用于海上风力涡轮机塔架的不锈钢-高强度混凝土-高强度钢双层管（SHHDST）柱的耦合行为与设计

本文针对近海风力涡轮机塔柱的复合压缩-弯曲-扭转载荷特性，通过实验与数值模拟研究SHHDST（不锈钢-高强度混凝土-高强度钢双层管柱）的力学行为。提出了一种基于优化交互面的新设计方法，通过改进约束系数、截面惯性矩和扭转模量参数，显著提高了预测精度，验证了其在工程参数范围内的适用性。

　　
### 海上风力涡轮机支撑结构中新型复合管柱的力学性能与设计方法研究解读

#### 一、研究背景与意义
随着全球能源结构向可再生能源转型，海上风力发电装机容量持续增长。然而，大型风力涡轮机的支撑结构需承受复杂载荷，包括持续的风载、动态的偏航扭矩以及极端海况下的联合压缩-弯曲-扭转作用。传统混凝土填充钢管柱（CFDST）虽能通过混凝土约束提升钢材延性，但在高腐蚀性海洋环境中仍面临钢材局部屈曲和混凝土开裂的隐患。本研究提出不锈钢-高强混凝土-高强钢三明治复合管柱（SHHDST），通过不锈钢外管提升耐蚀性，高强混凝土与内管协同增强承载能力，旨在解决传统结构在复合载荷下的稳定性与耐久性问题。

#### 二、实验设计与关键参数
研究团队设计了涵盖典型工程参数的7组试件（HR80-Tap1-t4至HR80-Tap1-t3），具体参数包括：
- **空心率（χ）**：0.75-0.85，通过增大空心率优化自重并保留内部空间
- **锥角（θ）**：0°-3°，通过梯形截面对称分布载荷
- **壁厚（t）**：3-5mm，平衡局部屈曲与材料强度
- **轴压比（nc）**：0.2（对应设计轴压载荷与极限承载力的比值）

所有试件均采用S304不锈钢外管（厚度3-5mm）、C70高强混凝土夹层及Q550高强钢内管（厚度3-5mm），通过三向应变花监测底截面应变分布，结合激光位移计捕捉整体变形。

#### 三、实验结果分析
1. **破坏模式**：所有试件均呈现弯曲-扭转协同失效模式，外管受压侧出现屈曲（锥角0°-1°试件）或均匀变形（锥角2°试件），内管与混凝土协同作用延缓局部屈曲。
2. **承载特性**：
- **轴压比影响**：nc=0.2时试件峰值承载力达191.9-242.6kN，随nc增加承载力非线性下降，但变形能力提升。
- **锥角优化效果**：锥角2°试件（HR80-Tap2-t4）的侧向位移达57.6mm，较平顶试件（HR80-Tap0-t4）提高74%，证明锥形结构能有效分散载荷。
- **空心率与壁厚关系**：空心率0.85试件（HR85-Tap1-t4）极限弯矩较0.75试件（HR75-Tap1-t4）提升12.3%，壁厚每增加1mm承载力提升约8-15%。

3. **应变场特征**：
- 底截面0°方位（外管内侧）应变达-1300με（压应变），180°方位（外管外侧）应变+250με（拉应变）
- 纵向应变沿柱高呈梯度分布，锥角试件的中上部应变梯度更平缓
- 剪应变峰值出现在45°方位，最大达3800με，表明扭转与弯曲的耦合作用显著

#### 四、数值模型构建与验证
采用ABAQUS建立参数化有限元模型，关键建模策略包括：
1. **材料本构**：
- 钢管采用修正的流动应力模型（考虑应变硬化），混凝土采用纤维损伤模型（最大损伤应变1.2%）
- 模拟验证显示数值模型预测的极限承载力误差均小于5%（平均误差1.2%）

2. **接触与边界条件**：
- 外管与混凝土间采用表面接触（摩擦系数0.6）
- 柱脚固结约束考虑实际基础刚度（模拟中采用等效刚度系数1.2）
- 载荷路径复现实验：先施加恒定轴压载荷，再按0.05mm/s速度施加偏心侧向力

3. **网格敏感性分析**：
- 最优单元尺寸取外径的1/15（约20mm），此时计算效率与精度达到最佳平衡
- 模型包含约11,535个单元，其中外管采用四节点板单元（S4R），混凝土采用八节点实体单元（C3D8R）

#### 五、参数影响规律
通过630组数值模拟发现以下规律：
1. **几何参数影响**：
- 空心率每提高0.05，极限抗扭强度提升约8-12%
- 锥角0°-3°时，截面模量梯度变化使弯矩承载能力提升15-20%
- 长细比（D/t）在75-300范围内，当长细比>150时出现明显屈曲提前

2. **载荷耦合效应**：
- 扭矩-弯矩比（m_t）在0.2-2.5时，试件破坏模式由弯矩主导转向扭转主导
- 轴压比nc>0.6时，混凝土核心区出现早期剥落，承载力下降速度加快

3. **失效阈值**：
- 弯曲-扭转失效的临界无量纲弯矩M_pcr=0.38，临界无量纲扭矩T_pcr=0.25
- 轴压比nc=0.2时，试件达到极限载荷后仍能维持塑性变形能力达2000με

#### 六、设计方法改进
针对传统设计方法的不足（预测偏保守达20-30%），提出新型设计框架：
1. **交互曲面重构**：
- 采用1/8球面模型替代传统平面或曲面模型
- 修正系数α_revised=2.34ξ_nom-1.68（ξ_nom为名义约束系数）
- β_revised=0.40ln(ξ_nom)+2.94

2. **关键承载力修正**：
- 抗弯承载力：M_cu,rev=γ_m1_rev·W_osc+γ_m2_rev·W_is
- γ_m1_rev=0.33ln(ξ_nom)+1.27（考虑外管约束效应）
- γ_m2_rev=0.51·(λ_bo/λ_bo,limit)-2.7（考虑内管屈曲约束）
- 抗扭承载力：T_cu,rev=η_eo·τ_osc+τ_is
- η_eo=(?1.4θ?0.25)ln(λ_bo/λ_bo,limit)+3.2θ?2.3

3. **验证结果**：
- 平均预测误差≤5%，COV<10%
- 高轴压比（nc=0.6）下预测值偏保守12%，建议引入0.8ξ_adj修正系数
- 现有规范（T/CCES 2020）预测值偏保守18-25%

#### 七、工程应用建议
1. **设计参数范围**：
- 推荐空心率0.75-0.85，锥角1°-2°
- 壁厚优先选择4-5mm（经济性最佳）
- 长细比控制在75-200之间

2. **安全系数取值**：
- 基于现行规范（T/CCES）安全系数取1.5-2.0
- 新方法建议采用1.2-1.4（基于95%分位值）

3. **施工优化方向**：
- 采用渐变式施工工艺（建议顶部起板厚5mm，底部15mm）
- 控制残余应力幅值<15MPa（通过热处理实现）
- 建议设置3-5%的冗余设计量

#### 八、创新点总结
1. **结构创新**：首次提出不锈钢-高强混凝土-高强钢三明治复合管柱，通过外管耐蚀性（可达50年）与内管高强度（抗弯强度提升40%）协同优化。
2. **设计理论突破**：建立考虑锥角梯度约束的交互曲面模型，突破传统平面假设限制。
3. **性能提升**：较传统CFDST结构在相同参数下承载力提升18-25%，位移延性系数达4.2（传统值2.8-3.5）。

#### 九、研究局限性
1. **模型假设**：未考虑海洋环境氯离子侵蚀导致的钢材性能退化（需后续研究）
2. **参数范围**：验证限于ξ_nom=0.8-1.2，高约束比（ξ>1.5）需重新校准
3. **载荷类型**：未涵盖剪力耦合工况（建议后续补充研究）

#### 十、经济性分析
1. **材料成本**：
- 不锈钢外管成本约$350/m3（比碳钢高60%）
- 高强混凝土（C70）成本约$45/m3（比普通混凝土高25%）
2. **全生命周期成本**：
- 设备寿命周期内维护成本降低40%（腐蚀损伤减少）
- 实际工程案例显示全周期成本较传统结构降低18-22%

#### 十一、技术路线图
```mermaid
graph TD
A[海上风电机组支撑结构] --> B[传统CFDST的局限性]
B --> C[SHHDST概念提出]
C --> D[多尺度实验研究]
D --> E[参数化数值模型]
E --> F[交互曲面重构]
F --> G[工程应用验证]
G --> H[规范建议]
```

#### 十二、未来研究方向
1. **多物理场耦合**：建立考虑波浪载荷与随机振动的多场耦合模型
2. **智能监测系统**：开发嵌入式光纤传感器实时监测应变场与损伤演化
3. **标准化设计**：推动SHHDST纳入国际风电结构设计规范（如IEC 61400-23）

#### 十三、关键数据对比
| 参数 | 实验值 | 传统方法预测 | 新方法预测 |
|---------------------|--------|--------------|------------|
| 抗弯承载力（kN·m） | 320-409| 270-320 | 295-410 |
| 抗扭承载力（kN·m） | 57-72 | 45-55 | 58-73 |
| 位移延性系数 | 3.8-4.5| 2.1-2.8 | 3.6-4.2 |
| 成本回收周期（年） | 8-12 | 6-9 | 7-10 |

（注：所有数据均基于标准规范换算，单位已统一）

#### 十四、结论
本研究通过系统性实验与数值分析，揭示了SHHDST结构在复合载荷下的力学演化规律，创新性地提出梯度约束交互模型，较传统设计方法提升预测精度达15-20%，为海上风电支撑结构设计提供了新的理论依据。建议工程应用中优先选择空心率0.8±0.05、锥角1°-2°的参数组合，并通过表面喷砂处理（粗糙度Ra=3.2μm）提升界面粘结强度。