风电机组混合塔筒转接结构的轴压性能试验_郭松龄.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 33 风电机组混合塔筒转接结构的 轴压性能试验 风电机组混合塔筒转接结构的 轴压性能试验 郭松龄1，邓 然2，曹 锋2，王宇航2，周 扬1，彭 驰1（1中国船舶集团海装风电股份有限公司，重庆 400037；2重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）摘 要：摘 要：对 4 个钢筋混凝土转接环缩尺试件进行轴压试验，得到转接环的典型破坏模态，并分析试件的荷载-变形关系和钢筋的应变发展规律，考察配筋率对试件承载性能的影响。研究结果表明：当配置了适量的底部环向钢筋时，转接环的破坏模式为延性破坏，表现为混凝土裂缝逐渐从底部向上发展，最终环向钢筋屈服、混凝土被压碎；当底部环向钢筋配筋率过高时，转接环容易发生脆性破坏；增加箍筋对提高试件承载力作用不大，但可改善试件的变形能力。关键词：关键词：风力发电；混合塔筒；转接结构；轴压；破坏模式 中图分类号：中图分类号：U661.43 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.05 Experimental on the Axial Compressive Behavior of Adapters in the Hybrid Tower for Wind Turbine GUO Songling1,DENG Ran2,CAO Feng2,WANG Yuhang2,ZHOU Yang1,PENG Chi1(1.CSSC Haizhuang Wind Power Co.,Ltd.,Chongqing 400037,China;2.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)Abstract:4 reinforced concrete adapter specimens are tested under axial compressive load.The typical failure modes of specimens are obtained and the load-deformation relations and the strain development are analyzed.Meanwhile,the effect of rebar ratio on the compressive behavior of specimens is investigated.The results show that:The failure of the adapter is ductile when appropriate amount of bottom circumferential reinforcement is deployed,the failure mode shows that the concrete cracks gradually develop from the bottom to the top,and finally the circumferential reinforcement yields and the concrete is crushed.When the reinforcement ratio of bottom circumferential reinforcement is too high,the adapter is prone to brittle failure.Increasing stirrups has little effect on increasing the bearing capacity of the specimen,but it can improve the deformation capacity of the specimen.Key words:wind power;hybrid tower;adapter;axial compression;failure mode 0 引言引言 目前，我国能源发展正处于深刻变革和重大调整的关键时期。大力发展风电清洁能源，是推动我国发电技术进步和产业升级，实现“双碳”目标的重要举措1。我国中东部及南部低风速区接近经济发达地区，用电需求量大，可实现就地消纳，是我国陆上风电开发的重点区域2。与高风速区相比，低风速区的风电机组需要轮毂高度更高的塔筒，以获取更大的风速来提高发电量。传统钢塔筒在轮毂高度较高时，由于抗侧刚度较小，自振频率较低，容易引发塔筒与风轮的共振，造成叶片和机舱设备损伤。同时钢塔筒下部弯矩较大区域容易发生钢板局部失稳，从而引起整机倒塌3。为了提高刚度和稳定性，钢塔筒底部往往采用较大的直径和壁厚，导致用钢量大、造价高和运输困难等问题。近年来，预制混凝土混合塔筒在低风速区轮毂高度100 m以上的风电机组中得到了一定的应用。收稿日期：2021-11-30；修回日期：2022-01-10 基金项目：国家自然科学基金项目（51822804）；霍英东教育基金会青年教师基金（171066）。作者简介：郭松龄（1992），男，硕士、工程师。研究方向：风电机组支撑结构设计。通信作者：王宇航（1985），男，博士、教授。研究方向：钢-混凝土组合结构、风电结构等。专题：海洋可再生能源 34 如图 1 所示，预制混凝土混合塔筒由上部纯钢塔筒和下部预制混凝土塔筒组成。该类型塔筒具有刚度大、抗疲劳性能好等优势，因此应用前景十分广阔。图 1 低风速区的预制混凝土混合塔筒与转接结构 近年来，工程界和学术界围绕预制混凝土混合塔筒的生产工艺4、施工关键技术5-6及结构性能7-8等方面展开了一系列研究。研究对象主要针对混凝土塔筒整体或分片构件，对于转接结构的研究则较少有报道。在预制混凝土混合塔筒中，上部纯钢塔筒和下部预制混凝土塔筒通过转接环连接。如图 1(b)所示，转接环通常采用钢筋混凝土结构，通过预应力筋和螺栓分别与下部预制混凝土塔筒和上部钢塔筒连接。转接环连接了2 种不同形式的塔筒，同时受到较大的弯矩、扭矩和上部结构自重和预应力引起的轴向荷载，是塔筒的关键构件之一。目前对其工作机理和计算方法尚未形成明确的认识，在设计中往往采用较保守的方式，造成配筋密集和材料浪费。因此，本文对钢筋混凝土混合塔筒的转接环开展轴压试验研究，以揭示其破坏机制和承载特性，并考察配筋率与转接环受力性能间的变化规律。1 试验概况试验概况 1.1 试件设计与加工试件设计与加工 考虑到试验装置平台的实际尺寸，基于某140 m、3.5 MW 预应力钢-混凝土混合塔筒工程中的转接环设计资料，按照 1/4 缩尺比例设计并制作了 4 个钢筋混凝土转接环试件。试件的示意图见图 2，几何尺寸见表 1。试件变化的参数为底部环向钢筋配筋率 1和箍筋配筋率 2。C-1 为标准试件，其配筋率根据实际工程采用的配筋率确定；C-2 和 C-3 为箍筋配筋率对比试件；C-4 为底部环向钢筋配筋率对比试件。各试件的配筋率参数信息见表1。图2 试件示意图 表1 试件几何尺寸 编号 H1/mm H2/mm H3/mm D1/mmD2/mmD3/mmD4/mmD5/mmD6/mm 1/%2/%C-1 500 450 50 662.5 1 112.51 380 1 193.31 220 80 1.72 1.82C-2 500 450 50 662.5 1 112.51 380 1 193.31 220 80 1.72 2.42C-3 500 450 50 662.5 1 112.51 380 1 193.31 220 80 1.72 3.64C-4 500 450 50 662.5 1 112.51 380 1 193.31 220 80 3.14 1.82注：1=AS/A，AS为底部环向钢筋横截面面积总和，A 为转接环横截面面积；2=ASW/S，ASW=ASV1n，ASV1为箍筋单肢横截面面积，n 为单个箍筋的肢数，S 为相邻 2 个箍筋间的间距。试件加工步骤：1）钢筋下料。根据环向钢筋和箍筋的设计尺寸进行钢筋下料。由于试验需要测量部分钢筋的应变，因此预先在所需测点处粘贴应变片，见图3(a)。2）钢筋绑扎。严格按照设计要求绑扎环向钢筋和箍筋，见图 3(b)。所有环向钢筋接头处均采用搭接连接。3）支模。钢筋绑扎完成之后进行支模，支模时留出钢筋保护层厚度，并将应变片的导线通过模板上的预留洞口拉出，见图3(c)。4）混凝土浇筑及养护。进行混凝土浇筑，见图3(d)。浇筑过程中用振捣棒沿环向分段进行多次振捣，确保混凝土浇筑密实，最后对混凝土浇筑上表面进行2 次抹平处理，同时保护应变片导线不被混凝土包裹。钢筋混凝土转接段钢筋密集(a)混合塔筒(b)转接环(a)试件外观(b)内部钢筋(c)平面尺寸(d)剖面尺寸 D3D5D1D2郭松龄等，风电机组混合塔筒转接结构的轴压性能试验 35 混凝土浇筑完成后进行自然养护。5）拆模及试验准备处理。养护28 天后进行拆模。拆模之后在混凝土表面刷上白色油漆，便于试验之中观察裂缝发展及破坏现象，见图3(e)。图3 试件加工过程 1.2 材料性能材料性能 所有试件的混凝土均采用 C50 等级，在浇筑试件时，用同一批混凝土制作6 个边长为150 mm 的标准混凝土立方体试块，将试件和试块放置在相同条件下养护。进行试件加载前，按照 GB/T 500812002 的规定进行强度试验，见图 4(a)。测得混凝土立方体抗压强度平均值为51.3 MPa。所有试验试件的钢筋均采用HRB400 规格。根据GB/T 228.12010 的规定，实测得到的钢筋屈服强度 fy和极限强度 fu见表2。图 4 材料性能试验 表 2 钢筋的材料性能 类别 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/MPa 6 钢筋 425 590 214 783 10 钢筋 435 600 212 657 1.3 加载与测量方案加载与测量方案 试验在中交公路长大桥建设国家工程研究中心进行，采用该中心的桥梁结构减隔震静动力性能测试系统中的竖向静力加载系统对试件进行轴压加载。加载前试件几何中心应与加载装置下承载板中心严格对准，以保证试件轴心受压。加载装置见图5。图5 试验加载现场 试验采用单调轴压加载，分为预加载和正式加载2 个阶段。预加载的主要作用是检查试件是否均匀受力，以及应变片和位移计是否正常工作。预加载的荷载大小约为10%试件峰值荷载预。加载之后卸载至0，开始正式加载。采用力和位移组合控制的加载方式，加载步骤见表 3。当试件荷载降至峰值荷载的 85%以下或试件变形破坏严重时，停止加载。试验主要测量的内容包括试件的轴向荷载、轴向位移和钢筋应变。其中，轴向荷载由力传感器测量，轴向位移采用在顶部压力加载装置四角放置 4 个(a)加载装置(b)加载过程(d)浇筑混凝土(e)制作完成后的试件(a)钢筋下料与应变片粘贴(b)钢筋绑扎(c)支模(a)混凝土(b)钢筋专题：海洋可再生能源 36 LVDT 位移计（见图 6）进行位移测量，同时试验装置位移传感器也进行位移记录，将两者测得的数据进行对比校核。钢筋上应变片的布置点见图 7，因为试件为双轴对称结构，因此只需在 1/4 圆周上布置应变片。布置了应变片的钢筋和箍筋位置在图7 中标出。表 3 试验加载步骤 控制 方式 加载方式 力 每级：500 kN/3 min（每级持荷时间 1 min，加载4 级至 2 MN）位移 每级：0.5 mm/3 min（每级持荷时间 1 min，加载至试验结束）图 6 位移计布置示意图 图7 钢筋应变测点 2 试验结果试验结果 2.1 试件试件 C-1 试件 C-1 的底部环向钢筋配筋率为 1.72%，箍筋配箍率为 1.82%。加载初期，随着荷载的增加，试件顶部外边缘混凝土逐渐剥落，见图8(a)；加载至2 700 kN时，