弯扭作用下混凝土风电塔筒水平接缝的抗剪承载力

《Structures》：Shear resistance of horizontal joints in concrete wind turbine towers under bending and torsion

　　

摘要

本文研究了弯曲工况下钢-混凝土混合式风力发电机塔架混凝土段水平接头的抗剪承载力。对三个1:4缩尺混凝土塔架试件分别进行了纯弯、弯扭组合和纯扭加载试验，结果表明：水平接头的抗剪能力主要由预应力引起的界面摩擦提供，且横向荷载对接头接触面积和破坏模式有显著影响。基于试验结果，建立了有限元（FE）模型，分析了材料强度、截面尺寸、预应力比和横向荷载等关键参数的影响。分析表明，预应力比、截面尺寸和横向荷载是影响抗剪承载力的关键因素。此外，利用现行设计规范进行评价发现，现有规范方法无法充分考虑弯矩与接头脱开的耦合效应：欧洲规范（DIN EN 1992-1-1）在接头完全闭合时给出偏不保守的预测，在接头脱开后则过于保守，而中国规范（T/CEC 5008）在所有阶段均给出偏不安全的估计。基于上述认识，提出了一种考虑弯矩影响的新设计方法。设计值与试验/数值抗剪承载力的平均比值为1.01，变异系数（COV）为0.06，为风力发电机混凝土塔架水平接头的抗剪设计提供了更准确的依据。

引言

发展风电等可再生能源对应对当前全球能源挑战具有重要意义。传统钢结构方案在超高层风力发电机中面临局限，因其结构细长、整体刚度低且易受共振损伤。钢-混凝土混合塔架以其高刚度与成本比优势，成为轮毂高度超过140 m的陆上风力发电机的首选方案[1, 2, 3]。为便于现场施工，混凝土段通常设计为预制构件。预制的弧形混凝土段通过高强度弧形螺栓和环氧树脂连接并紧固，形成完整环形结构。相邻环之间用环氧树脂连接找平，环之间的界面称为水平接头，如图1所示。

运行期间，风力发电机组主要承受包含压缩、弯曲、剪切和扭转的组合荷载。轴向压缩力主要由外部预应力提供，而弯矩、剪力和扭矩则主要来自动态风荷载。特别是在主动变桨控制和偏航调整等运行过程中，动态变化的风荷载会在水平接头等关键传力部位同时诱发弯矩和扭矩。因此，混凝土塔段承受着不利的弯扭组合荷载条件。作为结构体系中的薄弱界面，水平接头的弯扭性能对塔架结构整体安全性至关重要。

当前风电行业的设计方法[4, 5]基于圣维南扭转理论计算抗扭承载力。该理论假设水平接头处的扭转剪应力遵循经典分布模式，并允许极限状态下环向接头张开。一旦接头张开，界面处于非闭合状态，其抗扭能力主要依赖于竖向力产生的摩擦，而非完全粘结界面的抗剪能力。按规范计算的承载能力在接头脱开后急剧下降，无法捕捉实际的基于摩擦的抗扭机制。

近年来，Paredes等[6]通过有限元分析发现，虽然水平接头不会降低整体刚度，但会在接头和锚固区附近局部化损伤，从而改变结构的局部破坏机制。Hartwig等[7]提出了干接缝混凝土环形连接抗扭承载力的数学模型，该模型基于单元平衡和库仑摩擦定律，真实反映了组合荷载下的接头行为。Kang等[8]模拟了风力发电机混凝土塔架中干接缝的扭转性能，并评价了DIN EN 1992-1-1[5]设计规范的适用性，发现接头闭合时该规范偏不保守，而接头脱开后则过于保守。Klein等[9]进行了1:10缩尺模型试验，研究了轴力和弯矩作用下混凝土塔架干接缝的力学行为。Loh和Garg[10, 11, 12]利用翘曲理论和弹性力学推导了弯曲和扭转作用下干接缝的应力分布，提出了不同接头开裂条件下的新计算模型，并提供了不同加载阶段的关键参数。Huang等[13]通过静力和疲劳试验研究了风力发电机混合塔架中干连接竖直接头的抗剪性能，提出了承载能力公式，并评估了基于规范的疲劳寿命预测的适用性和保守性。Chen等[14]通过理论分析推导了水平接头抗扭承载力的积分表达式，并基于有限元模拟提出了适用于工程应用的实用六参数计算公式。

综上所述，现有研究在组合压弯扭条件下风力发电机混凝土塔架抗扭承载力方面提供的可靠成果有限。因此，本研究采用三个1:4缩尺混凝土塔架试件进行试验研究，考察组合荷载条件下水平接头的力学行为，以开发准确的风力发电机钢-混凝土塔架水平接头抗扭承载力设计方法。随后，通过有限元分析进行全面的参数研究。最后，结合试验和数值结果，提出了预测混凝土塔架水平接头抗扭承载力的数学模型和设计方法。

试验试件

试验方案中设计了三个试件，试验参数汇总于表1。每个试件主要由三个部分组成：过渡段、上塔段和下塔段。过渡段由四段相同的预制混凝土塔段组成，通过高强度螺栓连接。混凝土部分总高度为8.3 m，外径为900 mm，内径为825 mm。在过渡段处设置了一个水平接头。

结构行为与破坏模式

HW-1的破坏模式如图6(a)所示。可见，在达到极限荷载时，试件受压侧（北侧）水平接头处发生大面积混凝土压碎，而受拉侧（南侧）未观察到明显现象。试验观测结果与理论假定基本一致。在加载初期，试件未观察到显著现象。试件屈服后，出现了轻微现象。

材料特性

本研究采用ABAQUS软件[16]进行静力分析。混凝土的受压本构行为采用Mander约束混凝土模型[17]进行模拟，仅考虑外箍筋提供的约束效应。受拉本构行为采用CEB-FIP Model Code 90[18]规定的断裂能方法进行模拟，抗拉强度根据GB50010[19]确定。普通钢筋采用理想弹塑性模型。

参数研究

为进一步研究材料性能、预应力水平、截面尺寸和横向荷载等因素对混凝土段抗扭性能的影响，进行了参数研究。基本模型尺寸遵循试验试件尺寸。材料性能设置如下：混凝土等级C60，钢筋屈服强度360 MPa，预应力比为0.2，横向荷载比F/F?为1.2。

提出的设计方法

水平接头在轴力和弯矩组合作用下的应力状态可分为两个连续阶段。

第一阶段为全截面受压阶段。在预应力和结构自重作用下，试件水平接头承受均匀分布的压应力。当施加外部弯矩时，受拉侧（迎风侧）边缘的压应力逐渐减小。一旦边缘应力降至零。

结论

本研究通过试验和参数化有限元分析，研究了循环荷载下预应力混凝土风力发电机塔架水平接头的抗扭承载力。得出以下结论：

• 有限元模型经试验结果验证，HW-1试件的极限弯矩试验值与有限元值之比为0.916，HWN-1和HN-1试件的极限扭矩之比分别为1.037和1.029，均在10%误差范围内，验证了模型的准确性。

CRediT作者贡献声明

Tan Ji-Ke：撰写—审阅与编辑，获取研究资金，概念构思。Tang Chang：撰写—原稿撰写，调查研究，形式分析。Li Tao：监督指导。Zheng Wan-Lang：撰写—原稿撰写，调查研究。Luo Wei：监督指导。Huang Yuner：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

我们确认本出版物"弯扭作用下混凝土风力发电机塔架水平接头的抗剪承载力"不存在已知的利益冲突，且不存在可能影响研究结果的重大财政支持。

致谢

本研究由国家自然科学基金（52578172）资助。

Tan Ji-Ke | Tang Chang | Li Tao | Zheng Wan-Lang | Luo Wei | Huang Yuner

重庆交通大学山地桥隧工程国家重点实验室，中国重庆，400074