風(fēng)力機塔筒雙蓋板穿芯螺栓連接疲勞性能研究

摘 要：提出一種矩形鋼管混凝土束風(fēng)力機塔筒結(jié)構(gòu)，并對該塔筒結(jié)構(gòu)雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點進行高周疲勞試驗和有限元分析，得到節(jié)點的疲勞破壞模式和疲勞壽命。結(jié)果表明：矩形鋼管混凝土束風(fēng)力機塔筒雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點疲勞破壞模式為高強螺栓受剪破壞，破壞集中在鋼板連接處。螺栓在鋼砼連接面和螺帽處產(chǎn)生疲勞裂紋，在剪切疲勞作用下，穿芯螺栓斷裂為3段。有限元分析表明，螺栓規(guī)格對試件疲勞性能影響較大，增加螺栓直徑，能提高節(jié)點的疲勞壽命，但疲勞極限值會減??；蓋板厚度對疲勞性能影響不明顯。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機塔筒；螺栓連接；疲勞試驗；矩形鋼管混凝土束；有限元分析

中圖分類號：TU398；TU311.41 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，分布式、大功率、高塔筒、長葉片已成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展趨勢。鋼-混凝凝土組合塔筒因其剛度大、穩(wěn)定性好、造價低、適合高塔結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注［1-2］。Eize［3］設(shè)計了一種下部為預(yù)應(yīng)力混凝土、上部為鋼結(jié)構(gòu)的新式塔架形式，該塔架結(jié)構(gòu)形式比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)塔筒結(jié)構(gòu)更能滿足剛度要求；王宇航等［4］提出裝配式鋼板-混凝土組合塔筒，并研究塔筒的鋼板屈曲承載性能和破環(huán)模式。

而風(fēng)力機塔筒受到交變荷載次數(shù)較高，極易產(chǎn)生疲勞損傷，因此塔筒節(jié)點的連接是關(guān)鍵所在。許斌等［5-6］提出一種新型鋼法蘭結(jié)合環(huán)向錨固鋼板，徑向加勁板的預(yù)應(yīng)力混凝土塔段與鋼塔段的連接結(jié)構(gòu)方案并進行應(yīng)力模擬分析，驗證了連接結(jié)構(gòu)的可行性；龍凱等［7］提出基于Schmidt-Neuper模型的疲勞強度校核方法，用于塔筒法蘭螺栓的疲勞強度分析；聞洋等［8］研究格構(gòu)式鋼管混凝土風(fēng)電塔架球板式節(jié)點的工作性能和破壞模式，并通過參數(shù)化分析給出了在實際工程應(yīng)用的建議；Ajaei等［9］研究螺栓預(yù)緊力水平對風(fēng)力機塔筒法蘭連接螺栓疲勞損傷的影響，結(jié)果表明螺栓預(yù)緊力降低會導(dǎo)致疲勞損傷增加，且彎曲應(yīng)力對螺栓的疲勞起重要作用；高春彥等［10］對鋼管混凝土風(fēng)電塔架K形相貫節(jié)點和管板節(jié)點進行參數(shù)分析，得到塔柱徑厚比以及腹桿與塔柱管徑比對承載能力和破壞模式的影響。以上研究主要圍繞塔筒純鋼節(jié)點或鋼與混凝土連接節(jié)點開展研究，對于鋼混組合結(jié)構(gòu)塔筒連接節(jié)點的研究也大多集中于格構(gòu)式塔筒，而格構(gòu)式塔筒桿系眾多，節(jié)點受力更為復(fù)雜。

本文在上述研究背景下，提出一種新型的矩形鋼管混凝土束風(fēng)力機塔筒，并對該塔筒結(jié)構(gòu)雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點進行常幅外荷載下的高周疲勞加載試驗與有限元分析，獲得塔筒連接的疲勞破壞模式和疲勞壽命，并對參數(shù)螺栓規(guī)格和蓋板厚度進行拓展分析，以期為該類工程結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1 塔筒設(shè)計方案

如圖1所示，該風(fēng)力機塔筒由多片矩形鋼管混凝土束焊接組合成塔筒單元，環(huán)向由4個塔筒單元構(gòu)成一個塔段，每個塔筒單元豎向和橫向均通過雙蓋板穿芯螺栓連接而成，具有剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，可面對更為復(fù)雜的工況和更高的高度。鋼管混凝土束的制作、焊接全部在工廠進行，有效保證了構(gòu)件質(zhì)量，同時作為裝配式構(gòu)筑物符合結(jié)構(gòu)工業(yè)化發(fā)展需求。眾所周知，在載荷方向不確定的情況下，圓截面的抗彎截面系數(shù)是最大的，且方形或八邊形的角部均存在應(yīng)力集中，因此傳統(tǒng)塔筒均為圓形截面。但鋼管混凝土圓形截面在構(gòu)件制作以及節(jié)點連接較為復(fù)雜，給施工帶來較大困難，不利于工程應(yīng)用，影響結(jié)構(gòu)的整體經(jīng)濟效益。八邊形截面其角點為120°，其尖銳性緩解很多，角部的應(yīng)力集中能得到有效緩解，同時可兼顧到圓形截面的約束效果。吳明明［11］對八邊形干連接預(yù)應(yīng)力混凝土風(fēng)力機塔筒的抗震性能進行了研究，表明其八邊形塔筒結(jié)構(gòu)具有良好的延性和抗震性能。綜合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工程應(yīng)用的經(jīng)濟性、施工便利性考慮，本文采用正八邊形截面。節(jié)點則按等強設(shè)計的原則，課題組前期在節(jié)點形式、設(shè)計選型等方面進行了多個方案的對比分析和驗證，考慮節(jié)點對塔筒穩(wěn)定性和疲勞性能的影響，最終推出如圖1所示設(shè)計方案。本文重點針對于所選方案即對穿螺栓連接的塔筒節(jié)點疲勞性能進行相應(yīng)研究。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)計

為研究該塔筒結(jié)構(gòu)雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點的疲勞性能，基于鋼管混凝土束結(jié)構(gòu)風(fēng)力機塔筒足尺模型，如圖2所示，選取1/4等效模型利用疲勞試驗機進行試驗，共設(shè)計3個相同試件，試件由上下兩片鋼管混凝土束用連接鋼板和螺栓拼裝而成。

試驗中蓋板和鋼管束均選用板厚為12 mm的Q235鋼材，材性試驗［12］測得鋼材的平均屈服強度fy為245.81 MPa，極限強度fu為352.68 MPa，彈性模量Es為1.974[×]105 MPa；內(nèi)填混凝土選用的強度等級為C30，依據(jù)規(guī)范［13］試驗測得標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊抗壓強度平均值為31.25 MPa；連接區(qū)域選用10.9級M16高強螺栓，施加扭矩228 N·m，預(yù)拉力110 kN。

2.2 試驗加載方案

疲勞試驗加載前，先取1個試件進行靜力加載以確定該類試件的靜力性能，為選取疲勞試驗荷載提供標(biāo)準(zhǔn)和參考，也可為評價疲勞損傷后的靜力性能提供參照。將疲勞加載系數(shù)K為0.5的試件定義為試件A-1；K為0.3的試件定義為試件A-2。試件加載方式如圖3所示，對試件A-1與A-2進行常幅疲勞試驗。疲勞試驗采用常幅正弦荷載，加載頻率為1 Hz。試驗過程中發(fā)生異常、試件破壞或循環(huán)次數(shù)達到200萬次則停止試驗。

2.3 試驗結(jié)果與分析

在單軸靜力拉伸試驗中，試件的破壞模式為高強螺栓受到剪切作用導(dǎo)致螺桿剪斷，螺桿斷裂面位于蓋板和鋼管束的連接面，測得試件的屈服荷載380.65 kN，屈服位移1.65 mm，極限荷載為475.85 kN。

疲勞試驗中，試件A-1在荷載循環(huán)73985次時上部第1個螺栓發(fā)生斷裂，第2個螺栓的疲勞壽命74568次，該疲勞壽命即為A-1試件整體的疲勞壽命。試件A-2在荷載循環(huán)378595次時上部第1個螺栓發(fā)生斷裂，荷載循環(huán)402517次時上部第2個螺栓斷裂，取該次為A-2試件整體的疲勞壽命。圖4給出了試件A-1在疲勞試驗中的破壞形態(tài)，試件A-2與試件A-1破壞模式相似，試驗結(jié)果見表1。

試件發(fā)生疲勞破壞后，蓋板外表面未發(fā)生明顯變形，螺栓桿件的斷口較為平整。拆開螺栓斷裂一側(cè)的蓋板可看到，蓋板內(nèi)側(cè)與鋼管混凝土束的螺栓孔均出現(xiàn)輕微變形，且殘留螺紋刻痕；鋼管混凝土束螺栓孔內(nèi)部發(fā)現(xiàn)混凝土粉末，且殘留斷裂螺栓，如圖4c所示，試件A-1內(nèi)部殘留斷裂螺栓長度20、24 mm，試件A-2內(nèi)部殘留斷裂螺栓長度25、27 mm，兩個試件內(nèi)部殘留螺栓平均長度為24 mm與蓋板和鋼管束鋼板部分的整體厚度一致；觀察殘留斷裂的螺桿，如圖5所示，兩面的斷裂面呈相反方向，斷口截面較為平整，螺栓墊片也未發(fā)生較大變形。試件受到的外力主要靠螺栓栓桿與孔壁接觸以及鋼板之間的摩擦力傳遞，摩擦力由螺栓預(yù)緊力提供，此時，螺栓受到剪力和軸向拉力的作用，而孔壁主要承受擠壓作用。根據(jù)實驗現(xiàn)象分析可得出節(jié)點的破環(huán)模式為：螺栓受到剪切疲勞作用，并集中在鋼板附近，如圖5所示，螺栓在鋼混連接面和螺帽處產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著疲勞載荷的持續(xù)輸入，裂紋加速擴展最終發(fā)生瞬斷。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

采用ABAQUS和FE-SAFE軟件對節(jié)點進行有限元分析。在ABAQUS中參照圖2建立試驗試件的1∶1有限元模型，模型中鋼板、混凝土、螺栓均采用C3D8R實體單元，鋼材和螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用雙折線隨動強化模型，模型分為彈性段和強化段，其中強化階段的斜率為0.01Es。本構(gòu)選用損傷塑性模型（CDP模型），C30混凝土的彈性模量取34500 MPa，泊松比取0.2。

使用Tie約束來模擬鋼材與鋼材的焊接作用以及鋼材和混凝土之間的粘結(jié)作用，與螺栓接觸的各部件之間的相互作用則采用面面接觸來進行模擬。對于鋼材與鋼材以及鋼材與螺母，螺帽的相互接觸，其法向接觸采用“硬接觸”；而切向作用則通過定義接觸面的摩擦系數(shù)來進行模擬，根據(jù)規(guī)范與實際，對于螺栓桿與螺栓孔壁之間的接觸，其法向采用定義其表面剛度值為2000 N/mm的線性接觸來模擬，切向作用則通過采用無摩擦接觸來模擬；并取摩擦系數(shù)為0.3。

通過FE-SAFE進行疲勞壽命計算，參考文獻［14］，對結(jié)構(gòu)中的混凝土進行鋼化設(shè)置，取混凝土表面粗糙度為Ragt;75 μm；其余各部件的表平面粗糙度均設(shè)置為0.6 μmlt;Ra≤1.6 μm。

3.2 模型驗證

根據(jù)試驗方案，首先對建立的有限元模型進行模擬單軸靜力拉伸，并將所得的屈服荷載fy分別乘以疲勞加載系數(shù)K后，作用于模型上進行疲勞模擬分析。疲勞模擬結(jié)果如表2所示。

以試件A-1為例，其等效模擬試件為B16-5，圖6給出了試件B16-5破壞時的各部件最大應(yīng)力云圖以及螺栓的疲勞壽命云圖?？煽闯鲈嚰l(fā)生疲勞破壞時，各部件的最大應(yīng)力均未達到材料的屈服強度，均處于彈性變形階段。蓋板和鋼管束的應(yīng)力最大區(qū)域集中于螺栓孔的中間，螺栓的最大應(yīng)力位于螺栓桿的兩端，符合實際變化情況。上下方鋼管中的混凝土應(yīng)力呈現(xiàn)對稱分布，中間與螺栓連接區(qū)域的混凝土主要受壓，其余部位的混凝土呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。對照可得，試件B16-5與A-1的疲勞壽命誤差為6.77%，試件B16-3與A-2的疲勞壽命誤差為10.02%，兩者誤差最大約在10%，說明本文建立的有限元模型可較好地模擬疲勞實驗結(jié)果，可利用該模型進行后續(xù)的參數(shù)分析。分析誤差產(chǎn)生的原因，在于有限元分析參數(shù)設(shè)置更理想化，而試驗試件由于加工精度的問題會產(chǎn)生一定的偏心，造成應(yīng)力集中導(dǎo)致試件壽命偏小。

4 疲勞壽命參數(shù)分析

為了分析不同參數(shù)對雙蓋板穿芯螺栓連接疲勞壽命的影響，基于已驗證的有限元模型，結(jié)合實際工程應(yīng)用，設(shè)置6個對照組，如表3所示，模型中混凝土均選用C50，鋼材均采用Q355，其他參數(shù)取值均參照第3節(jié)設(shè)置。對其施加不同應(yīng)力水平的載荷以此來得到節(jié)點的疲勞壽命，疲勞模擬結(jié)果如表4所示；并擬合出節(jié)點疲勞的應(yīng)力-壽命（S-N）曲線，將其與規(guī)范進行對比，為實際工程提出相關(guān)建議。

4.1 疲勞強度計算

為了更好地分析螺栓直徑對試件疲勞性能的影響，將有限元模擬所得數(shù)據(jù)以最小二乘法線性擬合出應(yīng)力水平和疲勞壽命的表達式如式（1）所示。

4.2 S-N曲線

根據(jù)式（1）等價變換為常用的冪函數(shù)形式，求出對照組各試件的Smax-N曲線，與GB 50017—2017［15］所得的規(guī)范曲線列于圖7、8。得到各試件的疲勞極限如表5所示。由圖7和表5可知：

1）在200萬循環(huán)次數(shù)以內(nèi)，模擬所得的S-N曲線位于規(guī)范曲線的上方，表明試件在200萬次疲勞循環(huán)內(nèi)節(jié)點具有較高的疲勞可靠性。

2）螺栓規(guī)格從M16變化為M20時，其疲勞極限值減小了6.43%；而螺栓規(guī)格從M16變?yōu)镸24時，其疲勞極限值減小了13.56%。主要是因為螺栓直徑越大，其塑性變形能力越差，從而使得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布較小，最終導(dǎo)致試件整體的疲勞性能有所降低。

3） 連接區(qū)域板厚為12 mm時，試件的疲勞極限最高。當(dāng)板厚從8 mm變?yōu)?2 mm時，其疲勞極限值減小了13.88%；板厚從12 mm增大到16 mm時，其疲勞極限減小了11.49%，差距較小。

5 結(jié) 論

本文提出一種矩形鋼管混凝土束風(fēng)力機塔筒結(jié)構(gòu)，并對塔筒雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點進行疲勞試驗以及有限元分析可得出下列結(jié)論：

1） 在不同疲勞加載系數(shù)下，試驗表明雙蓋板穿芯螺栓連接節(jié)點疲勞破壞模式一致，均為高強螺栓的疲勞受剪破壞，使得節(jié)點失效。

2） 疲勞破壞中，由于連接鋼板和鋼管束的剛度大，在剪切疲勞作用下，穿芯螺栓斷裂為三段式。螺栓破壞集中在鋼板連接面，混凝土在鋼管束約束作用下未見明顯破壞。在進行節(jié)點設(shè)計時，應(yīng)著重考慮螺栓的疲勞性能。

3） 在200萬次疲勞壽命以內(nèi)，螺栓的直徑大于16 mm，蓋板厚度大于8 mm，該節(jié)點的疲勞性能均優(yōu)于GB 50017—2017標(biāo)準(zhǔn)，螺栓規(guī)格對試件疲勞性能影響較大，而蓋板厚度對疲勞性能不明顯。

4） 風(fēng)力機塔筒受到風(fēng)荷載等影響，荷載較為復(fù)雜，要全面了解塔筒的疲勞性能，還有待進一步研究。

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STUDY ON FATIGUE PROPERTIES OF DOUBLE-PLATE THROUGH-CORE BOLTED JOINTS IN WIND TURBINE TOWERS

Guo Hongchao1，2，Gao Xiang1，2，Zhang Sijia2，3，Liang Gang2，Liu Yunhe4

（1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region， Xi’an University of Technology， Xi’an 710048， China；

2. School of Civil Engineering and Architecture， Xi’an University of Technology， Xi’an 710048， China；

3. Duowei Green Building Technology（Nantong） Co.， Ltd.， Nantong 226000， China；

4. School of Water Resources and Hydropower， Xi’an Universality of Technology， Xi’an 710048， China）

Abstract：A rectangular concrete-filled steel tubular bundle wind turbine tower structure is proposed. High-cycle fatigue tests and finite element analysis were carried out on the double-plate through-core bolt connection joint of this tower. The fatigue failure mode and fatigue life of the joint were obtained. The results show that the fatigue failure mode of this double-plate through-core bolt connection joint is shear failure of the high-strength bolts. The damage is concentrated at the junction with the steel plate. Fatigue cracks in the bolts at the steel-concrete joint face and at the nut. The core-piercing bolt fractures in three parts under shear fatigue. Finite element analysis shows that the specification of bolts has obvious effects on the fatigue properties of specimens. If the bolt diameter is increased， the fatigue life of joints will be increased but the fatigue limit will be reduced. The thickness of the plate has no significant effect on fatigue properties.

Keywords：wind turbine towers； bolted joints； fatigue testing； rectangular concrete filled steel tube bundle； FEA

收稿日期：2022-05-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51978571）；陜西省杰出青年基金（2021JC-41）；陜西省重點研發(fā)計劃項目（2022SF-199）；西安理工大學(xué)優(yōu)碩

種子基金（310-252082110）

通信作者：郭宏超（1981—），男，博士、教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)抗震方面的研究。ghc-1209@163.com