钢管混凝土格构式风力发电机塔架结构受力性能和设计方法研究

目前我国风电产业发展迅猛，本项目针对学术界的研究多集中于风能转换机械能、电能的转化效率和控制理论等方面，而对风电系统的主要承重结构塔架的研究基本是一片空白的现状。拟以钢管混凝土格构式风力发电机塔架为研究对象，以强度理论、结构动力学和非线性有限元分析为理论基础，采用现场测试、理论分析和试验研究相结合的方法，对钢管混凝土格构式风力发电机塔架的受力性能和设计方法进行研究；得出在各种工况下塔架结构的受力特点和破坏特征，提供其计算分析模型和设计方法，同时将其与目前风力发电系统所用的锥筒型塔架进行对比分析和平行试验，比较两种塔架结构的受力特点和设计差异，为拓展钢管混凝土结构的适用范围奠定基础；并可突破由于运输条件而受限制的塔架高度，为风电产业的发展提供更好的支持平台。同时本项目的研究成果亦可丰富塔架结构形式为编制我国自己的相关设计规范和标准，提供理论基础和试验依据。

本项目针对我国风电产业的发展实际，工程界目前对风力发电系统的主要承重结构塔架结构的研究基本是一片空白，缺乏有自主知识产权的这种“高鸡腿哑铃式”高耸结构的设计规程和标准，开展研究工作的。. 课题组通过现场测试、理论分析和试验研究，解剖分析了目前常用的风力发电机锥台型钢结构塔筒结构的受力性能和存在的问题。针对其弱点，课题组推荐提出一种新型的风力发电机格构式钢管混凝土塔架结构，并通过平行试验和理论分析对两种塔架结构进行了对比研究。研究结果表明，钢结构锥台型塔筒的破坏属于失稳和刚度控制型破坏，材料利用率低，主要通过较大的承载力富裕度来抵抗外荷载作用，且该种形式塔架结构的控制截面在塔筒底部和变截面处，实测阻尼比远大于《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）的推荐值1％。课题组推荐提出的钢管混凝土格构式塔架的破坏属于材料破坏，刚度和变形可控，有着较好的材料利用率，其控制部位在塔柱底部和塔架底层斜腹杆；与风力发电机钢结构锥台型塔筒结构相比，有着较好的耗能和变形能力。塔架的宽高比λ、腹杆形式、塔柱径厚比γ、腹杆与塔柱的刚度比β等参数均是格构式塔架结构的设计和控制指标。通过设计对比可知，对于1.5MW级风力发电机组，采取钢管混凝土格构式塔架较之钢结构锥台型塔筒，可节约钢材约50％，塔架的运输可不受运输条件的限制，并可使塔架的高度大幅增加，获得更好的风力资源，但施工技术相对繁杂。. 总之，通过本项目的研究可知，目前常用的风力发电机钢结构锥台型塔筒有一定的缺陷，还有很多地方值得完善与研究。课题组推荐的钢管混凝土格构式塔架有很多优点值得推广应用，但也有很多内容需要进一步研究和探讨。本项目的研究成果既可用于指导风力发电机塔架结构的工程实践，又可为我国编制具有自主知识产权的有关塔架结构的设计规程和施工标准，提供理论基础和实验依据。