钢—混凝土组合结构风电塔架力学性能研究

【摘要】：随着人们对风能的逐步重视,风力发电得到迅速发展。因此,风机单机容量提高迅速,势必导致传统钢塔架的高度、壁厚和直径的大幅度增大,给塔架的制造、安装和运输带来困难,成本也急剧增加。而中空夹层钢管混凝土具有传统实心钢管混凝土的良好受力性能之外,还具备抗弯刚度大、自重轻以及经济效益高的优点。为了降低大容量风电塔架的建设成本,新型风电塔架的结构形式得到人们的重视和研究。本文结合风电塔架研究现状和中空夹层钢管混凝土结构优势,提出基于中空夹层钢管混凝土的新型钢-混凝土组合结构风电塔架,并结构设计。通过试验和数值模拟研究,得到钢-混凝土组合结构工作机理以及合理的结构设计方案。本文在中空夹层钢管混凝土结构的基础上设计了5类适用于风电塔架的钢-混凝土组合结构,5类结构的区别在于内、外钢管与夹层混凝土接触面上的肋板布置方式不同。通过轴压试验,探讨各类试件内、外钢管变形情况和破坏形式、轴向荷载与应变关系以及肋板的不同布置方式对试件承载力的影响。从试验结果来看,内、外钢管焊接通长肋板对试件变形、受压刚度和承载力均有明显的改善和提高。本文使用ABAQUS有限元软件对5类试件进行轴压试验的数值模拟分析。对比计算结果和试验结果,验证有限元模型的有效性。通过有限元计算结果在受压刚度、延性特征以及内、外钢管工作机理方面对5类试件受力全过程进行对比研究。同时,通过试件在受力过程中特征点的应力分布云图分析试验过程中各类试件变形情况和破坏形式的原因,验证了通长肋板可以缓解或避免钢管过早进入屈服阶段,防止了试件因钢管局部屈曲发生破坏。最后,结合试件承载力、受压刚度和延性特征对5类试件进行综合性能的对比分析。通长肋板相比分层肋板更适用于钢-混凝土组合结构风电塔架,得出了一些可供实际工程设计参考的结论。合理的结构形式还需结合制造成本、安装和运输方面进一步优化。 【关键词】：钢-混凝土组合结构风电塔架 结构设计 轴压试验 数值模拟 综合性能评价指标
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU398.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 引言9-10
• 1.2 相关课题的研究现状10-16
• 1.2.1 风力发电塔架的国内外发展与研究现状10-13
• 1.2.2 中空夹层钢管混凝土的国内外发展与研究现状13-16
• 1.3 本课题研究意义16-17
• 1.4 本课题研究内容17-18
• 第2章 研究方案设计18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 混凝土材料性能18-20
• 2.2.1 自密实细石混凝土18
• 2.2.2 混凝土原材料选择与配合比18-20
• 2.2.3 混凝土的试验性能20
• 2.3 钢材材料性能20-21
• 2.4 结构设计21-25
• 2.4.1 结构形式21-23
• 2.4.2 承载力理论计算23-25
• 2.5 试件制作25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 钢-混凝土组合结构轴压力学性能试验27-37
• 3.1 引言27
• 3.2 测点布置27-28
• 3.3 试验方案28-29
• 3.3.1 试验装置28
• 3.3.2 加载方案28-29
• 3.4 试验现象与分析29-31
• 3.5 试验结果与分析31-35
• 3.5.1 荷载与应变关系31-34
• 3.5.2 承载力与强度系数34-35
• 3.6 本章小结35-37
• 第4章 钢-混凝土组合结构有限元模型建立37-47
• 4.1 引言37
• 4.2 ABAQUS概述37-38
• 4.3 有限元模型建立38-43
• 4.3.1 模型部件选择38
• 4.3.2 模型材料本构关系38-42
• 4.3.3 模型界面接触设置42-43
• 4.4 有限元计算方法43-45
• 4.4.1 模型单元选择与网格划分43-44
• 4.4.2 模型边界条件44-45
• 4.4.3 加载过程45
• 4.5 本章小结45-47
• 第5章 有限元计算结果分析与对比研究47-61
• 5.1 引言47
• 5.2 有限元计算结果与试验结果的比较47-50
• 5.2.1 荷载与应变关系比较47-49
• 5.2.2 承载力比较49-50
• 5.3 试件受力全过程分析50-54
• 5.3.1 荷载与应变全过程关系50-51
• 5.3.2 试件受压刚度51-52
• 5.3.3 试件延性分析52-53
• 5.3.4 内、外钢管工作机理53-54
• 5.4 试件应力分布云图54-58
• 5.5 试件对比分析58-59
• 5.6 本章小结59-61
• 结论61-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69-70
• 个人简历70

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