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《預應(yīng)力混凝土鋼組合風電塔架塔段優(yōu)化研究.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、預應(yīng)力混凝土鋼組合風電塔架塔段優(yōu)化研究摘要：以某2MW傳統(tǒng)鋼筒結(jié)構(gòu)風電塔架為對象，采用預應(yīng)力混凝土鋼組合塔架結(jié)構(gòu)取代原鋼筒結(jié)構(gòu)，并對組合塔架結(jié)構(gòu)的兩塔段進行優(yōu)化。以造價為目標函數(shù)，在塔架幾何外形不變的情況下，考慮預應(yīng)力混凝土與鋼塔段的強度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞以及自振頻率、頂部最大位移等約束條件，借助改進的粒子群優(yōu)化算法，對預應(yīng)力混凝土和鋼塔段的高度及其截面尺寸進行優(yōu)化。結(jié)果表明，采用粒子群算法對預應(yīng)力混凝土鋼組合塔架兩個塔段進行優(yōu)化后，在滿足各項約束條件的前提下，組合塔架結(jié)構(gòu)形式的造價比傳統(tǒng)鋼塔架造價降低約27%。關(guān)鍵詞：組合風電塔架；結(jié)構(gòu)優(yōu)
2、化；改進的粒子群算法；鋼筒風電塔架中圖分類號：TU398.9：TM614文?I標識碼：A風能作為一種蘊藏豐富，分布廣泛，而且清潔的可再生能源，受到了全世界越來越多的關(guān)注。近年來我國風電場建設(shè)發(fā)展迅速。對于我國能源相對短缺的湖南、貴州、云南等南方省份，風資源大多分布在交通不便的山區(qū)。風電塔架作為水平軸風力發(fā)電機組的下部支撐，是風機的重要組成部分。兆瓦級傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)風電塔筒的底截面直徑一般超過4m，接近一些國家公路運輸容許的最大寬度和高度，因此傳統(tǒng)鋼塔筒的運輸非常困難，而且運輸費用高。特別是南方山區(qū)風場建設(shè)中，重量大、長度長的鋼制塔筒的運輸越發(fā)困難
3、而且危險性高。此外為了建設(shè)上山道路必須花費大量額外資金，大大增加了風電場建設(shè)的成本。由于混凝土結(jié)構(gòu)可以現(xiàn)澆或者預制，因此采用鋼筋混凝土或者預應(yīng)力混凝土代替部分鋼結(jié)構(gòu)，形成鋼筋混凝土或者預應(yīng)力混凝土鋼組合風電塔筒結(jié)構(gòu)是有效的解決之道。Singh等的研究表明預應(yīng)力鋼筋混凝土風電塔架的設(shè)計比全鋼塔架具有更大的靈活性。Seidel對已經(jīng)建成的鋼混凝土組合塔架和鋼塔架整體結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)比較分析，說明鋼混凝土組合塔架可以克服山區(qū)交通不便、難以運輸?shù)膯栴}。牛家興對預應(yīng)力混凝土與鋼組合塔架的研究表明，預應(yīng)力混凝土與鋼組合塔架克服了傳統(tǒng)鋼管塔的運輸及制造困難，
4、同時也能更好地滿足目前風機功率大型化發(fā)展趨勢對于塔架高度的需求，代表了未來風電結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。許斌等提出了一種新型的嵌入式開孔板和穿孔鋼筋連接段結(jié)構(gòu)方案，有效地提高了塔架過渡段剛度并改善了應(yīng)力分布。這種組合塔架中預應(yīng)力混凝土段與鋼結(jié)構(gòu)段的高度以及各自的界面尺寸的優(yōu)化對于降低造價，保證其良好的動靜力性能具有重要意義。Uys等以造價為目標函數(shù)對傳統(tǒng)鋼塔架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。然而，目前對于預應(yīng)力混凝土與鋼組合塔架中鋼塔段與混凝土塔段的高度的比例以及各段的截面尺寸的優(yōu)化尚無詳細研究。Hani等基于風電塔架的自振周期以及穩(wěn)定性設(shè)計提出了5種優(yōu)化準則并對某1
5、00kW風機進行了優(yōu)化設(shè)計。國內(nèi)，馬宏旺等提出了一種基于ABAQUS和遺傳算法的預應(yīng)力混凝土塔架優(yōu)化方案。陳俊嶺等提出了一種新的塔架結(jié)構(gòu)形式并對其進行了優(yōu)化。本文以某兆瓦級風力發(fā)電機組的傳統(tǒng)鋼塔架為對象，采用預應(yīng)力混凝土鋼組合風電塔架結(jié)構(gòu)方案，考慮不同風荷載工況下，以強度、剛度和穩(wěn)定性為約束條件，以造價為目標函數(shù)，對預應(yīng)力混凝土段和鋼塔段的高度以及各段的界面尺寸采用粒子群優(yōu)化算法進行優(yōu)化。兩塔段高度的優(yōu)化結(jié)果與國外文獻報道的預應(yīng)力混凝土鋼組合塔架工程實例吻合較好。1預應(yīng)力混凝土鋼組合塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件風電塔筒所受荷載均為偏心荷載，風荷載作為
6、風機塔架設(shè)計的重要荷載之一，由于其不確定性，根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)程規(guī)定，需要對4種不同風速下的塔筒受力進行計算。結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足鋼塔架以及預應(yīng)力混凝土塔段的強度、剛度和穩(wěn)定性要求。本文以強度、剛度和穩(wěn)定性作為約束條件進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化求解。1.1鋼筒段約束條件1.1.1局部穩(wěn)定由煙囪設(shè)計規(guī)范，鋼筒段局部穩(wěn)定約束條件可表示為：式中：M為塔架水平計算截面的最大彎矩設(shè)計值；Ni為相應(yīng)軸向壓力或軸向拉力設(shè)計值；Ani為計算截面處的凈截面面積；Wni為計算截面處的凈截面抵抗矩；ft為鋼材抗拉、抗壓和拉彎強度設(shè)計值；σcrt為塔架筒壁局部穩(wěn)定的臨界應(yīng)力值；i表示塔
7、架i截面。1.1.2整體穩(wěn)定由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，鋼筒段整體穩(wěn)定約束條件可表示為：式中：Abi為計算截面處的毛截面面積；等效彎矩系數(shù)βmx=1.0；Wbi為計算截面處的毛截面抵抗矩；λ為塔架長細比，塔架可以按照懸臂梁構(gòu)件計算；φ為塔架截面軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；NEx為歐拉臨界荷載。1.1.3強度參考ASCE/AWEARP2011，確定塔筒筒壁的各項強度約束條件。1）抗壓強度式中：D為塔筒外徑；t為塔筒壁厚；E為彈性模量；Fy為鋼材屈服強度。2）抗剪強度其中，Vu為剪力設(shè)計值，Av為塔筒截面面積的一半；3）抗扭強度4）綜合作用
