2 7 1 自动步长，采用双核心 C P U，2 ． 0 GB内存 ，计算 时间为 3 6 0 s ，荷载位移关系如图 2所示。 6 0 0 5 0 0 鞯 4 0 0 ：惶 妻 3 0 0 晁 2 0 0 l 0 O 0 0．5 1 ．0 1 ． 5 2．0 2 ． 5 3 ． 0 3．5 u． 塔 顶位移 ／ m 图 2 复合壳单兀模型荷载位移关系 曲线 从图 2中可以看出，该风力发电高塔在塔顶 水平荷载达到 2 3 0 k N 时，整体刚度有明显的变 化，说明此处对应塔身的开裂荷载。当塔顶水平 荷载达到 5 3 8 k N 时， 结构达到其极限承载力 ， 相 对应的位移为 1 ． 3 6 4 m。图 3为塔身洞口上部角 点处混凝土应力与塔顶位移关系。 毯 器 ． 主 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ．5 2 ． 0 2 ． 5 3．O 3 ． 5 U，塔顶 位移 ／ m 图 3 洞 口处混凝土 Mi s e s 应 力与塔 顶位移 关系曲线 2 ． 2 三维实体单元 复合壳单元将钢筋按面积等效成钢筋层来模 拟其在混凝土中的表现 ，虽然提高 了计算效率， 但是一种 比较粗糙 的建模方式 。而在 AB A QUS 中 可 以 通 过 使 用 实 体 单 元 结 合 嵌 入 单 元 ( e mb e d d e d e l e me n t )的方式模拟钢筋混凝土结 构。 嵌入单元能够将一组单元嵌入到主单元 ( h o s t e l e me n t )中，通过嵌入结点约束这些嵌入单元的 平动 自由度，可以用来模拟混凝土中的钢筋。 使用实体单元模拟混凝土 ，并将其作为主单 元；使用桁架单元 ( t r u s s e l e me n t )模拟钢筋 ，将 其作为嵌入单元嵌入到混凝土中。在 AB AQ US 中通过这种建模方式 ( 图4 ) ， 可以将钢筋和混凝 土的受力状态分别输 出。 使用该种建模方式，首先将混凝土风力发电 高塔中的钢筋按照实际的横截面积和空间位置建 立模型，塔身配筋共分 4 段，每段又包括内外两 层纵向受力钢筋 ，然后将这些钢筋作为嵌入单元 嵌入到混凝土中，图 5为塔底洞 口处外层纵 向钢 筋在 A B AQ US中的模型 。 图 4 实体单元结合嵌入单元建模示意图 2 ，人 图 5 实体单元建模时洞口塔段外层钢筋模型 由于洞 口的存在 ，在划分网格时，需要将洞 口处的网格加密，洞 口处网格划分如图 6所示。 图6 实体单元建模时网格划分 塔顶在竖 向荷载 1 2 1 6 ． 4 k N的作用下，通过 位移加载的方式对塔顶施加水平位移，单元数 目 为 1 9 6 1 1个，采用双核 C P U，2 ． 0 GB内存，计算 时间为 5 3 9 1 s 。洞 口角点处混凝土应力与塔顶位 移关系如图 7所示。 -R 盘 苎 主 叫 鬻 图 7 洞 口处混凝土 Mi s e s 应力与塔顶位移关系曲线 如 加 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 应用实体单元结合嵌入单元建模的最大优势 就是可以单独输出混凝土中钢筋的应力状态。塔 底洞 口处外层纵向钢筋应力与塔顶位移关系如图 8所示 。 O 0 ． 5 1 ． 0 1 ．5 2．0 2 ． 5 3 ． 0 U． 塔顶位移 ／ m 图8 钢筋应力与塔顶位移关系曲线 该模型的荷载位移关系 曲线如图 9所示 。 60 0 5 0 0 Z 隶 4 0 0 追 *3 0 0 难 t 20 0 l O 0 O O．5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． O 2．5 3．0 u， 塔顶位移 ／ m 图9 实体单元塔体荷载位移关系曲线 从图 9中可 以看出，该风力发电高塔在塔顶 水平荷载达到 2 3 0 k N 时，整体刚度有明显的变 化 ，说 明此处对应塔身的开裂荷载 。当塔顶水平 荷载达到 5 4 0 k N，结构达到其极限承载力，相对 应 的位移为 1 ． 1 9 5 m。 3 模型 比较 通过 AB AQ US中复合壳单元和实体单元结 合嵌入单元两种建模方式对同一个钢筋混凝土风 力发电高塔进行了数值分析，两种模型的分析结 果对 L l- , ~ n 下：a ．图 1 0为两种建模方式塔身洞 口 处 同一 点混凝土应力与塔顶位移关系 的比较； b ．图 1 1为荷载位移 曲线的比较。 毯 器 羔 廷 6 0 0 5 0 0 Z 京4 0 0 ：瞧 * 3 0 0 磐 2 0 0 1 0 0 0 0．5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 3 ． 5 U ． 塔顶位移／ m 图 1 0 两种建模方式混凝土应力比较 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ．0 3．5 U， 塔顶位 移／ m 图 1 1 两种建模 方式荷载位移 曲线的 比较 从荷载位移 曲线的比较可知 ， 在塔体开裂前 ， 两种模型的受力行为 比较一致，开裂荷载也基本 相同； 在塔体开裂后， 两者的受力行为略有差异， 复合壳单元塔体的刚度略小；两者的极限荷载相 同， 但复合壳单元的极限荷载所对应的位移较大。 4 结论 本文结合钢筋混凝土风力发电高塔的工程实 例，应用有 限元技术，在 A B AQU S 中运用复合 壳单元和实体单元结合嵌入单元 的建模方式进行 了数值模拟 。通过对 比可知，应用复合壳单元建 模，计算代价较低，但无法反应混凝土中钢筋的 应力状态；实体单元能够弥补这一不足，需要较 高的计算成本。两种模型的宏观受力性能则基本 相同，从侧面验证了这两种建模方式的合理性。 ( 下转第 2 7 9页) 如 加 m 3 3 2 2 l l B d 苫＼ 避港器 D 第 4期 孙超等：混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究 2 7 9 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Co n c r e t e S t o c h a s t i c Da ma g e Co n s t i t u t i v e La w SUN Ch a o， W U Xi a n g， ZH OU Y o n g， LIJi e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Co n c r e t e ，i n me s o s c o p i c l e v e l ，c a n b e a s s u me d t o c o n s i s t o f a g g r e g a t e ，c e me n t ma t r i x a n d t he i r i n t e r f a c i a l t r an s i t i o n z on e ．Ba s e d o n t hi s a s s u mptio n ，t h i s p a p e r n u me r ic a l l y i nv e s t i ga t e s t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e ．F i r s t l y n ume ric a l s pe c i me n s ，i n whi c h t h e a gg r e g a t e s a r e r a n d o ml y d i s t r i bu t e d a s we l l a s t h e g r a i n c o mp o s i t i o n c o mp l i e s wi th Fu l l e r Cu r v e ,a r e o b t a i n e d ．S e c o n d l y ，a s e t o f me c h a n i c a l p a r a me t e r s o be yi ng We i bu l l d i s t r i bu tio n t o g e the r wi th the da ma g e c rit e ria ，s u c h a s s t r e ng t h，e l a s t i c mo d ul us ，Po i s s o n’ S r a t i o e t c ． ， a r e a s s i g ne d t o the e l e me nt s o f di f f e r e nt ph a s e s r e s pe c t i v e l y ． T h i r d l y ， n u me ri c a l s p e c i me n s s u b j e c t e d t o u ni — a xi a l t e n s i o n ／ c o mp r e s s i o n are s i m u l a t e d v i a c omp u t e r ．Co mpa r i ng the s i m u l a t i o n r e s ul t s wi t h e x pe r i me n t d a t a ， o n e c a n fin d tha t the p r op os e d mo de l c a n r a t i o na l l y p r e di c t t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o nc r e t e ． Ke y wo r d s ： me s o — s c o p i c me c h a n i c s ； n u me r i c al s i mu l a t i o n ； s t o c h a s ti c d a ma g e ； c o n s t i t u t i v e l a w ⋯⋯⋯⋯__ _⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．_⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 ( 上接 第 2 7 2页) 参考文献 【 1 】 王勖成， 邵敏．有限单元法基本原理和数值方法 [ M】 ．北京： 清华大学出版社， 1 9 9 7 ． I EC 61 4 0 0 — 1 ， I n t e rn a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l Co mmi t t e e W i n d T u r b i n e s P a r t 1 ：De s i g n R e q u i r e m e n t s [ S ] ． 石亦平，周玉蓉．AB A QU S有限元分析实例详解 [ M】 ．北京：机械工业出版社， 2 0 0 6 ． Nu me r i c a l An a l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e W i n d T u r b i n e T o we r J l T a o， ZHOU Y o n g， LIJ ／ e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y , S h ang h ai 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Wi n d e n e r g y i s a k i n d o f p o l l u t i o n f r e e r e g e n e r a t e d r e s o u r c e ． At p r e s e n t the s t e e l h o l l o w t o we r i s wi d e l y u s e d ， b u t the r e s e arc h and d e s i g n o f c o n c r e t e t o we r i s v e r y l i mi t e d ． As the p o we r o f wi n d t u r b i n e g r o ws ， t h e h i g h e r t o we r i s n e e d e d ，a n d the c o n c r e t e t o we r h a s mo r e a d v an t a g e s ．I n t his p a p e r ,the f i n i t e e l e me n t me tho d i S u s e d t o a n a l y z e the me c ha n i c a l b e h a v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e wi n d t ur bi n e t owe r un d e r s t a t i c l oa d a n d v e ri f y th e d e s i g n o f an a c t u a l p r o j e c t ． I n the ana l y s i s ， d i ff e r e n t mo d e l i n g me tho d s ， i ． e ． s h e l l c o mp o s i t e e l e me n t mo d e l an d s o l i d e l e me n t mo d e l a r e e mp l o y e d a n d the r e s u l t s are c o mp are d ． F u r t h e r mo r e ． t h e i n f l u e n c e o f the o p e n i n g s i n t h e t o we r i s i n v e s t i g a t e d ． Th e p r e s e n t r e s e arc h ma y o f f e r s o me t h e o r e t i c al r e f e r e n c e s t o t h e d e s i g n an d c o ns t r u c t i o n o f r e i n f o r c e d c on c r e t e wi n d t u r bi n e t o we r i n th e f ut u r e ． Ke y wo r ds ：wi n d t u r b i n e t owe r ； f i ni t e e l e me n t ； s h e l 1 c o mp os i t e ； e m b e dd e d e l e me n t