预应力混凝土多兆瓦级风机塔架结构优化与受力分析研究

目前全球风电产业迅速发展，单机容量不断扩大，2-3MW级风机已是国际市场的主流机组。风机容量增大就要求塔架结构具有更高强度、刚度和高度，导致传统钢椎管塔架直径增大，塔壁增厚，大大增加了制作和安装费用。因此，本项目提出采用预应力高性能混凝土制作多兆瓦级风机塔架的研究方案，主要内容有：新型预应力混凝土塔架结构形式的优化确定；塔架结构承载能力和动力特性模型试验研究；试验结果分析与塔架整体数值计算模型建立与校核；塔架结构在各种工况下受力分析、疲劳分析以及抗震性能研究；新型混凝土风机塔架结构与传统塔架结构的综合性能比较。本项目研究目的是为多兆瓦级风机塔架设计提供一种新的解决方案，通过创新塔架结构形式，结合材料价格低、技术成熟的预应力混凝土结构，使大容量风机塔架具有良好的受力性能、耐久性和经济性，为我国大规模发展风力发电产业提供基础技术支持。

目前，风能作为一种发展迅速且商业化最成功的可再生能源，受到世界各国的重视和研究。随着风电的发展，风机容量逐步增加，要求塔架具有更高的高度、刚度和强度，使得传统钢锥管塔架高度增加、塔架直径增大以及塔壁增厚，导致塔架制造成本迅速增加。且当塔架直径超过4.5m时，由于高度的限制一般很难在公路上运输。故针对多兆瓦风电机组发展新型塔架成为一个迫切需要解决的问题。混凝土作为一种可被灵活应用的建筑材料，已经应用到各种工程领域。通过合理配合比设计、掺入添加剂等材料可设计成各种高性能混凝土。混凝土被成功应用于类似风电塔架结构的烟囱、塔柱以及桥梁建设中。相比钢制塔架，混凝土塔架设计和建造更加灵活，可预制也可现浇、材料造价低、具有良好的动力特性和耐久性，故混凝土多兆瓦风电塔架成为世界范围内研究的热点。鉴于此，本项目提出一种新型预应力混凝土风电塔架结构，通过优化分析、试验验证和数值模拟，在保证安全性同时，为多兆瓦风电机组提供一种更经济的塔架结构。本项目主要研究内容有：（1）新型预应力混凝土塔架结构形式优化；（2）新型混凝土塔架结构模型试验研究；（3）试验数据分析和数值模型校核；（4）风电塔架在各种设计工况下受力分析；（5）风电塔架结构抗震分析等。在研究基础上得到以下成果：（1）提出了一种新型多兆瓦预应力混凝土风电塔架结构形式，并完成优化设计；（2）编制基于有限元软件ABAQUS和遗传算法预应力混凝土风电塔架结构的优化设计程序；（3）针对5WM风电机组，完成了塔架的优化设计，并给出施工建议；（4）完成了预应力风电塔架结构的模型试验（5）通过对风电塔架抗震分析，量化分析了各种参数对风电结构地震作用的影响。. 该项目基于风能迅速发展大的背景，结合风电发展的特点－即风电机组功率越来越大的趋势，传统钢锥管塔架造价和运输安装成本迅速增加的情况下，提出一种新型预应力混凝土风电塔架结构。通过优化设计、模型试验和数值分析，综合研究该新型塔架结构的安全性和适用性。然后针对5MW风电机组，完成塔架结构的优化设计，并给出施工建议。该新型塔架结构可以为多兆瓦风电机组提供一种造价更低、耐久性好以及更方便运输安装的支撑体系，为促进风电产业的发展具有重要的意义。