2種鋼管混凝土格構式風電塔架節(jié)點受力性能對比分析

摘 要：對鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點和萬向包裹Y型節(jié)點2種不同構造節(jié)點進行ABAQUS有限元分析，從靜力荷載下的受力全過程、塑性區(qū)域發(fā)展情況、傳力機制等方面進行對比。結果表明，各節(jié)點屈服階段的變化規(guī)律基本吻合，具有良好的承載能力。裝配式附著板節(jié)點的高應力區(qū)出現在節(jié)點板上，裝配式萬向包裹Y型節(jié)點由于已增加球桿連接件作為節(jié)點的傳力構件，其高應力區(qū)主要集中在球桿連接件的下部。該文總結的2種鋼管混凝土格構式風電塔架節(jié)點從適用性來說，建議使用鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點。

關鍵詞：風電塔架節(jié)點；有限元分析；傳力機制；塑性區(qū)域；承載能力

中圖分類號：TU398 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0054-05

Abstract： ABAQUS finite element analysis was carried out on two different structural joints： concrete-filled steel tubular prefabricated attached plate joints and universal-wrapped Y-joints， and the whole stress pVVwD4VkGYfrbNjmlRBRFZw==rocess under static load， plastic zone development， and force transfer mechanism were compared. The results show that the change laws of each node in the yield st_{cu4Jg5T7/1DZmqZiXAw89w==}age are basically consistent， and the node has good bearing capacity. The high stress area of the assembled attachment plate node appears on the node plate. Since the assembled universal-wrapped Y-shaped node adds the club connector as the force transfer member of the node， the high stress area is mainly concentrated in the lower part of the club connector. In terms of applicability， the two types of concrete-filled steel tube lattice wind power tower joints summarized in this paper are recommended to use concrete-filled steel tube prefabricated attachment plate joints.

Keywords： wind power tower joints; finite element analysis; force transfer mechanism; plastic zone; bearing capacity

近幾年，風能的積極開發(fā)和應用推動了風電產業(yè)在全球的快速增長。風力發(fā)電作為一種低碳、綠色的能源，符合可持續(xù)發(fā)展的目標，其環(huán)保優(yōu)勢遠超傳統(tǒng)發(fā)電方式[1-3]。根據“十四五”中國新能源發(fā)展戰(zhàn)略和“3060”目標（中國2030年前碳達峰及2060年前碳中和的目標），預計到2025年，中國的新增風力發(fā)電裝機容量將不低于6 000萬kW，2030年將達到至少8億kW，而2060年將達到至少30億kW[4-6]。隨著風電產業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的風電塔架無法滿足其需求，采用鋼管和混凝土結合的格構式設計的風電塔架因其易于運輸和安裝、結構剛性強和較低的鋼材使用量等特點，預計將展現出很好的市場潛力。

相較于傳統(tǒng)鋼制塔筒而言，鋼管砼格構式塔架顯示出優(yōu)異的力學性能、抗震能力及成本效益。此類結構的桿件數量龐大，節(jié)點承受的力復雜多變。作為風電塔架中的核心部位，節(jié)點一旦損壞，可能導致塔架的力的傳遞路徑出現變動或斷裂，從而引發(fā)整個結構的崩潰。因此，本文對2種不同構造鋼管混凝土風電塔架節(jié)點的受力全過程進行分析，獲得不同構造節(jié)點的傳力機理和損傷演化規(guī)律，為鋼管混凝土在風力發(fā)電領域的推廣應用提供理論依據。

1 節(jié)點模型及尺寸

1.1 鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點構造

JD-1由柱肢、附著板、節(jié)點板及腹桿組成，如圖1所示。節(jié)點各部件尺寸見表1。

1.2 鋼管混凝土裝配式萬向包裹Y型節(jié)點構造

JD-2由柱肢、包裹體、球臺、球桿連接件以及腹桿組成，如圖2所示。節(jié)點各部件尺寸見表2。

圖1 JD-1構造圖

2 有限元參數設置

在有限元分析中，鋼管結構采用S4R單元進行模擬，而核心混凝土則使用C3D8R單元進行模擬。為確保分析的準確性，使用映射方式進行網格劃分，確保網格在3個方向上的尺寸均勻。在網格密度和計算精度的基礎上進行了優(yōu)化，以達到收斂性。模擬過程中未包括焊縫的缺陷或殘余應力影響。

柱肢鋼管內混凝土采用塑性損傷模型，該模型可反映混凝土及其他準脆性材料在相對低圍壓下與破壞模式相關的不可逆損傷效應，具有較為廣泛的適用性。

柱肢與腹桿鋼管的應力應變關系采用二次塑流模型[7]，該模型適用于工程結構中常用的低碳軟鋼。

鋼管與混凝土接觸面法線方向的接觸采用“硬”接觸，即接觸面間的法向壓力可以完全在界面間傳遞，鋼管與核心混凝土界面切向力的傳遞采用庫倫摩擦模型，鑒于界面摩擦系數μ的選取對計算結果的準確性影響較顯著，取μ=0.4[7]。

節(jié)點采用位移加載控制，受壓腹桿與受拉腹桿內力比值為1.25[8]。

圖2 JD-2構造圖

3 有限元結果分析

3.1 試件JD-1有限元結果

由圖3可知，試件JD-1發(fā)生腹桿屈曲破壞，破壞時節(jié)點板切角處受壓腹桿的鋼管Mises應力達到360 MPa，核心混凝土的最大壓應力（最小主應力）達到約12 MPa，由于增加了附著板及螺栓連接傳至核心混凝土的荷載被進一步減小，附著板螺栓Mises應力約為782 MPa，此時節(jié)點板Mises應力在與受壓腹桿連接的切角處以及與附著板連接的交界線上最為集中，最大值達到257 MPa，柱肢鋼管應力較小。核心混凝土的最大壓應力主要集中在混凝土中部，且混凝土整體應力偏小，這主要是因為荷載不是直接作用到混凝土上，而是通過節(jié)點板傳遞到混凝土上。在這種破壞模式下，受壓腹桿、節(jié)點板與柱肢連接處附近區(qū)域的應力水平較高、鋼材進入塑性，核心混凝土也達到一定的應力水平。

3.2 試件JD-2有限元結果

由圖4可知，試件JD-2發(fā)生球桿連接件偏移及腹桿屈曲聯(lián)合破壞，破壞時可以很明顯地看到作為試件合力作用位置的球桿連接件Mises應力最為集中且已發(fā)生塑性破壞，最大值達到395 MPa，可見此處相對較為薄弱；此時核心混凝土的最大壓應力（最小主應力）達到約34 MPa，核心混凝土的最大應力主要集中在混凝土中部，這主要是因為荷載是由球臺區(qū)傳到柱肢上，其他部位混凝土受力較??；腹桿Mises應力值達到293 MPa，相較于JD-1腹桿屈曲時較?。讳撉騇ises應力較大達到了482 MPa，主要是由于球桿連接件偏轉對鋼球造成擠壓；柱肢鋼管球臺區(qū)下方Mises應力集中，最大值達到241 MPa，包裹體螺栓與球臺螺栓Mises應力分別約為656和580 MPa。

3.3 JD-1傳力機制

如圖5所示，JD-1使用了附著板和單面螺栓，節(jié)點的裝配程度得到了大幅提升，受拉腹桿的連接接頭區(qū)域，腹桿的拉力直接傳遞到節(jié)點板上，節(jié)點板首先受拉向平面外發(fā)生輕微變形，受單面螺栓對附著板的支撐作用，參與變形的附著板區(qū)域較小，接著拉力由節(jié)點板傳遞到附著在柱肢上的附著板上，附著板在受到拉力作用時會試圖與柱肢鋼管壁分離，此時單面螺栓會阻止這種分離，螺栓的預緊力通過螺紋和墊片將附著板牢固地拉向柱壁，從而形成一個緊密的連接，然后，螺栓的拉力傳遞到螺栓與混凝土的錨固處，最后，這種拉力通過混凝土傳遞到鋼管壁，使鋼管壁受到彎曲力的作用。這樣，整個連接結構形成了一個穩(wěn)定的傳力路徑：受拉腹桿上的拉力通過附著板、螺栓和錨固作用傳遞到鋼管混凝土柱上。受壓腹桿連接接頭處，腹桿的壓力通過接頭傳遞到節(jié)點板上，然后由節(jié)點板傳遞到附著板上，其壓力由節(jié)點板、附著板、單面螺栓和柱肢中的核心混凝土與柱肢鋼管壁共同承擔，單面螺栓主要承受附著板與柱肢之間的剪力，由于節(jié)點板焊接在附著板上且與附著板長度一致，故節(jié)點板應力集中區(qū)域主要分布在與腹桿連接區(qū)域以及節(jié)點板與附著板連接處；拉、壓力傳至柱肢鋼管壁上的力被單面螺栓所承受，則傳至柱肢鋼管的力較小，避免了柱肢在節(jié)點區(qū)的受力損傷。

圖5 JD-1傳力路徑示意圖

在JD-1的控制破壞模式中，可能是由于腹桿或節(jié)點板的失效造成。如果是腹桿失效導致節(jié)點的承載能力受限，那么節(jié)點的極限承載力取決于腹桿的本身強度。相對地，若節(jié)點板失效，附著板的支撐作用將決定節(jié)點板承載力的極限值；當發(fā)生附著板滑移破壞，由于螺栓未能完全承受拉壓力帶來的剪力導致附著板滑移，此時節(jié)點的極限承載力由螺栓的抗剪承載力決定。

總結來說，腹桿、節(jié)點板與柱肢通過附著板采用單面螺栓連接的傳力機理是一個多步驟、多組件相互作用的過程。它依賴于附著板的彎曲、螺栓的拉力和錨固作用，以及柱肢鋼管壁對混凝土的抵抗作用，共同實現力的傳遞和結構的穩(wěn)定。

3.4 JD-2傳力機制

如圖6所示，裝配式萬向包裹Y型節(jié)點是新型裝配式節(jié)點，與JD-1不同，本節(jié)點引入了螺栓球及球桿連接件作為節(jié)點的傳力構件，大量使用螺栓傳力，使節(jié)點高度模塊化。整個節(jié)點包含腹桿、柱肢、包裹體、球桿連接件、鋼球和核心混凝土。當節(jié)點開始受荷后，受拉腹桿的連接接頭區(qū)域，腹桿的拉力直接傳遞到球桿連接件上，球桿連接件作為合力的作用點應力高度集中在此處：然后由球桿連接件傳遞至鋼球上，鋼球在球臺內向受拉側輕微偏轉，球臺受擠壓側承受鋼球傳遞來的壓力，球臺在受到鋼球傳來的壓力后，球臺壓板會試圖與球臺發(fā)生分離，球臺上受擠壓側的螺栓會阻止這種分離，螺栓主要承受壓力帶來的剪力，球臺輕微偏轉至拉力方向；拉力傳至包裹體上，包裹體再受到拉力后，會試圖與柱肢鋼管壁分離，螺栓會阻止這種分離，螺栓的預緊力將兩側包裹體牢固地拉向柱肢鋼管壁，整個過程螺栓受到剪力的作用；最后力由包裹體傳至柱肢鋼管壁，柱肢鋼管壁與核心混凝土并未發(fā)生分離，拉力由球桿連接件、鋼球、球臺和柱肢鋼管壁共同承擔；受壓腹桿連接接頭處，腹桿的壓力傳遞與受拉腹桿類似，拉、壓力的合力點設置在球桿連接件上，球桿連接件在受到拉壓、力共同作用時產生剪力與附加彎矩，剪力傳遞到了球臺上，使球臺發(fā)生偏轉，所以球臺與包裹體連接處有較大的應力集中，傳至包裹體上的力繼續(xù)傳至柱肢鋼管壁最后到核心混凝土，壓力由球桿連接件、鋼球、球臺、柱肢鋼管壁和核心混凝土共同承擔。

JD-2的破壞機制與破壞模式與JD-1不同，其主要分為2種屈曲破壞模式，即腹桿屈曲破壞和球桿連接件-腹桿屈曲聯(lián)合破壞模式，造成節(jié)點破壞模式差異的關鍵原因在于球桿連接件的剛度以及球臺螺栓的抗剪承載能力。如果腹桿失效導致節(jié)點破壞，此時節(jié)點的最大承載力受限于腹桿的固有強度。另一方面，當球桿連接件和腹桿的屈曲共同導致節(jié)點的承載能力達到極限時，此節(jié)點的最大承載能力由球桿連接件的強度和球臺螺栓的剪切能力共同決定。

圖6 JD-2傳力路徑示意圖

4 結論

鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點高應力區(qū)主要出現在節(jié)點板切角處與腹桿相連的位置，柱肢鋼管應力較小，主要發(fā)生腹桿屈曲破壞。而鋼管混凝土裝配式萬向包裹Y型節(jié)點作為新型裝配式節(jié)點更適用于裝配程度較高的塔架。裝配式萬向包裹Y型節(jié)點承載力可達一般塔架需求，其高應力區(qū)主要集中在連接件上，柱肢鋼管應力較小，節(jié)點主要發(fā)生連接件-腹桿聯(lián)合破壞。因此，本文建議選取鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點作為塔架的節(jié)點形式。

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