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。     

Improved design of tubular wind tower foundations using steel micropiles

The constant increase in the wind power production leads to the need of higher wind towers, which brings up some questions regarding the effectiveness of tubular towers and respective foundations. This work focuses on the comparative structural design, life cycle behaviour and costs of onshore concrete shallow foundations for tubular wind towers (WT) when steel micropiles are used to improve resistance of the soil–structure interface (hybrid foundation). Typical wind loading for Turbine Class II and moderate seismicity (.25 g peak ground acceleration) is used to design and analyse 18 WT foundation case studies. This allows the comparison between shallow and hybrid foundations designed for three different hub heights and respective turbine rated power (80 m/2 MW, 100 m/3.6 MW and 150 m/5 MW) and for three different tubular tower solutions (steel, concrete and hybrid steel–concrete). The possible benefits of the solution using steel grouted micropiles are discussed in terms of potential environmental and economic impacts using life cycle analysis. The use of micropiles reveals to be an interesting solution to improve common shallow WT foundations since it allows the reduction of the dimensions of the foundation leading to significant environmental and cost benefits.     

上海中心大厦结构分析中若干关键问题

上海中心大厦高632m,采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力结构体系,为钢-混凝土混合结构。简要介绍了该结构工程的建筑设计、结构体系特点以及结构整体设计指标,并对计算结果进行分析。针对结构分析中若干关键问题的分析结果：结合规范与建筑功能布局,合理确定了结构活荷载取值;对结构进行了详细的风致响应研究,将风洞试验结果与荷载规范结果进行比较,并探讨了两者之间的差异;对结构进行了详细的地震作用反应分析,确定了性能化目标和地震动反应谱,得到了结构的抗震可靠度;对巨型柱承载力以及延性进行了详细研究,分析了巨型柱钢骨选型的影响因素;对结构用钢量进行了合理优化,并采取了具体的优化措施,可节省钢材12000t;罕遇地震作用下弹塑性时程分析表明,结构能够满足抗震性能化目标,具有较好的延性。图17表8参3     

斜拉桥塔梁同步施工技术研究与应用

合生大桥为无上横梁独塔双索面斜拉桥,在施工阶段的设计基准风速作用下,裸塔塔顶会发生几十公分的位移,上塔柱和下塔柱的根部处均有可能产生较大的拉应力导致混凝土开裂。采用塔梁同步施工方案,一方面可以减小裸塔的高度,另一方面也可增加塔柱封顶后的结构刚度和重量,这两方面都可以有效地减弱塔柱的风振响应,在不需要增加减振设备的情况下就可保障施工期间的塔柱结构安全。本文介绍了塔梁同步施工技术的研究与应用。     

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。     

天津高银117大厦结构体系设计研究

天津高银117大厦建筑高度597m,共117层,是中国在建的屋顶高度最高的建筑物,结构高宽比达到约9.5,均大大超过现行规范限值。为满足结构抗震与抗风的技术要求,结构采用含有巨型组合柱、巨型支撑及转换桁架组成的外框架以及含有组合钢板剪力墙的钢筋混凝土核心筒形成的巨型框架钢-混凝土混合结构体系。塔楼的结构高度、高宽比、巨型柱截面尺寸等均创造了中国现有建筑物的工程记录。结合新抗震规范的部分要求,作为在高震区设计建造的超高层建筑,在反应谱选取、整体刚度控制、材料与构件选型、性能化设计、巨型柱设计、防倒塌及稳健性分析、弹塑性动力时程分析等方面均体现了许多新的特点和设计要求。     

Vorgespannte Betontürme für Windenergieanlagen: Einflüsse nichtlinearer Materialeigenschaften auf die Eigenfrequenzen als Entwurfskriterium

Pre‐stressed Concrete Towers for Wind Energy Turbines: Influences of non‐linear Material Properties on the Eigenfrequencies as a Design criterion The fast increase of the wind energy market in Germany promoted a dynamic development of wind turbine technology in the last decades. New concepts in the fields of construction, control and generation resulted in improved quality and efficiency of the wind turbines. With the growing rotor size and tower height new questions arise for the structural engineers and the building companies. In order to distribute the large forces at the tower‐head down to the soil and to balance the eigenfrequency of the structure with the excitation of the wind‐turbine, in general pre‐stressed concrete towers are necessary in case of tower heights beyond 100 m. The present paper will summarize the main design criteria for such towers and will explore the influences which are relevant for a reliable dynamic design.     

预应力装配式高耸风电塔架受力性能研究

预应力装配式高耸风电塔架下部为预制装配式混凝土塔筒,上部为钢塔筒,上端锚固于法兰环,下部锚固于基础内部。在风电塔架体内沿环向均匀布置竖向预应力拉索,张拉后将上部钢塔筒和下部装配式混凝土若干塔筒连接为整体。针对中间转换部分,采用转换段法兰环、变截面混凝土、预制混凝土竖向缝以及水平缝等连接构造。为研究该结构及各连接构造的受力性能,开展精细化有限元分析、拉索107次高周疲劳性能试验以及1∶3大比例尺模型试验,得到了结构关键部位的力学响应和破坏模式等。结果表明：设计荷载作用下,预应力装配式混凝土塔筒表现出弹性特征,可以安全地承受设计荷载;极限荷载作用下,预应力装配式混凝土塔筒段承载力储备充足,且上部钢塔筒先于混凝土塔筒段出现屈曲破坏,混凝土塔筒与钢塔的承载力比例设置合理,避免了混凝土塔筒先于钢塔筒破坏,验证了结构体系和连接构造设计的可行性;疲劳试验及有限元分析结果表明拉索能承受107次的疲劳次数,满足抗疲劳安全性要求。     

武汉天河国际机场新塔台结构设计

武汉天河国际机场新航空塔台高115m,为国内第一、世界第二高民用塔台。该塔台建筑造型新颖,为非对称结构,高度高、截面尺寸小、头重脚轻。结构设计中对这些建筑特征采取了针对性的措施,设置有扩大尺寸的地下室改善结构的整体抗倾覆不利的状况;采用混凝土筒体增大截面抗侧刚度;上部功能区采用钢筋混凝土筒体+钢结构的混合结构,最大限度减小上部功能区的质量偏心,减小下部墙肢的受拉状况;顶层控制室采用只设4根钢柱的框架结构,以满足视野开阔的要求。此外介绍了塔台的风荷载、地下室及基础、结构分析结果、筒体受拉以及上部钢结构外伸体系,对类似项目有一定参考意义。     

Design optimization of wind turbine tower with lattice‐tubular hybrid structure using particle swarm algorithm

As the size of wind turbine grows, the cost of the commonest tubular structural system will also increase because of the increasing cost of transportation, assembly, erection and servicing. A lattice‐tubular hybrid structural system, which is composed of a four‐angle cross‐shaped lattice structure at the bottom and a tubular structure at the top, is proposed for large wind turbine systems. The welding processes can be totally avoided and the fatigue strengths effectively improved because all members can be assembled by bolts in site after cutting and drilling in the factory. The ultimate bearing capacities of combined cross‐shaped members subjected to axial compressions are obtained by a series of numerical analyses. The column curve of four‐angle‐combined cross‐shaped members is obtained by fitting numerical results with a piecewise function. The particle swarm optimization algorithm is adopted to optimize the shape and size of the lattice partition in this study. The constraints including stress, slenderness ratio and frequency are applied to find the minimum weight of the lattice partition in the hybrid tower. The optimal results show that the proposed structural system is feasible and can resolve the disadvantages of the traditional tubular system in the fabricating, mounting and transporting. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

华电集团华中总部基地结构设计

华电集团华中总部基地由主楼、裙楼、附楼和四层地下室组成,基础采用桩筏基础。地下室设计时,为了节约造价、提高使用空间,将外墙和支护的地下连续墙合二为一。地上建筑通过防震缝形成主楼、裙楼、附楼三个独立单元。主楼为"门"形复杂连体超限高层建筑,通过方案比选,采用了框架-核心筒混合结构方案,即钢筋混凝土核心筒+圆钢管混凝土柱+钢梁+加强层(伸臂及腰桁架)。主楼连体通过方案比选采用大网格巨型跨层钢桁架结构。为提高主楼两个塔楼抗侧刚度,对加强措施进行了分析,并采用了加强层、加密框柱等措施。对主楼结构布置、关键节点设计进行了研究;做了风洞试验并根据试验结果进行风荷载作用下结构响应的计算;对主楼舒适度、塔楼施工稳定性也进行了验算。结果满足设计要求,确保结构的安全性和适用性。     

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...     

上海外滩中信城Ⅰ期塔楼结构优化设计

本文对上海外滩中信城Ⅰ期塔楼的结构设计方案进行了优化。通过调整核心简墙体厚度、柱位布置,将钢骨混凝土柱改为钢管混凝土柱,调整伸臂桁架加强层等措施,获得了很好的效果。减轻结构自重的同时,也减小了地震作用,结构刚度变化更为和顺,延性提高,还增加了使用空间。与原设计相比,节约混凝土约1．27万m^2、钢材825t,减少桩75根,增加有效使用面积约1800m^2,带来的经济效益约合人民币5000万元。     

钢支撑-混凝土框架结构优化研究

针对新版抗震规范GB50011-2010所提出的钢支撑-混凝土框架结构体系,本文采用一种两阶段优化方法对其进行优化研究,用VB和FORTRAN语言编写了相应的优化程序并结合工程算例对程序的优化效果进行了验证.两阶段优化方法以结构造价为目标函数,第一阶段是基于虚功原理、拉格朗日乘数法,以位移约束为约束条件的优化过程;第二阶段则是采用多级优化方法,以强度约束、施工构造约束等为约束条件的优化过程.该方法能够以较快的优化速度解决钢支撑-混凝土框架结构的优化问题,具有较好的工程实用价值.     

组合结构发电塔架灌浆连接段接触压分析

钢-混组合结构发电塔中的连接段对于整个结构来说至关重要,采用灌浆连接可以有效减小应力集中和疲劳破坏,但目前关于钢-混组合结构风电塔中灌浆连接方式的研究和应用都较少.本文以某150m大型风力发电塔架为研究对象,利用有限元分析软件ABAQUS分析了在外力作用下,钢-混凝土组合结构风电塔架灌浆连接段的接触压,并探究了外侧混凝...     

风力涡轮钢结构塔楼的优化设计

为了使用于安装风力涡轮机的钢结构塔楼设计成本最小化,该塔楼结构形式为一个微锥形的焊接环肋壳体钢结构。用3个柱形壳单元组件来模拟45m高的钢壳,每个单元都有15m高,并且都有恒定的平均直径和厚度。根据欧洲规范1第2～第4章(Eurocode1,Part2～4)计算风荷载。设计中考虑壳体屈曲和环肋的局部屈曲。环肋非常必要,它可以阻止塔楼变成椭圆形。为计算生产成本,要考虑将这些钢壳加工为接近圆柱形状的加工成本和组装焊接部件的成本。成本最小化包括材料和生产成本最小化。最适宜的壳厚度、环肋的个数和直径采用Rosenbrock法直接计算。结果表明,采用环肋的数量越少,成本就越低。这个方法可以被用来预测微锥形塔楼的最小设计成本,满足细长型结构的需要,这种结构以动力荷载导致的弯曲为结构的主要荷载。     

地面角钢塔及楼顶角钢塔的基本自振周期研究

角钢塔基本自振周期计算影响到风荷载及地震作用计算,自振周期与结构质量和刚度的分布情况相关。通过求解刚度矩阵和质量矩阵可得到角钢塔的自振周期,计算时应考虑角钢塔平台的设置位置、数量以及下部建筑物的影响。为此建立有限元模型,计算分析各种情况下的角钢塔自振周期。计算结果表明,顶部平台对自振周期影响很大,且平台高度越大对自振周期影响权重越大;下部混凝土建筑对自振周期影响很大,自振周期计算时应考虑整体结构的影响。混凝土建筑物高度大于角钢塔时,可直接选取混凝土结构自振周期作为角钢塔自振周期。根据计算结果拟合得到的简化公式,对角钢塔的设计具有参考价值。     

变截面构架式风力发电塔架GA优化

提出了一种新型风力发电塔架结构形式:构架式风力发电塔架,并根据遗传算法(GA)二进制编码方法,以实际工程为背景,编制了变截面构架式塔架Fortran优化模型程序,分别对塔架进行了截面尺寸优化、形状优化的计算和比较,最后利用有限元软件,采用自定义梁单元参数,建立了传统单管塔优化模型。计算结果表明,构架式风电塔架相对于单管塔架,具有较高的刚度和一阶自振频率,且该结构具有基础工程量小,方便运输,降低施工难度等优点。     

世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计和施工

迪拜哈利法塔高度达828m,是目前世界最高的建筑。这个高度已超越了纯钢结构高层建筑的使用范围,但又不同于内部混凝土外围钢结构的传统模式,在体系上有所突破。由于超高,设计上着重解决抗风设计和竖向压缩、徐变收缩等竖向变形问题。施工上将C80混凝土一次泵送到601m的高度,创造了一个新的奇迹。     

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.