風電機組裝配式超高鋼混塔筒剛度魯棒性分析

謝冰冰，褚景春，2，袁凌，2，王小虎，張林中，寧紅超

（1.國電聯合動力技術有限公司，北京 100039；2.風電設備及控制國家重點實驗室，河北 保定 071000）

0 引言

隨著低風速高切邊風場的大規模開發及平價上網趨勢下，裝配式超高鋼混塔筒以眾多優勢逐步得到廣泛應用。但裝配式超高鋼混塔筒存在的整體性、剛度及抗震性能差等問題仍未解決，須做進一步的研究。

羅桂鑫[1]應用ANSYS有限元軟件對傳統鋼制錐塔筒的動力特性、強度、剛度和穩定性進行了分析。郝二通[2]通過測量阻尼性能差異較大的有機玻璃單件、鋼板單件的材料阻尼比以及模態阻尼比，開展了有機玻璃與鋼板組件模態阻尼比的有限元分析。宋雙賀[3]分別對塔筒的強度、剛度和穩定性進行了綜合性的分析，將混合式塔架和傳統的鋼制塔架進行了經濟方面的對比。

上述文獻均把塔筒當作一個整體結構進行研究，或只關注某些局部構件荷載是否超限。但目前鋼混塔筒均是采用裝配式建筑的概念進行建造的，文獻[4]，[5]研究得出了裝配式混凝土結構中的連接處是裝配式建筑的薄弱環節，地震中裝配式結構破壞的形式主要就是構件連接破壞，而預制構件本身卻較少發生破壞。超高鋼混塔筒屬于高聳結構物，設計階段不僅要使局部構件滿足承載力要求，還需對整體結構剛度魯棒性進行分析，找到對整體結構剛度影響大的接觸面并加固處理，防止由于極個別接觸面連接不牢而出現結構整體剛度斷崖式下降，但目前這一研究領域尚屬空白。

本文選取兩種不同技術路線的140 m高鋼混塔筒結構形式。首先，對這兩種鋼混塔筒結構進行模態分析；然后，計算結構所有接觸面單一部分失效情況下自振頻率，獲得接觸面的重要性排序；最后，計算結構接觸面逐一部分失效情況下最終的魯棒值。雖然模態分析屬于線性分析，但鋼混塔筒自身剛度極大，其實際變形相較其百米級體量而言微不足道，可認為整個生命周期變形均處于彈性變形范圍內，因此模態分析方法進行剛度魯棒性分析具有一定的應用性。本文研究內容可為工程設計及建設提供參考。

1 魯棒性應用及其評價指標

目前，國內外學者對結構魯棒性的研究取得了一定的成果，但仍未有統一的定量評價方法[6]。柳承茂[7]提出了基于剛度的結構構件重要性的評估方法。高揚[8]以“概念移除”的方法并結合攝動法分析構件前后的結構承載力變化，給出一個結構魯棒性評價中計算構件的重要性系數的新方法。葉列平[9]以拆除構件對廣義結構剛度的影響程度作為該構件重要性評價指標。呂大剛[10]分別采用基于承載力、可靠度以及基于風險的魯棒性指標，對鋼筋混凝土框架結構的抗震魯棒性進行了定量評價。文獻[11]，[12]改進了一種結構魯棒性評價中的構件重要性系數，提出了一種新的結構魯棒性指標及加強結構魯棒性方法。包超[13]通過定量分析結構魯棒性進行建筑選型和結構布置方案優化，提出了增強結構魯棒性的方法。

鑒于裝配式結構破壞的形式主要在構件連接處，因此本文將構件之間接觸面失效連接前后結構剛度值的變化作為接觸面重要性的判別依據，然后依據重要性排序將接觸面依次失效后求出結構魯棒值。

2 鋼混塔筒技術路線

根據混凝土段不同的拼接吊裝方式，鋼混塔筒的技術路線分為分段式和分片式兩種。

2.1 分段式

將混凝土塔段沿高度分割成一段段的圓環構件，全塔無豎向接縫，塔段間水平接縫無需灌漿。一般3～4大段固定直徑塔身，最大程度削減模板數量節省造價，其結構示意及組成構件如圖1所示。

圖1 分段式鋼混塔筒Fig.1 Segmented steel-concrete tower

2.2 分片式

分片式鋼混塔筒混凝土段任一橫截面均是圓角矩形，同鋼質塔筒類似，沿高度方向劃分成3或4大段，由于每一段高度過大，在制作過程中既難以整體預制又難以現場澆筑，因此將每一段沿環向分割成8片（4個方片和4個角片）。拼裝時先將8片構件拼成環段，然后豎向接縫處灌漿連接，形成一定強度后再進行豎向吊裝，其結構組成如圖2所示。

3 剛度魯棒性分析方法

3.1 剛度與頻率關系

3.2 風險點重要性系數及魯棒值

若某一結構體系有n個風險點，其中一個風險點i的重要性系數定義為

式中：Ki為第i個風險點存在風險時所對應的剛度值；Ri為第i個風險點存在風險時所對應的魯棒值。

綜上所述，結構整體的魯棒值R由最小的Ri決定：

4 分析過程

本文選取某廠家3.4 MW機型，采用ANSYS進行建模分析。該機型鋼混塔筒高度為常見的140 m，上部機艙、輪轂和葉片的總質量約為230 t，建模分析時將上部總質量簡化為質量點point mass。考慮基礎的影響，將基礎與大地進行Bonded連接。

4.1 模型尺寸

基礎外徑為21 m，高為4.87 m。分段式與分片式鋼混塔筒模型及尺寸分別見圖3和表1，其中分段式鋼混塔筒每大段中均包含6個小段和1個轉換段。

4.2 初始模態分析

在初始模型無損情況下，所有接觸面連接類型為Bonded連接，對兩種形式的鋼混塔筒分別求前6階模態進行分析，各階振型如圖4所示，自振頻率值如表2所示。

由于鋼混塔筒自身結構屬于對稱結構，1階和2階、3階和4階、5階和6階頻率在數值上基本相等，可以把頻率接近的振型看成一個模態。其中1階和2階振型為擺動，3階和4階振型為彎曲，5階和6階振型為彎扭組合，其中最大幅值約為0.08 mm，此幅值與百米級塔高相比可忽略不計。

4.3 單一接觸面部分失效模態分析

4.3.1 分段式鋼混塔筒

由圖3可知，分段式鋼混塔筒共包含29段混凝土段，共有30個接觸面。理想情況下每個接觸面都緊密連接無脫開。因構件加工制作表面平整度誤差或實際吊裝施工等環節所致，很可能導致構件接觸不緊密，但又不會完全失效。此時，將部分失效接觸面接觸類型由Bonded連接修改為Rough連接，比較符合實際損傷情況。分別將30個接觸面逐一部分失效后求解塔筒的自振頻率，接觸面編號從塔底至塔頂逐漸增大排列。

接觸面是保證塔體剛度的重要環節，接觸面失效，甚至部分失效，都可能造成結構剛度斷崖式下降，在風機動荷載作用下極易造成倒塔的嚴重后果。為簡化分析分別取1，3，5階頻率進行分析。圖5為分段式鋼混塔筒在不同接觸面部分失效情況下結構頻率的變化值，接觸面越重要其部分失效后結構頻率降低越多。

4.3.2 分片式鋼混塔筒

由于分片式鋼混塔筒預制構件較多，共有47個接觸面，其中多個接觸面形式一致可歸為一類，共計有19個不同的接觸面類型。接觸面接觸類型與分段式鋼混塔筒一致，取1，3，5階頻率進行分析。圖6為分片式鋼混塔筒在不同接觸面部分失效情況下結構頻率的變化值。

4.4接觸面連續部分失效魯棒性分析

由于低階頻率相應的振型對結構體系動力響應的貢獻遠大于較高頻率相應振型的貢獻，因此在進行魯棒性分析時只考慮結構1階頻率波動變化的影響。根據頻率變化的大小可將接觸面的重要程度進行排序：頻率降低越多，結構體系剛度降低越多，說明該截面越重要。

將式（2）帶入式（3）可得結構重要性系數與頻率之間關系。

式中：ω0為結構所有連接面Bonded連接時的1階頻率。

4.4.1 分段式鋼混塔筒接觸面連續失效

根據式（6）將分段式鋼混塔筒30個接觸面的重要性進行排序，其中ω0=0.481 09。

按照順序將接觸面依次連續失效，進行模擬得到相應頻率，并得到相對應的魯棒值，模擬結果如表3所示。

表3 接觸面連續部分失效及魯棒值Table 3 Continuous failure and robust value of contact surface

4.4.2 分片式鋼混塔筒接觸面連續失效

與分段式同理，將分片式鋼混塔筒19個接觸面的重要性進行排序，其中ω0=0.268 01。由于接觸面之間存在相互包含的情況，例如：編號為9和10的接觸面均被包含在編號為11的接觸面內，因此在模擬計算時不考慮編號為9和10的接觸面，其余接觸面同理。

按照順序將接觸面依次連續失效，相應頻率及魯棒值見表4。

表4 接觸面連續部分失效及魯棒值Table 4 Continuous failure and robust value of contact surface

5 分析與討論

5.1 分段式鋼混塔筒魯棒值

分段式鋼混塔筒接觸面單一部分失效及連續部分失效后，結構整體剛度魯棒值如圖7所示。

圖7 分段式鋼混塔筒結構剛度魯棒值Fig.7 Stiffness robust value of segmented steel concrete tower

由圖7（a）及式（5）可知，單一接觸面部分失效情況下結構剛度魯棒值約為21。由圖7（a）可以間接得出結構重要的接觸面分別為第6，16及25號接觸面，其所處相對位置從底到頂分別位于1/6，1/2及5/6混凝土段高度處。

按接觸面重要性順序將接觸面依次部分失效。因結構內部接觸面部分失效使得結構整體剛度降低，結構剛度魯棒值由21遞減至10并趨于穩定，其中前3個重要接觸面對剛度魯棒值影響較大。在分段式鋼混塔筒設計及施工中要重點關注這3個接觸面，設計中要避免在1/6，1/2及5/6混凝土段高度處設置接觸面。如果設計中不能避開，則要在實際施工中對這3個接觸面處加強連接措施，保證施工質量。

5.2 分片式鋼混塔筒魯棒值

分片式鋼混塔筒接觸面單一部分失效及連續部分失效后，結構整體剛度魯棒值如圖8所示。

圖8 分片式鋼混塔筒結構剛度魯棒值Fig.8 Stiffness robust value of sheeted steel concrete tower

由圖8可知：單一接觸面部分失效情況下分片式鋼混塔筒結構剛度魯棒值約為61，其較危險接觸面出現在混凝土段中間部位；按接觸面重要性順序將接觸面依次部分失效，魯棒值從61降為43。其中每個接觸面對剛度魯棒值影響相對較平均，可間接認為分片式鋼混塔筒結構剛度分布較均勻。

6 結論

①對超高鋼混塔筒進行剛度魯棒性分析不僅可以針對具體工程對鋼混塔筒進行選型，還可找出對結構整體剛度影響較大的接觸面，繼而針對重要接觸面在設計階段進行加強設計或在施工階段加固處理。

②分段式鋼混塔筒較危險接觸面出現在1/6，1/2及5/6混凝土段高度附近（從底到頂），要在設計中避免在這些位置處設置接觸面，如果不可避免則應該在施工中設置加強連接措施，并保證施工質量。

③分片式鋼混塔筒在1/6及5/6混凝土段高度處并無接觸面，其較危險截面出現在1/2混凝土段高度處，實際施工中加強此接觸面的連接，保證結構剛度的有效傳遞。

④分片式鋼混塔筒結構剛度魯棒值要優于分段式鋼混塔筒，分片式鋼混塔筒的接觸面要多于分段式鋼混塔筒。分片式鋼混塔筒的施工周期、施工難度及出現風險的概率均大于分段式鋼混塔筒。