2024预应力抗疲劳构架式钢管风电塔筒技术

预应力抗疲劳构架式钢管风电塔技术PrestressedLatticeAnti-fatigueWindTurbineTower低风速区高风塔方案Part

1Tallwindturbinetowersinlow-wind-speedareas风电发展区域转换我国电力消纳矛盾：ZoneTransferofWPD三北地区风资源丰富，能源需求少国际可再生能源机构(IRENA)

:自1985年以来，轮毂高度和叶轮尺寸不断提升单机容量大型化是国际风电发展趋势之一中东部地区风资源相对匮乏，电力需求高矛盾解决方法：改变三北地区能源消耗配置专用特高压输电线路建设风场布局由三北向中东部低风速高负荷区转移转移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer低风速区风塔方案：提高效益的主要方法为提高风轮直径和轮毂高度，以产生经济效益即在低风速区建立更高、叶片更大的风塔，以获取更多且更平稳的风资源“风塔大型化”带来的结构变化：塔身弯矩M约正比于塔高h的1.5次方

结构变形约正比于塔高h的2次方支撑结构用钢量约正比于塔高h的1.5次方

结构频率随刚度减少而下降，更易与风机叶轮共振钢塔筒结构若不调整，局部稳定要求（径厚比）限制筒径加大，材料效率低钢塔筒结构阻尼比低，不利于抑制共振，需要依靠控制系统调节转移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高风塔——柔性方案:结构基频低于风机转动卓越频率的风塔（从启动到正常发电必然会经过结构共振区）柔性塔优点：采用传统结构制造技术避免共振的前提下，强度可满足要求结构重量轻（塔高120米以内）柔性塔缺点：刚度小，启动过程必然经过共振区钢塔筒结构阻尼比低，不利于抑制共振在安装过程中易于引起横风向涡激振动控制系统可以抑制共振，前提是确保所有元器件长期有效当塔的基频与风机卓越频率较接近时，控制系统以抑制共振为目标，不以高效发电为目标，损失一定发电量转移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高风塔——刚性方案:刚性方案特点在于结构刚度大，阻尼比大，可直接有效避免塔身与机头的共振渐变形全现浇混凝土塔翻模或滑模现浇体外预应力板状预制拼接混凝土塔环向多板拼接体外预应力分段变径预制混凝土塔分段变径环状预制体外预应力钢-预应力混凝土复合塔下段现浇混凝土上段钢塔筒目前已有的刚性塔方案大多为混凝土结构或钢-混组合结构但相比于全钢结构塔而言，混凝土塔施工过程铺场大、周期长，工业化程度较低全钢结构刚性塔Part

2SteelRigidWindTurbineTower结构组成StructuralComposition构架式刚性塔方案:塔身结构分为构架式塔架和锥台形塔筒两部分，中间由过渡段连接构架式刚性塔特点：刚度大，承载能力高底部构架式结构材料利用率高，用钢量省工业化制造、散件运输基础受力小、造价低塔身采用全钢结构，以提升刚性风塔的工业化程度将钢结构全塔身或塔身底部设计为构架式，以节省材料并提高刚度四边形全钢构架塔组成：传统塔筒转换过渡段构架式塔架独立基础+连梁结构组成StructuralComposition八边形全钢构架塔组成：传统塔筒转换过渡段构架式塔架独立基础+连梁结构组成StructuralComposition已建成构架塔方案SteelAngleWindTurbineTower构架式角钢塔方案:国内已建成120米四边形构架式角钢塔，每根塔柱由四根大规格角钢拼接而成，横斜杆均为单角钢，连接全部用摩擦型高强螺栓。由于叶片做了特殊仰角改造，避免运行过程扫塔，因此塔身桁架段较长，而塔筒段较短。可进一步优化的地方:塔高超过120米后，塔柱角钢规格受限，采购困难角钢迎风体型系数大，塔身所受风荷载大角钢截面回转半径i

小，稳定折减多，材料效率低构架式钢管塔SteelTubeWindTurbineTower构架式预应力钢管塔方案:塔柱采用圆钢管替代角钢，提高了材料效率，降低了塔身所受风荷载，120m塔架可节省约15%用钢量；构架塔段可采用四边形、六边形或八边形等，分别对应不同形式的转换过渡段；塔架斜腹杆可采用双拼C型槽钢，用摩擦型高强螺栓连接；或斜杆采用预应力镀锌钢绞线，做柔性拉索，进一步节省钢材；双拼C型钢连接示意：构架式钢管塔SteelTubeWindTurbineTower构架式钢管塔抗疲劳方案:钢管塔柱高颈锻造法兰对焊节点钢管塔柱焊接节点板需提升焊接节点的抗疲劳性能，以满足风电塔的要求转换过渡段焊接节点角钢塔节点采用摩擦型高强螺栓连接，此节点形式疲劳等级较高塔柱采用钢管代替角钢，则需要焊接节点连接，由于缺陷和残余应力的引入，其抗疲劳性能相对较低构架式钢管塔SteelTubeWindTurbineTower构架式钢管塔抗疲劳新策略：预压力抗疲劳提高焊接节点抗疲劳性能的传统方法较多，包括：锤（针）击、超声冲击、热处理等

究其本质为改善焊缝微观几何，消除应力集中、改善材料性质以及降低残余拉应力大小或在构件表面制造残余压应力等，以抑制微裂纹的萌生和扩展

一般认为疲劳寿命受疲劳应力幅决定。但疲劳裂缝发展的过程与应力的性质也有关系。若将疲劳应力限制在压应力范围，则裂缝的发展受到很大的制约，寿命即可延长。图2-1一般疲劳应力图图2-2加预压力的疲劳应力图构架式钢管塔SteelTubeWindTurbineTower构架式钢管塔抗疲劳新策略:预压力施加方法：构架段的每根塔柱内布置两根预应力钢绞线，保证钢管塔柱在风机正常运行工况（疲劳工况）下处于全受压状态，以提高疲劳寿命。通过对节点施加预压力，降低焊接节点及附近金属母材的拉应力，在工作状态下疲劳应力在压应力范围内循环，提高疲劳寿命。塔柱内预应力钢绞线锚头花篮螺栓预应力钢绞线铸钢段高颈法兰钢管全熔透对接焊高强螺栓构架式钢管塔SteelTubeWindTurbineTower低风速区高风塔选型思路总结：存在问题解决思路电力消纳矛盾低风速区建立高风塔风塔大型化带来的结构变化柔性塔刚性塔

刚性塔材料选择混凝土（钢混）全钢构架塔

全钢结构刚性塔角钢塔圆钢管塔

圆钢管塔焊接节点抗疲劳性预应力抗疲劳预应力抗疲劳Part

3PrestressedAnti-fatiguetechnology规范、标准规定：不同规范和标准所考虑的应力比R对疲劳寿命的影响程度不同，且与节点部位的残余应力程度相关。以下总结了中国/GB，日本/AIJ，美国/AISC，欧洲/EC3，船级社/DNVGL和国际焊接学会/IIW的相关规定，fcf(R)表示应力幅修正系数，是应力比R的函数。注：疲劳荷载应力比R=Smin/Smax，即应力循环中的最小应力/最大应力预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology规范、标准规定：将其统一绘制于下图中方便对比，横坐标为应力比R，纵坐标为应力幅的修正系数。随着应力比R的降低（即应力循环中压应力的比重增大），对应的应力幅折减系数越大，即对应的疲劳寿命的增大系数越大，意味着相应的疲劳寿命越长。注：疲劳荷载应力比R=Smin/Smax，即应力循环中的最小应力/最大应力预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology结论：当应力幅中压应力绝对值大于拉应力绝对值8倍以上时，多数规范对应力幅都予以折减。预应力抗疲劳试验：DNVGL试验：DNVGL的J.Rörup和H.Petershagen基于船舶结构中典型的两面带纵向焊接劲板的平板节点类型（两层角焊，残余应力程度很高），探索了不同应力比R对应的疲劳寿命增大系数。由结果可见，尽管存在很高的焊接残余应力，但当构件完全处于常幅压力循环时（R=-∞），其疲劳寿命提高约3倍。预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology注：疲劳荷载应力比R=Smin/Smax，即应力循环中的最小应力/最大应力同济大学高耸结构研究室预应力抗疲劳试验：预应力抗疲劳吊车梁试验：将预应力抗疲劳策略应用于重级工作制吊车梁：其受疲劳控制，疲劳裂纹一般起始于下翼缘焊缝。通过在焊接工字钢梁下翼缘位置张拉预应力钢绞线，从而降低该部位在疲劳荷载下的平均应力（应力比R）以提高疲劳寿命。预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology注：疲劳荷载应力比R=Smin/Smax，即应力循环中的最小应力/最大应力无预应力钢梁，疲劳寿命71万次试验结果：部分预应力钢梁（R=-4），疲劳寿命415万次疲劳寿命提升约6倍预应力抗疲劳试验：基于构架式钢管塔过渡段的焊接节点抗疲劳试验：以八边形塔架过渡段的“钢管-插板焊接节点”为对象，进行了多组预应力抗疲劳试验：预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology处于全压力循环下（R=-∞）的构件，其疲劳寿命提高约2.9~6.0倍左右。且前述所有“疲劳寿命”均指裂纹贯穿壁厚的“裂纹萌生寿命”；实际裂纹萌生后，焊接残余应力随即释放，其后在全压力循环下裂纹扩展缓慢，可长时间（100多万次）带裂工作，即“裂纹扩展寿命”很长。同时，预应力抗疲劳实际将疲劳的“脆性破坏”改善为一种特殊的“延性破坏”模式，具有较好意义。预应力抗疲劳设计方法：以上试验结果证明了预应力抗疲劳的可行性，现结合风电塔的疲劳荷载特点，评估预应力抗疲劳的经济性：预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology风电疲劳荷载下的构架塔焊接节点典型马尔科夫矩阵绝大多数（85%以上）荷载循环对应的应力幅很小，但其并不是疲劳损伤的主要来源。损伤主要来自应力幅更大的一些应力循环，尽管其对应的荷载循环次数相对较少。对应损伤情况预应力抗疲劳设计方法：以试验结果为依据，对马尔科夫矩阵中不同应力比R下的应力幅进行相应折减，计算应力幅折减后的损伤值，同时考虑预压力引入后伴随的塔柱截面积增大（以满足极限承载能力）的调整，可定量评估预应力抗疲劳方法的经济性。预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology传统方法：增大构件尺寸抗疲劳预应力抗疲劳显然，相比于增大构件尺寸以抵抗疲劳的传统方法，预应力抗疲劳方法在构架式钢管风电塔中具有更好的经济性。结论：采用预压力降低构架式钢管风电塔焊接节点在疲劳荷载下的平均应力，从而提升疲劳寿命，具有较好的可行性和经济性。当应力循环全部处于压应力区间时，基本不再有疲劳问题（即便裂纹萌生后，其扩展速度缓慢，仍可长时间带裂工作）。同时，将疲劳脆性破坏改善为一种特殊的延性破坏模式。预应力抗疲劳PrestressedAnti-fatigueTechnology设计开始截面选定

设计

验算不通过通过传统抗疲劳设计截面增大预应力抗疲劳设计预应力施加方案预压力与极限

判断截面调整预应力施加荷载不累加预压力与极限

荷载累加设计完成

复核判断优势Part

4Advantages优势Advantages构架式预应力抗疲劳钢管风力发电塔：塔架结构特点：优势：相比于传统单管塔，构架塔在运输上具有较大优势，构架段为散件运输；所有焊接均在工厂内完成，现场全部为螺栓节点安装；同时，构架塔安装也具有一定优势，可以多个工作队同时作业，节省时间成本。塔架越高，风轮直径越大，塔底弯矩越大，采用构架式塔架提升材料效率越高塔身总用钢量越省；构架塔采用独立基础+连梁形式，相比于柔塔，可节省大量基础混凝土方量和钢筋量；参数：轮毂高度：120m~200m塔底占地直径：25m~40m柔塔一阶自振频率小于1P，需控制系统调控，而构架塔刚度大于1P，避免了共振问题；构架式预应力抗疲劳钢管风力发电塔：升降机、维护平台等附属设备：箱变、升降机、平台等附属设备可参考角钢塔完成；升降机顺其中一根塔柱向上提升，由电梯厂家设计；以四边形塔架为例，方案俯视图如下示意：优势Advantages北京鉴衡认证：研发、设计、计算及图纸等技术性内容已在北京鉴