钢管混凝土格构式风电机塔架节点静力性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 5 Mar 2013 钢管混凝土格构式风电机塔架节点 静力性能试验研究 * 李斌 1， 乔 明 1， 高春彦1， 2 ( 1 内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头 014010; 2 南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016) 摘要对 6 个钢管混凝土格构式风电机塔架焊接相贯节点和焊接管板节点进行了缩尺模型试验， 研究了这两种 塔架节点的破坏机理和破坏特征、 节点进入塑性后的变形发展过程以及节点交汇区域的复杂应力状态和分布规 律。试验结果表明: 塔柱钢管内混凝土的存在， 使钢管混凝土节点的破坏模式和力学性能与空钢管节点大大不同， 钢管混凝土相贯节点的破坏形态为受压腹杆局部屈曲破坏， 管板节点的破坏形态为节点板受压屈曲和受拉撕裂破 坏， 没有出现节点区塔柱管壁在受拉、 受压腹杆接头处的塑性变形失效。由试验结果还得到: 两种节点交汇处塔柱 管壁以及节点板的应力分布极不均匀， 个别测点已经进入塑性而有的测点仍然处于弹性阶段。由破坏形态和节点 区的应力分布情况得到了一些设计建议， 为实际工程塔架节点的设计提供参考。 关键词钢管混凝土;格构式塔架;相贯节点;管板节点;静力性能 中图分类号: TU398文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 05- 0035- 04 Static behavior study on latticed concrete- filled steel tubular wind turbine tower joints Li Bin1，Qiao Ming1，Gao Chunyan1， 2 ( 1 Architecture and Civil Engineering Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China; 2 College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China) Abstract: Six latticed concrete-filled steel tubular ( CFST)wind turbine tower K-shape joints were carried on the static load test，which included the weld intersecting joint and the gusset plate joint The failure mechanism and characteristics on the two kinds of K-shape joints，the deformation development process after joints entered plastic stage and the stress state and distribution of joint intersection area were studied The results show that the failure mode and mechanical behavior of CFST K-shape joints are greatly different from that of the hollow steel tubular K-shape joints because of the existence of core concrete，the failure mode of the weld intersecting joints show the local buckling of compression web member and that of the gusset plate joints present as the compression buckling and tension tearing of the gusset plates，while the plastic deformation failure of tower column tube wall in joint area is not appear It is also shown by test results that the stress distribution of tower column tube wall and gusset plate in joint intersection is extremely non-uniform，individual parts already enter plastic state but some other parts are still in elastic state According to the failure mode and stress distribution conditions of the two kinds of K-shape joints，some design suggestions are drawn，which can provide reference for the latticed CFST wind turbine tower joints Keywords: concrete-filled steel tube;latticed tower;weld intersecting joint;gusset plate joint;static behavior * 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 51068021 ) ， 包 头 市 科 技 攻 关 项 目 ( 2010Z1002， 2011Z1006) ， 内蒙古自然科学基金项目( 2012MS0711) 。 作者简介: 李斌， 博士， 教授， Email: btlibin 189 cn。 0引言 近几年来， 风力发电作为新能源战略的领头军 越来越受到人们的重视。塔架作为风力发电机组中 的主要支承装置， 将风电机与地面连接， 为水平轴叶 轮提供需要的高度， 其重要性随着风力发电机组容 量、 高度的增加而愈来愈明显。塔架结构按其结构 形式可分为锥台式、 格构式等几种形式。目前在国 际风电市场上， 大型风力发电机组普遍采用的是锥 台式塔筒。格构式塔架与锥台式塔筒相比， 耗材少、 运输成本低， 在高度和刚度设计要求相同的情况下， 材料消耗约减小 40% ， 能进一步降低风电成本， 尤 其是近年高度超过 100m 的塔架中， 格构式塔架结 构的高性价比吸引着各国学者的目光 1。 为保证风力发电机塔架的安全可靠运行， 设计 人员对格构式塔架节点的分析和处理给予了特别的 关注。格构式风力发电机塔架节点的受力机理复 杂， 要得到节点的破坏形态、 节点极限承载力的精确 解析解几乎是不可能的， 理论分析的正确与否必须 通过试验来验证， 因此进行格构式塔架节点的试验 建筑结构2013 年 研究尤为重要 2， 3。 到目前为止， 国内外大量的研究工作和实际工 程应用主要集中在空钢管焊接相贯节点及节点板连 接的节点上。焊接相贯节点相贯处曲面复杂， 对坡 口有较高的精度要求， 手工切割质量难以保证， 必须 采用数控切割机床， 且该种节点对钢管和焊缝质量 要求也较高。节点板连接的节点通过在腹杆末端开 槽， 与节点板的插接长度及各杆件夹角可调， 施工难 度小， 但节点焊缝较多， 焊接耗时 4。据文献 5报 道， 研究人员对钢管混凝土节点的研究起源于海洋 钻井平台的应用， 为了对海洋钻井平台的钢管节点 进行修补、 加强， 而在圆钢管节点中进行混凝土灌 浆， 虽然当时没有将其作为一种新的节点形式进行 深入研究， 但是发现填入混凝土的钢管节点承载力 大大地提高了。本文以丰富塔架的结构形式、 拓展 钢管混凝土结构的使用范围为目的， 从格构式钢管 混凝土三肢柱风力发电机塔架中取出 K 形节点进 行了缩尺模型静载试验， 研究了不同类型节点的破 坏机理和破坏特征、 节点交汇区的复杂应力状态和 分布规律， 以期为实际工程中塔架节点的设计提供 参考。 1试验概况 1. 1 试件的设计与制作 本次试验依据文献 6共设计了 6 个钢管混凝 土 K 形塔架节点， 并进行了静力单调加载。考虑试 验仪器加载能力及场地条件， 节点试件按 1 1. 8 缩 尺制作， 试件参数见表 1。节点类型包括焊接相贯 节点及焊接管板节点。相贯节点焊缝为周圈熔透角 焊缝， 管板节点采用支管末端开槽与节点板插接后 焊接。 试件参数表 1 试件 组别 节点 形式 构件尺寸 /mm 塔柱截面长度腹杆截面长度节点板 1 / 2 / JD1相贯节点219 62 00089 4750无 JD2管板节点219 62 00089 4750402 180 4 5664 注: 1为受压腹杆与塔柱的夹角; 2为受拉腹杆与塔柱的夹角。 JD1， JD2 组均包含 3 个试件， 分别为 JD1- 1， JD1- 2， JD1- 3 和 JD2- 1， JD2- 2， JD2- 3。 节点试件中塔柱和腹杆材料均采用 20 号热轧 无缝钢管， 节点板钢材采用 Q235， 钢材的力学性能 指标见表 2。塔柱内灌注 C40 混凝土， 配合比为: 水 泥 沙子 石子 粉煤灰 水 外加剂 = 375 750 995 110 170 11. 5。混凝土 28d 及试验时的立方体试块 抗压强度分别为 60， 61MPa， 弹性模量 Ec为 4. 02 104MPa。 钢材力学性能表 2 钢材种类 屈服强度 /MPa极限强度 /MPa弹性模量 /( 105MPa) 腹杆3104102. 01 塔柱2954481. 86 节点板3044202. 02 1. 2 试验装置与加载制度 本次试验采用液压伺服作动器对塔架节点进行 静力加载， 试验节点采用卧位放置。试验时， 用地脚 螺栓将承力底座固定， 将塔柱水平放置于支撑架上， 其两端通过端板用螺栓与承力底座连接; 腹杆端部 用法兰连于液压伺服作动器上， 分别施加拉、 压力， 液压伺服作动器两端均设置有钢铰。由于设计塔架 在正常工作状态下， 塔柱的轴压比仅为 0. 05， 对节 点区应力影响很小， 因此试验中不对塔柱施加轴力， 试验装置如图 1 所示， 试验现场照片如图 2 所示。 图 1节点试验装置图 图 2节点模型的试验照片 利用 SAP2000 对塔架整体模型进行有限元计 算可知， 在荷载作用下塔架某一节点上层斜腹杆的 内力大约是下层斜腹杆内力的 1. 0 1. 35 倍， 在本 次试验中拉、 压千斤顶对节点腹杆分别施加同步等 比例的反对称荷载， 即 F拉= 1. 35F压。 试验采用逐级加载的方式， 压杆每级加载值取 预估极限承载力的 10% ， 拉杆每级加载值为压杆的 1. 35 倍。在节点变形增长进入非线性阶段后， 为完 整地观测节点的破坏形态， 加载级差降为 5% ， 直到 试件破坏。 63 第 43 卷 第 5 期李斌， 等 钢管混凝土格构式风电机塔架节点静力性能试验研究 2试验结果分析 2. 1 试件破坏特征分析 为了更准确地描述节点破坏过程和特征， 定义 了两种类型节点各区域的名称， 如图 3 所示。 图 3两种节点各区域名称指示图 焊接相贯节点的破坏过程为: 随着荷载的增加， JD1- 1 和 JD1- 2 均 首 先 在 受 压 腹 杆 靠 近 塔 柱 约 100mm 的位置发生明显的局部屈曲。受压腹杆失 效后， 继续对受拉腹杆施加拉力， JD1- 1 节点间隙处 的塔柱管壁被轻微拉裂。JD1- 2 节点间隙处接近受 拉腹杆冠点的塔柱管壁被拉裂， 裂缝向下延伸， 最后 裂缝宽约 3mm， 长约 10cm。JD1- 3 的破坏与前两个 试件略有不同: 其受压腹杆局部屈曲后， 在受压腹杆 的跟点处由于过度的弯曲变形被拉裂， 试验终止。 节点典型破坏特征如图 4( a) 所示。 焊接管板节点的破坏过程为: 随着荷载的增加， 节点板的自由边首先发生屈曲， 由于腹杆的拉、 压力 沿塔柱轴向的剪力作用， 各节点板在受压腹杆的外 侧沿屈折线被撕裂。此后保持受压腹杆的压力不 变， 继续对受拉腹杆施加拉力， 在其靠近塔柱端部的 1 点位置处的焊缝撕裂， 接着节点板在受拉腹杆的 外侧沿撕裂线被拉裂。节点典型的破坏特征如图 4 ( b) 所示。 由破坏过程可知， 两类节点由于钢管混凝土塔 柱的刚度远远大于腹杆的刚度， 塔柱管壁受到内部 混凝土的支承作用， 抵抗局部屈曲的能力大大增强， 使得节点失效时的破坏形态有别于空钢管节点， 节 点区的塔柱管壁在受拉、 受压腹杆接头处均没有出 现塑性变形失效。 焊接相贯节点的破坏模式为受压腹杆局部屈 曲， 塔柱在间隙处被不同程度地拉裂。本文建议: 在 工程设计中， 由于相贯节点本身构造复杂， 造成节点 各杆件交汇区域的应力过分集中。因此可增大节点 区塔柱壁厚并适当在纵向加肋， 以缓解节点区相贯 线处的应力集中现象， 有效改善节点区相贯线附近 塔柱管壁的受力性能。 焊接管板节点的破坏模式为节点板局部屈曲， 并沿屈折线和撕裂线出现不同程度的撕裂破坏。本 文建议: 在工程设计中， 可通过增大节点板厚度， 并 设置环向加劲肋， 以增大节点板平面外的刚度和承 载力。 图 4试件典型破坏特征 2. 2 节点区塔柱管壁应力分析 由于节点在塔柱与腹杆交汇的区域受力复杂， 为了考察节点交汇区域的复杂应力状态及其分布规 律、 塔柱管壁进入塑性的先后顺序， 根据能量强度理 论计算出 JD1- 2， JD2- 1 塔柱及节点板在弹性范围内 若干加载步下各测点的 von Mises 等效应力， 各测点 的应变花布置如图 5 所示 7。以 von Mises 等效应 力作为纵坐标， 三向应变片编号作为横坐标， 各级试 验荷载所对应的各测点等效应力作为一个数据系 列， 得出节点交汇区塔柱管壁的等效应力分布曲线 如图 6 所示， JD2- 1 节点板的等效应力分布曲线如 图 7 所示。 由图 6( a) 可知， 相贯节点塔柱与腹杆交汇区域 塔柱的应力分布极不均匀， 且随荷载的增加， 这种现 象更加明显。等效应力增长较快的区域位于节点区 冠点与鞍点之间的塔柱管壁上， 节点间隙处( 测点 5) 和受拉腹杆冠点( 测点 6) 处塔柱管壁的应力已达 到屈服强度。而其他区域测点的等效应力远远低于 前者， 其中以跟点处的为最小。由图还可以发现， 受 压腹杆两侧的塔柱管壁上测点 1， 2， 3， 4 处的应力值 均分别小于受拉腹杆两侧测点 9， 8， 7， 6 处的应力 值， 说明在受压腹杆连接接头处， 腹杆的压力通过接 头传递到钢管混凝土塔柱上， 由核心混凝土和钢管 壁共同承担压力， 且混凝土的支承作用限制了塔柱 钢管壁的凹陷变形。而在受拉腹杆的连接接头区 域， 塔柱的钢管壁受到拉力后会向平面外变形， 此时 73 建筑结构2013 年 图 5节点区应变花编号 图 6 节点交汇区塔柱的等效应力分布曲线图 7JD2- 1 节点板的等效应力分布曲线 部分管壁会与核心混凝土脱离， 因此受拉腹杆两侧 塔柱管壁的应力值偏大。 由图 6( b) 可知， 管板节点交汇处塔柱管壁的等 效应力沿节点板的长度方向分布亦不均匀， 节点板 中部塔柱管壁的等效应力最小， 越往端部等效应力 越大， 在节点板端部的塔柱管壁有严重的局部应力 集中现象( 测点 1， 5) ， 最先进入屈服状态。由图 7 可知， 节点板的等效应力分布亦不均匀。受压区的 高应力区主要集中在测点 6， 8 处， 而角部测点 10 处 的应力却很低; 在节点板的受拉区， 由于测点 13 位 于节点板拉、 压应力交汇的路径上， 应力最为复杂， 因此节点板该处的应力增长速度最快; 而测点 12， 15 处的应力集中现象也很明显， 与节点板端部塔柱 管壁的高应力现象相吻合。因此， 在实际设计时可 考虑在节点板中部、 端部都设置环向肋板， 既缓解了 节点板和塔柱管壁的应力集中现象， 又可避免节点 板焊缝发生撕裂破坏。由图 6( b) 还可以发现， 管板 节点连接处受拉腹杆末端的塔柱等效应力( 测点 4) 略大于受压腹杆末端的塔柱等效应力( 测点 2) ， 这 也是由于塔柱内填充了混凝土而导致传递到此的应 力值较小。 3结论 ( 1) 焊接相贯节点的破坏模式为受压腹杆局部 屈曲， 节点间隙处的塔柱管壁发生了不同程度的撕 裂破坏; 焊接管板节点的破坏模式为节点板局部屈 曲， 且沿着撕裂线和屈折线被撕裂， 而钢管混凝土塔 柱管壁无任何塑性变形。 ( 2) 两种节点交汇处塔柱管壁和节点板的应力 分布都极不均匀， 除个别测点处的应力达到屈服强 度外， 其他部分的应力远小于屈服强度。对于焊接 相贯节点， 节点交汇区冠点与鞍点之间的塔柱管壁 应力集中显著， 建议增大节点区的塔柱壁厚并设置 纵向加劲肋。对于焊接管板节点， 节点板端部的塔 柱管壁以及中部和端部的节点板也存在应力集中现 象， 建议在节点板的中部、 端部都设置环向肋板以缓 解高应力和焊缝撕裂。 ( 3) 塔柱钢管内混凝土的存在， 使钢管混凝土 节点的破坏模式和力学性能与空钢管节点完全不 同， 基于钢管混凝土塔架节点试验研究的承载力计 算方法以及节点区塔柱和腹杆的强度和刚度的最佳 匹配值仍值得进一步探索和分析。 参考文献 1芮晓明，柳亦兵，马志勇 风力发电机组设计M 北京:机械工业出版社，2010 ( 下转第 44 页) 83 建筑结构2013 年 承载力的影响较为明显， 即图 11 所示。 4结论及建议 基于复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点的 试验研究， 采用 ANSYS 软件建立了此类新型节点的 非线性有限元模型， 进一步明确了复式钢管混凝土 外钢管不连通环梁节点的力学性能、 工作机理及破 坏形态。通过分析， 得到以下结论: ( 1) 有限元计算得到节点模型的滞回曲线和骨 架曲线与试验结果大致吻合， 从而验证了有限元模 型中采用的单元类型、 材料本构及破坏准则合理可 行， 验证了有限元方法的正确性。 ( 2) 在有限元分析中， 没有考虑钢筋和混凝土、 钢管与混凝土之间的粘结滑移， 且混凝土材料具有 很大的离散性， 又由于 ANSYS 程序自身的限制， 数 值模拟的滞回曲线和骨架曲线难以与实测结果完全 一致。 ( 3) 通过对环梁和钢管的 von Mises 应力云图 分析， 进一步明确了此类新型节点的传力机制及最 终破坏形态， 在环梁端部出现塑性铰， 与试验的破坏 形态相同。在今后的工程分析中， 可以采用有限元 数值模拟来分析结构的传力机制及破坏形态， 根据 所得结果对结构构造进行适当改进。 ( 4) 参数分析的结果表明， 节点处竖筋配筋率、 竖筋锚固长度及框架梁的混凝土强度等级变化均对 节点的承载力有一定影响， 但对曲线形状影响不大。 此类节点的破坏形态主要是在环梁端部出现塑性 铰， 所以节点核心区及环梁处混凝土强度对节点极 限承载力的影响较为明显。通过研究， 进一步为复 式钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点设计时的材料 参数选取提供参考， 为复式钢管混凝土柱节点的工 程应用做好铺垫工作。 参考文献 1钟善桐 钢管混凝土结构M 3 版 北京: 清华大 学出版社， 2003 2张玉芬， 赵均海， 李小伟 基于统一强度理论的复式 钢管混凝土轴压承载力计算J 西安建筑科技大 学学报: 自然科学版， 2009， 41( 1) : 41- 46 3BETTEL J，THAMBIRATNAM D，PERERA N Cyclic behavior of concrete filled steel tubular column to steel beam connectionsJEngineering Structures，2002， 24( 1) :29- 38 4汤文锋， 王毅红， 史耀华 新型钢管混凝土节点的非 线性有限元分析J 长安大学学报: 自然科学版， 2004， 24( 5) : 60- 63 5HANLINHAI， WANGWEIHUA， YUHONGXIA Experimental behaviour of reinforced concrete ( RC ) beam to concrete-filled steel tubular ( CFST) column framessubjectedtoISO- 834standardfire J Engineering Structures，2010， 32( 10) : 3130- 3144 6魏琏， 王志远， 王森， 等 钢管混凝土梁柱-RC 环梁节 点计算方法的研究J 建筑结构， 2008， 38( 3) : 29- 33 7王先铁， 郝际平， 周观根 方钢管混凝土柱隔板单边 贯通节点性能研究J 建筑结构， 2009， 39( 6) : 43- 46 8张玉芬， 王育平， 赵均海 复式钢管混凝土外钢管不 连通环梁节点抗震性能试验研究J 土木工程学 报， 2012， 45( 6) : 90- 100 9聂建国， 秦凯， 肖岩 方钢管混凝土柱节点的试验研 究及非 线 性 有 限 元 分 析J工 程 力 学， 2006， 23 ( 11) : 99- 115 10MALEKI S， TABBAKHHAMNumerical studyof slotted-web-reduced-flangemomentconnection J Journal of Constructional Steel Research，2012， 69 ( 1) : 1- 7 11刘付均， 蔡健 新型钢管混凝土柱-板节点受力性能 非线性有限元分析J 建筑结构， 2010， 40( 11) : 91- 96 12韩林海 钢管混凝土结构 理论与实践M 北 京: 科学出版社，2004 13过镇海，时旭东 钢筋混凝土原理和分析M 北 京: 清华大学出版社，2003 14NIE JIANGUO，BAI YU，CAI C SNew connection system of confined concrete columns and beams I: experimentalstudy J JournalofStructural Engineering，2008，134( 12) :1787- 1799 15LI WEI，HAN LINHAI Seismic performance of CFST column to steel beam joints with RC slab:analysisJ Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67( 1) : 127- 139 ( 上接第 38 页) 2鲍侃袁，沈国辉，孙炳楠， 等 高耸钢管塔 K 型结点 极限承载力的试验研究和理论分析J 工程力学， 2008， 25( 12) : 114- 121 3宋谦益 圆钢管混凝土-钢管 K 形节点的力学性能研 究D 北京: 清华大学，2009 4舒兴平 高等钢结构分析与设计M 北京: 科学出 版社， 2006 5JEFFREY A PACKER Concrete-filled HSS connections J Journal of Structural Engineering，1995， 121( 3) : 458- 467 6GB 500172003 钢结构设计规范S 北京:中国 计划出版社，2003 7乔明 钢管混凝土格构式风电塔架节点受力性能研 究D 包头: 内蒙古科技大学， 2012 44