强冰雪灾害下大型薄壁圆柱钢壳结构稳定性研究

2008年我国南方地区发生强冰雪灾害,造成不少钢结构破坏。在化工、电力等工程中有很多作为整个系统关键设备的大型薄壁圆柱钢壳结构,柱壳内通常需设置一些横梁支承工艺设备,壳体既受到由上部壳体、顶盖和设备自重等荷载形成的沿环向均匀分布的整体轴向压力,又受到横梁支座传递来的局部轴向压力。在这些荷载作用下结构已经积累了一定的内力和变形,一旦再遭受强冰雪灾害,面积较大的顶盖和相连的其他管道上会快速积聚较大的雪荷载,导致结构发生失稳破坏。根据结构施工和使用过程,考虑加载路径的影响,先施加整体均布轴向压力,再施加局部轴向压力,然后施加模拟强积雪荷载的均布轴向压力,对112个带焊缝初始缺陷的薄壁圆柱壳结构进行了非线性稳定性数值分析。研究表明:随着初始整体荷载水平提高,柱壳承受积雪荷载的能力下降;随着缺陷幅值的增大,柱壳承受积雪荷载的稳定承载力与整体均布轴压下的稳定设计承载力的比值增大,其后屈曲承载能力也提高。柱壳下部储有浆液时;壳体承受积雪荷载的能力有小幅提高。根据大量计算结果,提出了考虑加载历史的遭受强冰雪荷载的圆柱壳稳定性设计建议。     

温度荷载对新加坡植物园展览温室拱壳杂交结构设计的影响分析

新加坡植物园展览温室采用拱壳杂交钢结构体系.由于温度变化在大跨度结构中引起的内力与变形对结构安全有很大的影响,在设计中不可忽略.初步设计阶段时,温度荷载使得拱壳连接结点附近的壳体单元应力严重超标,因而将原方案采用的全刚性焊接节点改为铰接弹簧节点.本文运用两种有限元软件分析了结构在升温和降温两种荷载工况下的静力响应.然后选取部分荷载工况,对考虑温度荷载与不考虑温度荷载下结构的应力及变形进行了比较分析,验证了温度荷载在大跨度钢结构设计中的重要性.     

钢-混凝土空间组合壳体结构静力破坏试验

为研究钢-混凝土空间壳体结构在静力荷载下内力响应、破坏过程与失效机理,以球面钢-混凝土组合肋壳为对象,设计并制作整体结构和组合肋网2个缩尺模型,节点施加集中荷载进行结构破坏性试验。加载初期,两个试件变形均很小,整体结构模型中薄壳主要承受薄膜压力,组合肋中为轴压力;随着荷载增大,在组合肋壳加载壳面区域附近出现微小裂缝,组合肋网中加载点附近区域的混凝土与钢肋间出现微开裂。当壳面顶部出现交叉型裂缝,在一个加载点混凝土壳面压碎,下部组合肋节点混凝土部分也被压碎,在加载点附近形成局部塌陷区时,结构发生破坏;组合肋网模型中加载点处出现组合肋节点混凝土压碎,钢肋板出现局部褶皱,与圈梁相交的组合肋中钢肋板与混凝土间出现裂缝。试验结果表明:组合肋壳发生局部强度破坏;组合肋网由于局部杆件失效而发生破坏,试验测得组合肋壳最大承载力约为组合肋网的3倍,两个试件的荷载-位移曲线都表现出较好的延性。     

焊接结构屈曲后承载力分析

目前,GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》对冷弯薄壁型钢中受压板件屈曲后强度的利用进行了相关规定,GB50017-2003《钢结构设计规范》仅对承受静力荷载和间接承受动力荷载焊接梁腹板的屈曲后强度进行了考虑。为此,对焊接结构中板件考虑屈曲后强度的极限承载力进行深入研究,提出焊接结构中均匀受压板件在考虑几何缺陷和残余应力时的计算公式。此公式计算结果与GB50018-2002的接近,且公式形式简捷实用,可供工程设计使用。     

对轴压力作用下带有椭圆形开孔的圆柱形壳体屈曲的数值和试验研究

在圆柱形壳体的设计中,开孔对于其承载能力及屈曲性能的影响非常大。采用有限元方法对具有不同尺寸开孔的薄壁钢圆柱形壳进行模拟和分析,分析了开孔的位置、长度与直径比值（L／D）和直径与厚度比值（D／t）对圆柱形壳届曲和后屈曲性能的影响。采用INSTRON 8802液压系统对一些构件进行屈曲试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比发现,两者具有非常好的一致性。最后,基于试验和数值分析结果,提出计算这类结构屈曲荷载的公式。     

某带钢肋混凝土球壳结构分析

本结构采用单层肋环式球形网壳+混凝土球壳体系,跨度67.8m。采用SAP2000通用有限元分析软件对结构进行弹性阶段分析,并通过理论计算公式计算壳体应力和软件计算结果进行对比;并进行考虑施工过程的结构分阶段稳定分析,在考虑荷载变化、壳体刚度变化和初始缺陷的不同影响因素下,验证结构具有可靠的稳定性,并提出施工措施提高施工过程的稳定性;     

不同类型单层球面网壳结构弹性屈曲分析研究

文章利用ANSYS软件对三种类型的单层球面网壳结构进行弹性屈曲分析,在网壳尺寸及杆件截面相同的条件下,研究了网壳杆件分布形式对网壳屈曲临界荷载和屈曲模态的影响。研究结果表明:杆件分析形式对网壳屈曲临界荷载有较大的影响,其中,临界荷载从大到小依次为肋环斜杆型、K6型网壳、肋环型单层球面网壳;模态分析表明肋环斜杆型单层球面网壳稳定性最好。     

穹顶结构对储罐承载力影响分析

本文以某16万方LNG储罐设计为例,利用大型有限元软件ANSYS,分别建立考虑带肋式网壳结构、不考虑带肋式网壳结构的两种钢筋混凝土外罐模型,并以结构自重、活荷载、风荷载、预应力荷载及地震荷载为主要输入荷载进行有限元计算分析。提出带肋式网壳结构及预应力钢筋混凝土外罐设计相关建议。     

电除尘器中增大跨度桁架顶梁结构的优化设计研究

对电除尘器壳体顶梁提出了一种优化设计思路:即将保温层与原壳体小顶梁组合成一个桁架梁系,以增加梁系的整体截面高度,使桁架梁系的抗弯承载能力比原壳体小顶梁大幅提高,从而可以增大顶梁跨度,将两个小跨顶梁做成一个大跨桁架梁系,撤除原先的隔墙,以节省钢材。为此,采用一维梁杆结构体系计算方法和壳单元有限元方法对大跨桁架梁系的设计方案和内力计算方法进行研究,并着重用壳单元有限元方法对下弦箱形构件的承载性能进行研究,提出大跨桁架梁系的构件截面初选方法、优化构形方案以及内力计算方法,得到下弦箱形构件支承加劲肋端面承压计算方法、敏感的局部屈曲形式、最不利的初始几何缺陷模态,并对其横向加劲肋尺寸和纵向加劲肋高度位置提出优化建议。     

残余应力对局部轴压焊接圆柱壳承载力的影响

焊接钢圆柱薄壳广泛应用于钢筒仓和钢油罐结构中,屈曲通常是该结构的设计控制条件,圆柱薄壳的屈曲在大多数荷载工况下对焊接几何缺陷十分敏感.现有研究标明,焊接残余应力可少量提高均匀轴压圆柱壳的稳定承载力,但对于局部轴压荷载下圆柱薄壳中残余应力的效应,相关的研究很少.采用施加收缩应变法,建立了分别考虑焊接几何缺陷以及考虑或不考虑焊接残余应力焊接圆柱薄壳的数值分析模型,研究了含有周向焊缝、竖向焊缝以及砌砖式焊缝(patterned welds)的局部轴压焊接圆柱壳屈曲行为,通过比较考虑/不考虑残余应力圆柱薄壳的计算结果,得到残余应力对局部轴压圆柱壳承载力的影响.     

Design optimization of steel–concrete hybrid wind turbine tower based on improved genetic algorithm

The steel–concrete hybrid wind turbine tower is characterized by the lower part of the traditional steel tubular tower replaced with the concrete segment. The lateral stiffness will be improved obviously, and then, the excessive vibration of the steel tower can be solved effectively. Based on the improved genetic algorithm, an optimization program is built to consider the influence of materials, labor, machinery, and transportation on the construction cost of a steel–concrete hybrid tower for a 2.0‐MW wind turbine with a hub height of 120 m, in which the initial height of the concrete segment is 32 m. During the optimization process, design requirements of relevant specifications and industry standards are used as the constraints. The optimization variables include the bottom and top diameters of the tower, the wall thickness of each segment, the height of the concrete segment, and the area of the prestressed steel strand. By comparing the results of construction cost and structural capacity before and after optimization, it can be found that the steel–concrete hybrid wind turbine tower after optimization has the better structural stiffness and lower construction cost. The proposed optimization program can meet the design requirements and significantly improve the economic performance of the tower.     

风力发电机组塔架的结构形式及其风载、地震作用综述

风力发电机组的塔架属于高耸结构,承受风荷载和地震作用,可采用钢筒、钢格构、钢筋混凝土筒和钢一混凝土组合筒等多种结构形式。本文简要分析了各种结构形式的优缺点及研究现状,认为随着风力发电机组越来越大型化,钢塔筒面临运输和施工吊装困难。而其它形式的塔架,如钢格构、钢筋混凝土筒和钢一混凝土组合筒塔架,具有易运输、易施工的优点,已获得一定应用,并可能进一步推广。目前,对钢塔筒的研究较多,而对其它形式的塔架研究较少;并且由于叶片数据缺乏,风力发电机组承受的风、地震作用的计算不很准确;此外,研究者分析的风力发电机组数量有限,所得结论不一定具有普遍性。     

水平轴风力发电机组钢筋混凝土塔筒结构研究综述

随着风力发电机组技术的不断成熟,水平轴风力发电机组单机容量的日益增大,导致风力发电向着大型化和海洋化发展,风电机组塔架结构研究备受广大研究人员的关注。虽然目前采用最多的塔架形式是钢结构,但是钢筋混凝土结构塔架相对于钢结构塔架具有取材容易、运输方便、造价低、刚度大、稳定性好、耐腐蚀、节约钢材和维修费用低等优点,具有一定的发展前景。本文就混凝土塔筒结构形式进行总结、分析和对比,指出有待进一步研究的内容,为风电机组塔架结构技术研究提供参考。     

Comparison of stiffening types of the cutout in tubular wind turbine towers

A very efficient type of wind turbine tower is the tubular steel tower configured as a cantilever cylindrical or conical shell, which is used considerably nowadays. A typical feature of such towers is the presence of a manhole cutout near the bottom. This cutout is of considerable dimensions and lowers significantly the tower strength including stress concentrations and increased danger of local buckling. Therefore, it is common to stiffen the region around the cutout aiming at compensating for this loss of strength. In this paper the most common types of stiffening are investigated by means of nonlinear finite element analyses calibrated via experimental testing and the efficiency of each type is highlighted. It is found that simple stiffening types consisting of either a peripheral frame or two vertical stringers and a ring are particularly efficient and can be used instead of more complex ones. Rules for dimensioning of the stiffeners are also proposed.     

160‐m‐Fachwerkturm für eine Windenergieanlage – Die höchste Windenergieanlage der Welt

160 m self‐supporting lattice tower for a Wind Energy Conversion System. The highest wind energy system in the world. The highest wind energy conversion system of the world have been erected in Laasow near (by) Cottbus. The height of the tower is 160 m, and the height of the whole system up to the tips of the rotor blades is 205 m. The self‐supporting lattice tower from SeeBa supports a turbine EL2500 produced by Fuhrländer. The estimated output of about 7 million kWh corresponds to the consumption of about 1800 4‐person households. The advanced height of the structure represents a major challenge to static and design engineers, to suppliers and to the erection staff. This paper will give a short summary of the requirements concerning the static analysis for this tower. The differences between the present lattice tower and the normally used tubular steel towers will also be pointed out.     

风力发电整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分析

随着风力发电机发电容量的日益增大,风力发电塔结构越来越重要。由于预应力混凝土塔架相对于钢塔架具有造价低、刚度大、稳定性好、耐腐蚀、节约钢材和现场施工方便、维修费用低等优点,使得预应力混凝土结构有更好的发展前景。本文通过考虑风荷载引起的应变速率对混凝土强度提高的影响,对风力发电整体式预应力混凝土塔架进行了结构分析和设计计算,得到预应力混凝土塔架底截面的预应力筋和非预应力钢筋的配筋设计。     

风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在往复扭矩作用下的破坏机理研究

本文基于ABAQUS有限元软件,建立了风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在纯扭往复荷载作用下的"壳-实体"精细有限元模型,并进行了数值模拟计算.有限元模型计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上,对风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在纯扭往复荷载作用下的变形过程、破坏形态和机理进行了分析.研究表明,风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒...     

风电塔筒基础的设计研究

风电塔筒与基础连接一般采用地脚螺栓,因个别螺栓拧紧时断裂,处理较困难,有的工程改为埋入式基础.即在基础内埋置一段钢筒,与上部塔筒采用高强螺栓法兰盘连接,螺栓即使拧断,也可轻易更换.但这种基础受力较差,国内外均有整体拔出时出现倒塌事故的案例,且造价也较高.对风电塔筒基础设计进行研究,采用合理的地脚螺栓连接形式,可避免预埋...     

基于变形要求的钢-复合材料风机塔筒选型研究

近年来,随着风电机组的大型化发展趋势及近海、海上风机的应用,塔筒的高度和截面尺寸随之增大,防腐、加工及运输等方面一系列问题亟待解决。复合材料具有防腐性能、后期维护、运输安装等方面的优势,但一般弹模相对钢材较低,为充分发挥钢和复合材料的优势,本文提出了钢-复合材料组合风机塔筒结构方案。以变形作为控制指标,基于刚度等效的思想,采用阶梯折算法,推导了变截面钢塔筒和钢-复合材料组合塔筒在风机荷载及塔身风荷载作用下的顶端位移表达式。通过优化选型,给出了等刚条件下组合塔筒的最优化尺寸。采用有限单元法对组合塔筒和钢塔筒的结构性能进行了分析比较,验证了组合塔筒结构方案的可行性,可供钢-复合材料组合结构在风机塔筒中的应用参考。     

大型冷却塔表面脉动风压原型实测与分布准则

我国冷却塔规范风荷载条款仍源自20世纪80年代原型冷却塔（约90m高）实测资料,且仅规定了塔筒表面静态风压分布。事实上,超大型冷却塔（高度≥165m）风振问题与风荷载脉动作用关系更加密切,由此导致了冷却塔数学和物理试验模型雷诺数效应模拟准则的不完整性,难于准确再现冷却塔表面动态风荷载与来流条件、塔群组合状况等参数间的合理关系,已成为制约大型冷却塔抗风性能研究和结构设计的瓶颈。为此,采用全天候动态风压采集设备,对某电厂冷却塔（约166m高）进行通风筒表面动、静态风压长期现场观测,量化表面脉动压力与来流紊流度之间的影响关系,提出具有原创性的冷却塔超高雷诺数条件（Re≥6E7）脉动风压雷诺数效应模拟准则。