2種鋼管混凝土格構(gòu)式風(fēng)電塔架節(jié)點(diǎn)受力性能對(duì)比分析

摘 要：對(duì)鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點(diǎn)和萬向包裹Y型節(jié)點(diǎn)2種不同構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jī)制等方面進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)板上，裝配式萬向包裹Y型節(jié)點(diǎn)由于已增加球桿連接件作為節(jié)點(diǎn)的傳力構(gòu)件，其高應(yīng)力區(qū)主要集中在球桿連接件的下部。該文總結(jié)的2種鋼管混凝土格構(gòu)式風(fēng)電塔架節(jié)點(diǎn)從適用性來說，建議使用鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電塔架節(jié)點(diǎn)；有限元分析；傳力機(jī)制；塑性區(qū)域；承載能力

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(fēng)能的積極開發(fā)和應(yīng)用推動(dòng)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球的快速增長(zhǎng)。風(fēng)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(biāo)，其環(huán)保優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)發(fā)電方式[1-3]。根據(jù)“十四五”中國(guó)新能源發(fā)展戰(zhàn)略和“3060”目標(biāo)（中國(guó)2030年前碳達(dá)峰及2060年前碳中和的目標(biāo)），預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)的新增風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將不低于6 000萬kW，2030年將達(dá)到至少8億kW，而2060年將達(dá)到至少30億kW[4-6]。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的風(fēng)電塔架無法滿足其需求，采用鋼管和混凝土結(jié)合的格構(gòu)式設(shè)計(jì)的風(fēng)電塔架因其易于運(yùn)輸和安裝、結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)和較低的鋼材使用量等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將展現(xiàn)出很好的市場(chǎng)潛力。

相較于傳統(tǒng)鋼制塔筒而言，鋼管砼格構(gòu)式塔架顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能、抗震能力及成本效益。此類結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)量龐大，節(jié)點(diǎn)承受的力復(fù)雜多變。作為風(fēng)電塔架中的核心部位，節(jié)點(diǎn)一旦損壞，可能導(dǎo)致塔架的力的傳遞路徑出現(xiàn)變動(dòng)或斷裂，從而引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的崩潰。因此，本文對(duì)2種不同構(gòu)造鋼管混凝土風(fēng)電塔架節(jié)點(diǎn)的受力全過程進(jìn)行分析，獲得不同構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理和損傷演化規(guī)律，為鋼管混凝土在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 節(jié)點(diǎn)模型及尺寸

1.1 鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

JD-1由柱肢、附著板、節(jié)點(diǎn)板及腹桿組成，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)造

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

圖1 JD-1構(gòu)造圖

2 有限元參數(shù)設(shè)置

在有限元分析中，鋼管結(jié)構(gòu)采用S4R單元進(jìn)行模擬，而核心混凝土則使用C3D8R單元進(jìn)行模擬。為確保分析的準(zhǔn)確性，使用映射方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格在3個(gè)方向上的尺寸均勻。在網(wǎng)格密度和計(jì)算精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到收斂性。模擬過程中未包括焊縫的缺陷或殘余應(yīng)力影響。

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

柱肢與腹桿鋼管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用二次塑流模型[7]，該模型適用于工程結(jié)構(gòu)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(shù)μ的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較顯著，取μ=0.4[7]。

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

圖2 JD-2構(gòu)造圖

3 有限元結(jié)果分析

3.1 試件JD-1有限元結(jié)果

由圖3可知，試件JD-1發(fā)生腹桿屈曲破壞，破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)板切角處受壓腹桿的鋼管Mises應(yīng)力達(dá)到360 MPa，核心混凝土的最大壓應(yīng)力（最小主應(yīng)力）達(dá)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(jìn)一步減小，附著板螺栓Mises應(yīng)力約為782 MPa，此時(shí)節(jié)點(diǎn)板Mises應(yīng)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(dá)到257 MPa，柱肢鋼管應(yīng)力較小。核心混凝土的最大壓應(yīng)力主要集中在混凝土中部，且混凝土整體應(yīng)力偏小，這主要是因?yàn)楹奢d不是直接作用到混凝土上，而是通過節(jié)點(diǎn)板傳遞到混凝土上。在這種破壞模式下，受壓腹桿、節(jié)點(diǎn)板與柱肢連接處附近區(qū)域的應(yīng)力水平較高、鋼材進(jìn)入塑性，核心混凝土也達(dá)到一定的應(yīng)力水平。

3.2 試件JD-2有限元結(jié)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(shí)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(yīng)力最為集中且已發(fā)生塑性破壞，最大值達(dá)到395 MPa，可見此處相對(duì)較為薄弱；此時(shí)核心混凝土的最大壓應(yīng)力（最小主應(yīng)力）達(dá)到約34 MPa，核心混凝土的最大應(yīng)力主要集中在混凝土中部，這主要是因?yàn)楹奢d是由球臺(tái)區(qū)傳到柱肢上，其他部位混凝土受力較小；腹桿Mises應(yīng)力值達(dá)到293 MPa，相較于JD-1腹桿屈曲時(shí)較小；鋼球Mises應(yīng)力較大達(dá)到了482 MPa，主要是由于球桿連接件偏轉(zhuǎn)對(duì)鋼球造成擠壓；柱肢鋼管球臺(tái)區(qū)下方Mises應(yīng)力集中，最大值達(dá)到241 MPa，包裹體螺栓與球臺(tái)螺栓Mises應(yīng)力分別約為656和580 MPa。

3.3 JD-1傳力機(jī)制

如圖5所示，JD-1使用了附著板和單面螺栓，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)板上，節(jié)點(diǎn)板首先受拉向平面外發(fā)生輕微變形，受單面螺栓對(duì)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(diǎn)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(shí)會(huì)試圖與柱肢鋼管壁分離，此時(shí)單面螺栓會(huì)阻止這種分離，螺栓的預(yù)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(gè)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(gè)連接結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)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(diǎn)板上，然后由節(jié)點(diǎn)板傳遞到附著板上，其壓力由節(jié)點(diǎn)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(dān)，單面螺栓主要承受附著板與柱肢之間的剪力，由于節(jié)點(diǎn)板焊接在附著板上且與附著板長(zhǎng)度一致，故節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在與腹桿連接區(qū)域以及節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)板的失效造成。如果是腹桿失效導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載能力受限，那么節(jié)點(diǎn)的極限承載力取決于腹桿的本身強(qiáng)度。相對(duì)地，若節(jié)點(diǎn)板失效，附著板的支撐作用將決定節(jié)點(diǎn)板承載力的極限值；當(dāng)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(dǎo)致附著板滑移，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的極限承載力由螺栓的抗剪承載力決定。

總結(jié)來說，腹桿、節(jié)點(diǎn)板與柱肢通過附著板采用單面螺栓連接的傳力機(jī)理是一個(gè)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(duì)混凝土的抵抗作用，共同實(shí)現(xiàn)力的傳遞和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.4 JD-2傳力機(jī)制

如圖6所示，裝配式萬向包裹Y型節(jié)點(diǎn)是新型裝配式節(jié)點(diǎn)，與JD-1不同，本節(jié)點(diǎn)引入了螺栓球及球桿連接件作為節(jié)點(diǎn)的傳力構(gòu)件，大量使用螺栓傳力，使節(jié)點(diǎn)高度模塊化。整個(gè)節(jié)點(diǎn)包含腹桿、柱肢、包裹體、球桿連接件、鋼球和核心混凝土。當(dāng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)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(tái)內(nèi)向受拉側(cè)輕微偏轉(zhuǎn)，球臺(tái)受擠壓側(cè)承受鋼球傳遞來的壓力，球臺(tái)在受到鋼球傳來的壓力后，球臺(tái)壓板會(huì)試圖與球臺(tái)發(fā)生分離，球臺(tái)上受擠壓側(cè)的螺栓會(huì)阻止這種分離，螺栓主要承受壓力帶來的剪力，球臺(tái)輕微偏轉(zhuǎn)至拉力方向；拉力傳至包裹體上，包裹體再受到拉力后，會(huì)試圖與柱肢鋼管壁分離，螺栓會(huì)阻止這種分離，螺栓的預(yù)緊力將兩側(cè)包裹體牢固地拉向柱肢鋼管壁，整個(gè)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(tái)和柱肢鋼管壁共同承擔(dān)；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(diǎn)設(shè)置在球桿連接件上，球桿連接件在受到拉壓、力共同作用時(shí)產(chǎn)生剪力與附加彎矩，剪力傳遞到了球臺(tái)上，使球臺(tái)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以球臺(tái)與包裹體連接處有較大的應(yīng)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(tái)、柱肢鋼管壁和核心混凝土共同承擔(dān)。

JD-2的破壞機(jī)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(diǎn)破壞模式差異的關(guān)鍵原因在于球桿連接件的剛度以及球臺(tái)螺栓的抗剪承載能力。如果腹桿失效導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的最大承載力受限于腹桿的固有強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)球桿連接件和腹桿的屈曲共同導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載能力達(dá)到極限時(shí)，此節(jié)點(diǎn)的最大承載能力由球桿連接件的強(qiáng)度和球臺(tái)螺栓的剪切能力共同決定。

圖6 JD-2傳力路徑示意圖

4 結(jié)論

鋼管混凝土裝配式附著板節(jié)點(diǎn)高應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)板切角處與腹桿相連的位置，柱肢鋼管應(yīng)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(diǎn)作為新型裝配式節(jié)點(diǎn)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(diǎn)承載力可達(dá)一般塔架需求，其高應(yīng)力區(qū)主要集中在連接件上，柱肢鋼管應(yīng)力較小，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)作為塔架的節(jié)點(diǎn)形式。

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