《風(fēng)力發(fā)電機基塔設(shè)計算例》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《風(fēng)力發(fā)電機基塔設(shè)計算例（26頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、風(fēng)力發(fā)電機塔基設(shè)計算例 Tjjg 1 設(shè)計概況 風(fēng)機塔的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼、混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼/混凝土混合結(jié)構(gòu)。為了對比采用不同結(jié)構(gòu)體系風(fēng)力發(fā)電機塔的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，對裝機容量為3.6MW、風(fēng)機軸線高100m的鋼管及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)形式分別進行設(shè)計。其中鋼塔的材料分別考慮Q235和Q390兩種情況，混凝土塔采用C60。風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備荷載取自LWST PhaseⅠProject Conceptual Design Study及WindPACT公開發(fā)布的研究報告。 風(fēng)力發(fā)電機塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)中華人民共和國頒布的現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB5000

2、7－2002）、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010－2002）、建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017－2003）、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）。 兩類鋼塔（tower1、tower2）及預(yù)應(yīng)力混凝土塔（tower3）的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。其中鋼塔的設(shè)計控制荷載是風(fēng)荷載組合，混凝土塔的設(shè)計控制荷載為地震效應(yīng)組合。 表 1 Tower1（鋼塔） Tower2（鋼塔） Tower3（預(yù)應(yīng)力混凝土塔） 風(fēng)機直徑 108.4m 108.4m 108.4m 塔頂重量 3155kN 3155kN 3155kN 設(shè)計強度

3、 fy=205MPa fy=335MPa fcu=60MPa 塔頂外徑 4.0m 4.6m 3.6m 塔頂壁厚 20mm 25mm 460mm 中部外徑 5.6m 6.2m 5.6m 中部壁厚 32mm 32mm 610mm 塔底外徑 7.6m 8m 7.9m 塔底直徑 32mm 32mm 760mm 塔身自重 3671kN 4320kN 28335 kN 塔頂側(cè)移s 1.542m 1.094m 0.506m 塔頂側(cè)移w 1.655m 1.106m 0.568m 自振頻率 0.322Hz 0.358Hz 0.4

4、54Hz 基底軸力 8191kN 8191kN 32121 kN 基底剪力 2159kN 2213kN 2310 kN 基底彎矩 230898kN.m 232767 kN.m 250627 kN.m 塔底截面 應(yīng)力比 0.513 0.771 2 鋼塔設(shè)計 鋼塔的設(shè)計主要包括截面初選、模態(tài)分析、內(nèi)力計算、截面驗算、屈曲分析、疲勞驗算等步驟。主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力發(fā)電機組荷載、風(fēng)荷載、地震荷載。機組擬建上海地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，基本風(fēng)壓設(shè)計值0.55kN/m2。而且與混凝土結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)自重較小，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設(shè)計時起控制作用的是風(fēng)荷載

5、。由于缺乏可信的組合系數(shù)，所以不考慮風(fēng)機荷載的效應(yīng)的組合，將其與地震作用、風(fēng)荷載效應(yīng)分別直接組合確定最不利設(shè)計內(nèi)力。

6、 2.1 設(shè)計荷載 風(fēng)機塔在使用過程中的設(shè)計荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)機荷載、風(fēng)荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。 2.1.1 結(jié)構(gòu)自重 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017－2003）本設(shè)計鋼材密度取ρ＝7800kg/m3，彈性模量Es＝200×109 N/m2，Q235設(shè)計強度取205MPa、Q390設(shè)計強度取335MPa。由此計算的tower1和tower2的結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值分別為3059 kN、3600 kN。 2.1.2 風(fēng)機荷載 風(fēng)力發(fā)電機及其配套和附屬設(shè)備傳給塔身的荷載通常有

7、設(shè)備廠商提供，有六個荷載分量確定。荷載包括了風(fēng)機葉輪工作時承受的風(fēng)壓及離心力；風(fēng)機傳動軸的周期荷載；設(shè)備自重等。在風(fēng)機塔設(shè)計中該荷載的影響很大，應(yīng)該仔細研究其取值及和其它荷載的組合方法。本設(shè)計考慮極限風(fēng)速（59.5m/s）時風(fēng)機（3.6MW）荷載（LWST PhaseⅠProject Conceptual Design Study）： Fx＝636kN、 Fy＝881kN、 Mx＝14179kN.m、 My＝8950kN.m、Fz＝3155kN。其中x為順風(fēng)方向，y為側(cè)向，z為滿足右手規(guī)則的豎直方向。 2.1.3 風(fēng)荷載 通過長期的實踐，人們認識到風(fēng)對塔身的直接作用可以分

8、速度、方向基本不變的穩(wěn)定風(fēng)和隨機變化的脈動風(fēng)。本設(shè)計采用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）規(guī)定的風(fēng)荷載計算方法考慮風(fēng)對塔身的作用。具體方法是考慮風(fēng)壓隨高度的變化，結(jié)構(gòu)體型的影響，及風(fēng)振的效應(yīng)將風(fēng)荷載等效為靜力荷載，進而求得結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的響應(yīng)。本設(shè)計不考慮橫向風(fēng)振作用。 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 ωk＝βzμsμzωo 基本風(fēng)壓ωo＝0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風(fēng)壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風(fēng)速計算而得。 風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）表7.2.1查取。μz是考慮地面的摩擦，風(fēng)壓沿著高度會發(fā)生的

9、變化。此處B類指的是田野、鄉(xiāng)村、城郊等沒有密集建筑群的場地。 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實際風(fēng)壓作用的影響。 風(fēng)振系數(shù)βz根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）公式7.4.2計算。反應(yīng)了脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。 根據(jù)上述方法計算所得風(fēng)壓沿塔高的分布如圖1。 圖1 鋼塔風(fēng)壓剖面圖 2.1.4 地震荷載 地震是建筑物在服役期間需要考慮的主要自然災(zāi)害之一，雖然地震發(fā)生的幾率比較小，但是一旦發(fā)生可能造成很大的破壞。因此，必須做好地震設(shè)防區(qū)建筑物的

10、抗震設(shè)計工作。雖然當(dāng)前對地震作用的認識還不十分清楚，但是實踐證明按照考慮地震作用設(shè)計的建筑物對提高抗震能力有明顯的效果。地震對建筑物的作用既與地震本身有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)自身的動力特性有關(guān)，所以風(fēng)機塔的設(shè)計應(yīng)該注意選擇適當(dāng)?shù)淖灾睾蛣偠?，盡量減少地震力。 本設(shè)計擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001），抗震設(shè)防烈度按7度考慮，場地為Ⅳ類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－1取0.08，場地特征周期按建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－2取0.65。 2.1.5 荷載組合 風(fēng)機塔在服役期間可能

11、承受強風(fēng)、地震、設(shè)備、溫度等多種荷載的作用，但是這些荷載同時出現(xiàn)最大值的可能性比較小，所以有必要對在設(shè)計時對各種荷載進行適當(dāng)?shù)慕M合。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）中對常見的情況做出了規(guī)定。恒載分項系數(shù)取1.2，活載分項系數(shù)取1.4，地震荷載分項系數(shù)為1.3。風(fēng)力發(fā)電機塔設(shè)計時比較特殊的是風(fēng)機荷載，它既包括了設(shè)備自重，也包含了風(fēng)機工作時傳來的風(fēng)壓、離心力等動荷載，因此簡單的將其作為恒載或者活載都不合適。由于缺乏可靠的依據(jù)確定其組合系數(shù)，這里將風(fēng)機傳來的重力作為恒載，彎矩及剪力作為活載，與地震、風(fēng)荷載組合時不考慮折減（組合系數(shù)取1），這樣做是偏于保守的。具體表達式如下： 軸力組合：

12、 1.2結(jié)構(gòu)自重＋1.2設(shè)備自重 彎矩、剪力組合： 1.2橫恒載＋1.4風(fēng)荷載＋1.4風(fēng)機荷載 1.2橫恒載＋1.3地震荷載＋1.4風(fēng)機荷載 2.2 結(jié)構(gòu)分析 風(fēng)機塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)、地震、自重、設(shè)備等荷載作用下的響應(yīng)既有靜力問題，也有動力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期），要求其避開風(fēng)力發(fā)電機的工作頻段，以免引起共振響應(yīng)。此外它也是計算風(fēng)振和地震動效應(yīng)的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設(shè)備的重量引起的二次效應(yīng)。風(fēng)荷載主要考慮第一振型的影響，地震內(nèi)力計算時采用振型疊加法來計及高階振型的影響。 2.2.1 有限元模型 對于高度不超過200m的塔桅結(jié)構(gòu)可以

13、將其離散為多自由度體系（20～30個）來簡化計算其結(jié)構(gòu)固有參數(shù)和響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風(fēng)機塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可視作懸臂結(jié)構(gòu)，以彎曲變形為主，不考慮基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動影響，采用固定端約束。由于塔頂集中有很大的荷載，計算過程中考慮P－△二次效應(yīng)的影響。有限元模型見圖。 圖2 風(fēng)機塔有限元模型 2.2.2 模態(tài)分析及結(jié)果 結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，對風(fēng)機塔（頂部集中有風(fēng)機及附屬設(shè)備）進行振型分析，前三階頻率及振型見表1及圖1、圖2、圖3。 表 2 階 數(shù) 參 數(shù) 1 2 3 Tower1 Tower

14、2 Tower1 Tower2 Tower1 Tower2 周期(s) 3.106 2.795 0.501 0.463 0.184 0.169 頻率(Hz) 0.322 0.358 1.998 2.161 5.422 5.909 圖1 一階振型 圖2 二階振型 圖3 三階振型 2.2.3 內(nèi)力計算及組合 2.2.3.1 塔及風(fēng)機荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力 表 3 內(nèi) 力 塔 號 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/k

15、N.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower1 8191 5150 1522 1522 193138 115457 Tower2 8970 5707 1522 1522 191613 114063 圖 tower1軸力圖 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩圖 圖 tower2軸力圖 圖 tower2剪力圖 圖 tower2彎矩圖 2.2.3.2 風(fēng)荷

16、載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力 表 3 內(nèi) 力 塔 號 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/kN.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower1 8191 5150 637 397 37760 10852 Tower2 8970 5707 691 436 41154 16595 圖 tower1剪力圖 圖 tower1彎矩圖 圖 tower2剪力圖

17、 圖 tower2彎矩圖 2.2.3.3 地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力 表 4 內(nèi) 力 塔 號 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/kN.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower1 8191 5150 276 238 24039 10775 Tower2 8970 5707 343 313 29233 15831 圖 tower1剪力圖

18、 圖 tower1彎矩 圖 tower2剪力圖 圖 tower2彎矩圖 2.2.3.4 內(nèi)力組合 表 5 內(nèi) 力 塔 號 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/kN.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower1 （Do=7.6m） 地震作用 8191 5150 1798 1760 217177 126231 風(fēng)荷載 8191 5150 2159 1919 23089

19、8 126309 Tower2 （Do=8.0m） 地震作用 8970 5707 1865 1818 220846 126825 風(fēng)荷載 8970 5707 2213 1958 232767 125876 注：Do為塔底直徑 圖 tower1剪力圖（地震組合） 圖 tower1彎矩（地震組合） 圖 tower2剪力圖（地震組合）

20、 圖 tower2彎矩（地震組合） 圖 tower1剪力圖（風(fēng)組合） 圖 tower1彎矩（風(fēng)組合） 圖 tower2剪力圖（風(fēng)組合） 圖 tower2 彎矩（風(fēng)組合） 2.2.4 截面驗算 表 6 截面位置 塔 號 塔 底 截 面 （風(fēng)控制） 中 部 截 面 （風(fēng)控制） Tower1 0.513 0.866 Tower2 0.771 0.927 2.3 結(jié)構(gòu)屈曲分析 風(fēng)機塔的整體屈曲

21、分析采用SAP2000 V9軟件，考慮二階效應(yīng)后tower1和tower2的屈曲荷載系數(shù)分別為25.3、33.4，這里屈曲荷載系數(shù)等于結(jié)構(gòu)屈曲荷載與施加荷載之比。滿足整體屈曲的要求。 結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定通過控制塔身外徑與壁厚比和構(gòu)造要求來保證。 2.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗算

22、

23、 3 混凝土塔設(shè)計 混凝土塔的設(shè)計主要包括步驟同樣包括截面初選、模態(tài)分析、內(nèi)力分析、截面驗算等步驟。為了控制塔身的變形，保證正常使用狀態(tài)下混凝土不開裂，這里選用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力發(fā)電機組荷載、風(fēng)荷載、地震荷載。上海地區(qū)抗震設(shè)

24、防為7度，基本風(fēng)壓設(shè)計值0.55kN/m2。但是由于混凝土結(jié)構(gòu)的自重大，所以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)設(shè)計時起控制作用的是地震效應(yīng)。

25、 3.1設(shè)計荷載 風(fēng)機塔在使用過程中的設(shè)計荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)機荷載、風(fēng)荷載、地震作用。不考慮溫度作用的影響。 3.1.1結(jié)構(gòu)自重 混凝土密度ρ＝2500kg/m3，彈性模量Es＝36000 N/mm2。采用C60混凝土，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010－2002）抗壓設(shè)計強度fc=27.5 N/mm2，抗拉設(shè)計強度為ft=2.04 N/mm2 (計算過程中，Sap2000可以自動考慮)。 3.1.2 風(fēng)機荷載 風(fēng)機荷載的取值及組合方法同鋼塔。59.5m/s風(fēng)速時風(fēng)機（

26、3.6MW）荷載： Fx＝636kN、 Fy＝881kN、 Mx＝14179kN.m、 My＝8950kN.m、Fz＝3155kN。 3.1.3 風(fēng)荷載 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 ωk＝βzμsμzωo 基本風(fēng)壓ωo＝0.55 kN/m2。規(guī)范給出50年一遇的風(fēng)壓，它是根據(jù)空曠平坦地面，離地10m高處的10分鐘平均風(fēng)速計算而得。 風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按地面粗糙度B類根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）表7.2.1查取。μz是考慮地面的摩擦，風(fēng)壓沿著高度會發(fā)生的變化。此處B類指的是田野、鄉(xiāng)村、城郊等沒有密集建筑群的場地。 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－20

27、01）表7.3.1查取。該系數(shù)主要修正建筑物外形對實際風(fēng)壓作用的影響。 風(fēng)振系數(shù)βz根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009－2001）公式7.4.2計算。反應(yīng)了脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，它與建筑物的固有參數(shù)（周期、振型）相關(guān)。 根據(jù)上述方法計算所得風(fēng)壓沿塔高的分布如圖1。 圖1 混凝土塔風(fēng)壓剖面圖 3.1.4 地震荷載 風(fēng)力發(fā)電機擬建在上海地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001），抗震設(shè)防烈度按7度考慮，場地為Ⅳ類。水平地震影響系數(shù)最大值按建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2001）表5.4.1－1取0.08，場地特征周期按建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－

28、2001）表5.4.1－2取0.65。 3.1.5 荷載組合 軸力組合： 1.2結(jié)構(gòu)自重＋1.2設(shè)備自重 彎矩、剪力組合： 1.2橫恒載＋1.4風(fēng)荷載＋1.4風(fēng)機荷載 1.2橫恒載＋1.3地震荷載＋1.4風(fēng)機荷載 3.2 結(jié)構(gòu)分析 混凝土塔在風(fēng)、地震、自重、設(shè)備等荷載作用下的響應(yīng)既有靜力問題，也有動力問題，這里采用有限元方法來求解。首先需要確定結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期），要求其避開風(fēng)機的工作頻段，以免引起共振響應(yīng)。此外自振周期也是計算風(fēng)振和地震動效應(yīng)的前提條件。需要考慮塔自重及塔頂設(shè)備的重量引起的二次效應(yīng)。風(fēng)荷載主要考慮第一振型的影響，地震作用計算時采用振型疊加法來計及高階

29、振型的影響 3.2.1 有限元模型 結(jié)構(gòu)的有限元分析采用SAP2000 V9軟件，將風(fēng)機塔沿高度離散為20段，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)?？紤]P－△二次效應(yīng)的影響。 3.2.2 模態(tài)分析及結(jié)果 結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載與其模態(tài)密切相關(guān)，對風(fēng)機塔（頂部集中有風(fēng)機及附屬設(shè)備）進行振型分析，前三階頻率及振型見表1及圖1、圖2、圖3。塔的固有自振頻率避開了風(fēng)機的工作頻率。 表 4 模態(tài) 1 2 3 周期(s) 2.204 0.483 0.185 頻率(Hz) 0.454 2.070 5.405 圖1 一階振型 圖

30、2 二階振型 圖3 三階振型 3.2.3 內(nèi)力計算及組合 3.2.3.1 風(fēng)機塔及設(shè)備自重、風(fēng)荷載、地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力 表 5 內(nèi) 力 荷載 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/kN.m 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 自重 32121 13549 1522 1522 191216 113430 風(fēng)荷載 32121 13549 512 353 28897 7629 地震荷載 32121 13549 789 618 59411 22895

31、 圖 tower3軸力圖 圖 tower3剪力圖 圖 tower3彎矩圖 圖 tower3剪力圖 （地震） 圖 tower3彎矩圖（地震） 圖 tower3剪力圖 （風(fēng)） 圖 tower3彎矩圖（風(fēng)） 3.2.3.2 內(nèi)力組合 表 5 內(nèi) 力 塔 號 軸力設(shè)計值/kN 剪力設(shè)計值/kN 彎矩設(shè)計值/kN.m

32、 塔底 中部 塔底 中部 塔底 中部 Tower3 （地震控制） 地震作用 32121 13549 2310 2196 250627 136324 風(fēng)荷載 32121 13549 2034 1819 220113 121058 圖 tower3剪力圖 （地震組合） 圖 tower3彎矩圖（地震組合） 圖 tower3剪力圖 （風(fēng)組合） 圖 tower3彎矩圖（風(fēng)組合） 3.2.4 截面驗算 表 6 截面位置 塔 號 塔 底 截 面 （地震控制） 中 部 截 面 （地震控制） Tower3 ≤1 ≤1 3.4 使用極限狀態(tài)疲勞驗算 4 塔身特征尺寸及截面樣圖 圖3 tower1 圖4 tower2 圖5 tower3