预制混凝土塔筒连接件承载性能分析.docx
摘要：针对预制混凝土塔筒连接件，采用有限元分析和试验分析的方法，深入分析不同材料性能对连接件拉伸性能和疲劳性能的影响，对不同材料的连接件进行了承载性能和疲劳试验，选用合金结构钢材料成功开发了预制混凝土塔筒连接件，在规定应力幅下疲劳性能可达200万次，解决了制约塔筒连接件关键技术的瓶颈问题，填补了国内空白。关键词：预制混凝土塔筒连接件疲劳性能1、引言风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大，近年来风电产业发展较快。随着我国能源结构及供给侧改革进程加快，传统风资源优势区域遇到电力消纳能力不足等问题，低风速区域风电开发已成为解决风电发展的必由之路，我国中东部和南方地区属于典型的低风速地区，年平均风速小于6ms,年满发小时数小于2000小时，占全国风能资源区的68%,低风速资源接近电网负荷中心，不存在限电弃风影响。业内具有共识的解决低风速区域风资源开发，提高发电效率的办法是大风机、长叶片、高塔筒。大风机、长叶片必须匹配更高、承载力更好的风机塔筒,柔性塔筒和混凝土塔筒是两个方向，在国外，混凝土塔筒应用数量已经超过1.5万台。国内在风机100m以上高塔筒的研究和应用相对滞后，近两年，我国的风电龙头企业、科研院所、高校，已经开始在风机高塔筒方面谋篇布局，开始出现100m以上全钢柔性塔、硅钢混合塔筒及全混凝土塔筒的应用。其中，预制混凝土塔筒是使用更经济的混凝土材料替代钢材，采用分片生产，现场拼装的形式,或就近选择预制场地进行分片结构的生产，运输到现场进行吊装、拼装，如图1所示：图1:预制混凝土塔筒拼接、吊装混凝土塔筒采用分段圆环锥式塔筒，体内采用后张预应力系统。如图2所示，预制混凝土塔筒因截面直径相对较大，运输不便，单节塔筒可由两片C形塔筒管片通过连接件拼接在一起。由于混凝土塔筒在运行过程中承受频繁的振动载荷和疲劳载荷，对连接件的力学性能和疲劳性能要求较高，除了基本的力学性能之外，在疲劳应力幅为150300Mpa,疲劳寿命不低于200万次，远高于国内普通螺纹钢连接件的要求。图2:混凝土塔筒连接件连接示意图2、连接件有限元分析2.1 有限元模型预制混凝土塔筒连接件一般由直端带肋钢筋、1.型带肋钢筋和螺纹套筒组成，如图3所示。螺纹套筒采用挤压套筒，螺纹套筒与1.型带肋钢筋采用冷挤压连接，与直端带肋钢筋采用螺纹连接。通过选用不同的材料对连接件性能进行有限元分析，螺纹连接件材料特性如表1所示：图3:预制混凝土塔筒连接件结构示意图表1：螺纹连接件材料特性弹性模量泊松比屈服应力一抗拉强度）材料W206000-0.3，540690材料22060000.3。785904r套筒材料210800.3*345600C2.2 边界条件预制混凝土塔筒连接件有限元仿真分析边界条件：固定1.型带肋钢筋的一端,在直端带肋钢筋的一端加载一个水平拉伸载荷。2.3 计算工况1预制混凝土塔筒连接件组件材料1的应力云图如图4所示，当拉伸载荷加载到230kN时，应力云图仿真结果表明带肋钢筋的应力值在583.3MPa-641.7MPa之间，超过了材料的屈服强度，产生屈服发生了塑性变形，且材料1的应力值接近抗拉强度；螺纹套筒中间出现了明显的应力集中区域，且应力值为551.2MPa-600MPa,表明此区域已经发生屈服，且应力值逼近抗拉强度。由此可以看出，当拉伸载荷为230kN时，带肋钢筋和螺纹套筒都已经接近承载极限。2.4 计算工况2预制混凝土塔筒连接件组件材料2的应力云图如图5所示，拉伸载荷加载到23OkN时，应力云图仿真结果表明1.型带肋钢筋和直端带肋钢筋主体的应力值在600675MPa之间，没有达到材料屈服应力，因而属于弹性变形，1.型带肋钢筋在套筒内出现应力集中现象，且应力集中区域明显大于螺纹连接端；螺纹套筒上的应力值小于带肋钢筋的应力值，螺纹套筒过渡段出现了明显的应力集中区域，且应力值为550MPa-600MPa,表明此区域已经发生屈服，且应力值逼近抗拉强度，因而螺纹套筒强度制约着连接件组件的承载特性。图5:材料2连接件组件应力云图2.5 仿真分析结论计算工况1采用国内四级钢带肋钢筋和螺纹套筒模拟连接件组件，在载荷逐渐加载到230kN过程中，连接件材料几乎同时达到抗拉极限，且拉伸载荷在230kN时已经逼近连接件的最大拉伸载荷。计算工况2采用合金钢带肋钢筋和螺纹套筒模拟连接件组件，在拉伸过程中，在载荷逐渐加载到230kN过程中，由于合金钢带肋钢筋承载特性明显好于螺纹套筒，表明螺纹套筒的材料制约着连接件组件的承载特性。3、连接件承载特性3.1 连接件试验研究在风机运行过程中，预制混凝土塔筒不仅承受塔筒、基础、设备和附件产生的永久载荷，还受到风机风载荷、塔筒风载荷、风力发电机组产生的振动载荷和平台均布载荷。由于连接件的受力性能复杂，目前尚未见到国内外有关连接件受力性能的理论分析方法，一般都是通过试验获得。3.2 连接件承载试验预制混凝土塔筒连接件采用四级螺纹钢带肋钢筋和合金钢带肋钢筋，螺纹套筒采用Q345加工，将螺纹套筒分别冷挤压在四级钢带肋钢筋和合金钢带肋钢筋上，并将四级钢带肋钢筋和合金钢带肋钢筋分别进行端头墩粗后加工螺纹，将做好的连接件进行承载对比试验，如图6所示。不同材料制作的连接件承载试验结果如表2所ZF:图6:连接件承载试验表2:连接件承载试验结果特性,编号，喷钢带肋钢筋连接件最大力(kN)一合金钢带肋钢筋连接件最大力(kN)IP207.6。246.822219.Op257.623P215.7，262.4P216.52267.X5P223.8Q274.436。224.3“282.67P225.W301.酎8233.Op32753.3连接件试验结果分析预制混凝土塔筒连接件两种材料对比分析表明，连接件强度受本身材料性能、设备精度及螺纹套筒强度影响，四级钢带肋钢筋制作的连接件最大力拉伸试验结果明显低于合金钢带肋钢筋制作的连接件。3.4 连接件疲劳载荷风力发电机组预制混凝土塔筒中使用的连接件，由于承受重复载荷，应考虑连接件的疲劳强度。连接件的疲劳强度取决于其组成材料。选用未进行热处理的四级钢带肋钢筋和螺纹套筒制作连接件进行疲劳试验性能检测，制作的连接件在频率6Hz、94kN47kN试验水平下试件经受108万次应力循环后连接件断裂，发现未经热处理的四级钢带肋钢筋无法达到连接件的疲劳性能的要求。图7：连接件108万次后疲劳试验断口图选用热处理的合金钢带肋钢筋和螺纹套筒制作连接件进行疲劳试验性能检测，制作的连接件在试验频率9Hz、拉伸载荷94kN-47kN试验水平下，试件经受200万次应力循环后连接件未破坏，表明热处理后的合金钢带肋钢筋制作的连接件达到其疲劳性能的要求。4、结论随着国内风电市场向低风速区域的发展，预制混凝土塔筒由于刚性好、运输方便和塔筒高度优势，受到了国内风电设计院和施工单位的青睐，预制混凝土塔筒应用前景十分广泛。通过对预制混凝土塔筒连接件承载性能进行有限元分析、承载性能和疲劳性能试验，结果表明，采用合金结构钢材料制作的塔筒连接件可以满足使用要求，有效解决连接件材料性能上存在的技术瓶颈问题，填补国内预制混凝土塔筒连接件市场空白。该种连接件还可以向交通路桥、桥梁工程的预制混凝土结构件推广。
