锥形纤维增强聚合物-混凝土-钢双壁管柱（DSTC）在大空心率下的轴向压缩性能及其在海上风力发电机塔架中的应用

《Engineering Structures》：Axial compressive behaviour of tapered FRP-concrete-steel double skin tubular columns (DSTC) with large hollow ratio for offshore wind turbine towers

　　# 内容摘要• 新型海上风力发电机组支撑结构。• 锥形角度和大空心比对DSTC构件的影响。• FRP管、三明治混凝土与钢管之间的协同效应。• 沿高度方向箍压力分布的不均匀性。## 引言开发海上风力发电是促进发电技术进步的重要举措，也是建设资源节约型和环境友好型社会的一项重大战略选择。目前的趋势表明，中国年新增海上风电装机容量接近900万千瓦，预计到2030年前累计装机容量将超过1亿千瓦[1]。然而，随着风力发电机组规模的不断扩大以及部署在更深、更恶劣的海洋环境中，传统钢结构塔筒面临着越来越大的挑战，包括在高盐高湿条件下的耐蚀性差（图1(a)）、生命周期维护成本高（图1(b)）以及由局部屈曲引起的结构效率不足（图1(c)）。这些局限性阻碍了海上风电的高效部署和进一步商业化，迫切需要对新的海上风电支撑结构进行研发，以增强其多向荷载作用下的力学性能和经济效益。因此，作者提出了一种用于海上风力发电机的新型混合支撑结构系统（图2），其中专门为高腐蚀区域（如浸没区、潮差区和飞溅区）和高强度需求区域的风电塔设计了FRP-混凝土-钢管夹层双皮管柱（DSTC，如图2所示）。该DSTC组合构件由内钢管、混凝土填充层和FRP管组成，协同发挥承载能力、耐蚀性和成本节约的综合优势：(1) 外层FRP管具有紫外线防护层，对海水腐蚀具有优异的耐久性和抗老化性能；(2) 双重约束使夹层混凝土处于三向受压状态，显著提高其极限强度和延性；(3) 夹层混凝土对内钢管产生运动约束，减轻局部屈曲，优化钢材强度利用并减少钢材消耗；(4) 在混凝土浇筑过程中直接将FRP管和钢管作为永久性模板使用，大幅降低施工成本。迄今为止，大量实验和理论研究系统地探讨了DSTC构件的力学行为，包括静力行为[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]、动力性能[13,14,15]、长期耐久性[16,17]以及冲击行为[18]，从而在中国设计规范GB50608-2020[19]中形成系统性的设计方法。此类FRP组合构件也已应用于中国广东省某项目的桥墩[20]，展现出优异的耐久性和经济效益。风力发电机塔筒的DSTC应具有锥形剖面（即塔筒尺寸沿高度方向减小）和大空心比χ（即χ=D_fi/D_so，其中D_fi和D_so分别为外层FRP管的内径和内层钢管的外径），其值大于0.8。对于作为悬臂结构主要承受水平环境荷载（如风荷载和波浪荷载）的风力发电机塔筒而言，采用锥形几何形状和大空心比具有显著优势：(1) 锥形剖面与沿高度方向的弯矩分布一致，从而提高材料利用效率并减轻自重；(2) 大空心比不仅减少材料用量，还为电气设备提供充足的内部空间。例如，美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的5兆瓦风力发电机塔筒锥度为0.69°[21]，证明了此类构造的可行性和高效性。此外，锥形FRP管的制造工艺已经成熟，这一点在通信塔和电杆的广泛使用中已得到证明。近期研究进一步探讨了传统圆形DSTC构件（相对较大的空心比）[8,9]、锥形混凝土填充双皮管柱（CFDST）用于风电支撑结构[22,23,24,25,26,27]（其截面配置与DSTC相似），以及用于组合管柱分析和强度预测的先进数值和数据驱动方法[28,29,30,31,32]。然而，专门针对大空心比锥形FRP-混凝土-钢管DSTC构件的研究仍然有限。锥角和大空心比的联合作用可能导致与圆柱形DSTC显著不同的力学行为，使得现有研究结果和设计方法难以直接应用：(1) 锥角导致沿高度方向的径向箍压力对夹层混凝土的作用以及截面刚度分布不均匀。受锥角控制，FRP管和钢管的直径沿高度逐渐减小，从而导致其箍压力效果的改变。从力学角度看，夹层混凝土承受沿高度高度不均匀的被动箍压力，这与截面刚度随高度变化的规律相结合，改变了临界失效截面的位置和混凝土裂纹的发展模式[22,23,24]；(2) 较大的空心比可能改变钢管的失效模式。具体来说，它增加了钢管的径厚比，同时减小了夹层混凝土的厚度。前者使钢管更容易发生局部屈曲，后者削弱了混凝土提供的横向约束。因此，钢管的失效模式可能从向内局部屈曲转变为向外鼓胀[25]。迄今为止，尚无任何研究报告关于大空心比锥形DSTC构件的力学行为，锥角和大空心比的影响仍有待进行定量研究。对于应用于海上风力发电机塔筒的此类构件，尚未建立设计或计算方法。在此背景下，本文对大空心比锥形DSTC试件进行了轴压破坏试验（第2节"试验程序"和第3节"试验结果"），试验变量包括锥角、空心比和FRP管厚度。分析了箍压力分布的不均匀性和协同效应，考察了锥角和大空心比对关键极限响应（包括失效模式、轴向刚度和极限强度）的影响。随后，在第4节中建立并验证了与试验结果相匹配的非线性有限元模型，并在第5节中提出了适用于海上风力发电机塔筒的大空心比锥形DSTC构件极限轴向强度计算方法。## 章节摘要### 试验参数与试件制备本试验计划共进行了七组21根圆形FRP-混凝土-钢管双皮管柱（18根锥形柱和3根直筒柱）的试验，每组包含3根相同试件以尽量减少试验离散性的影响（图3）。与海上风力发电机的潜在工程应用相一致，主要研究参数包括：(1) 锥角θ=0°、0.5°或1°（θ以式(1)表示，其中D_fbo、D_fto分别代表外层的直径）### 空心FRP管与钢管空心FRP管和钢管的失效模式分别如图10和图11所示。试验结果表明，所有空心GFRP管表现出相似的失效模式：GFRP管外表面未观察到明显的压缩裂缝，失效发生在靠近管顶部的区域，对应于截面尺寸最小的截面，以严重的局部损伤和树脂压碎为特征。因此，尽管失效模式...### 有限元模型的建立使用Abaqus/Standard软件建立了全部七种测试构型的非线性有限元模型，采用相应的实测试件几何尺寸（图21）。夹层混凝土和钢端板采用C3D8R实体单元建模，而内钢管、GFRP管和CFRP端部包裹件则采用S4R壳单元建模。采用面面接触来模拟GFRP-混凝土和钢-混凝土界面。在...中规定了硬接触...### 锥形DSTC极限强度的计算方法迄今为止，DSTC柱的截面极限强度计算通常采用叠加法，如式(6)所示，其中N_u为截面极限强度；A_c、A_s和A_f分别为夹层混凝土、内钢管和FRP管的截面积；f_cc、f_y和f_f分别代表约束混凝土强度、钢管屈服强度和FRP管轴向抗压强度。对于f_cc，可以使用...进行计算...### 结论本研究通过试验对大空心比锥形DSTC构件的轴向受压行为进行了研究。共试验了七组21根试件，以锥角、空心比和FRP管厚度为主要变量。特别考察了协同效应和沿构件高度的不均匀约束作用。此外，建立了非线性有限元模型和极限轴向强度计算方法，并与...进行了验证...## 利益冲突声明我们声明，我们没有任何商业或关联利益与本文提交的研究工作存在冲突。## 致谢本文所报道的研究得到以下项目资助：四川省科技计划项目（编号：2026NSFSC1296）、国家博士后创新人才计划（B/C类）（编号：GZC20241168）以及青岛市科技计划项目（编号：2511gjgg50hy）。