钢管混凝土格构式风电机塔架节点静力性能试验研究.pdf
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1、第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 5 Mar 2013 钢管混凝土格构式风电机塔架节点 静力性能试验研究 * 李斌 1, 乔 明 1, 高春彦1, 2 ( 1 内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,包头 014010; 2 南京航空航天大学航空宇航学院,南京 210016) 摘要对 6 个钢管混凝土格构式风电机塔架焊接相贯节点和焊接管板节点进行了缩尺模型试验, 研究了这两种 塔架节点的破坏机理和破坏特征、 节点进入塑性后的变形发展过程以及节点交汇区域的复杂应力状态和分布规 律。试验结果表明: 塔柱钢管内混凝土的存在
2、, 使钢管混凝土节点的破坏模式和力学性能与空钢管节点大大不同, 钢管混凝土相贯节点的破坏形态为受压腹杆局部屈曲破坏, 管板节点的破坏形态为节点板受压屈曲和受拉撕裂破 坏, 没有出现节点区塔柱管壁在受拉、 受压腹杆接头处的塑性变形失效。由试验结果还得到: 两种节点交汇处塔柱 管壁以及节点板的应力分布极不均匀, 个别测点已经进入塑性而有的测点仍然处于弹性阶段。由破坏形态和节点 区的应力分布情况得到了一些设计建议, 为实际工程塔架节点的设计提供参考。 关键词钢管混凝土;格构式塔架;相贯节点;管板节点;静力性能 中图分类号: TU398文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013)
3、05- 0035- 04 Static behavior study on latticed concrete- filled steel tubular wind turbine tower joints Li Bin1,Qiao Ming1,Gao Chunyan1, 2 ( 1 Architecture and Civil Engineering Institute,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China; 2 College of Aerospace Engineering,Nanj
4、ing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) Abstract: Six latticed concrete-filled steel tubular ( CFST)wind turbine tower K-shape joints were carried on the static load test,which included the weld intersecting joint and the gusset plate joint The failure mechanism and char
5、acteristics on the two kinds of K-shape joints,the deformation development process after joints entered plastic stage and the stress state and distribution of joint intersection area were studied The results show that the failure mode and mechanical behavior of CFST K-shape joints are greatly differ
6、ent from that of the hollow steel tubular K-shape joints because of the existence of core concrete,the failure mode of the weld intersecting joints show the local buckling of compression web member and that of the gusset plate joints present as the compression buckling and tension tearing of the gus
7、set plates,while the plastic deformation failure of tower column tube wall in joint area is not appear It is also shown by test results that the stress distribution of tower column tube wall and gusset plate in joint intersection is extremely non-uniform,individual parts already enter plastic state
8、but some other parts are still in elastic state According to the failure mode and stress distribution conditions of the two kinds of K-shape joints,some design suggestions are drawn,which can provide reference for the latticed CFST wind turbine tower joints Keywords: concrete-filled steel tube;latti
9、ced tower;weld intersecting joint;gusset plate joint;static behavior * 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 51068021 ) , 包 头 市 科 技 攻 关 项 目 ( 2010Z1002, 2011Z1006) , 内蒙古自然科学基金项目( 2012MS0711) 。 作者简介: 李斌, 博士, 教授, Email: btlibin 189 cn。 0引言 近几年来, 风力发电作为新能源战略的领头军 越来越受到人们的重视。塔架作为风力发电机组中 的主要支承装置, 将风电机与地面连接, 为水平轴叶 轮提供需要的高
10、度, 其重要性随着风力发电机组容 量、 高度的增加而愈来愈明显。塔架结构按其结构 形式可分为锥台式、 格构式等几种形式。目前在国 际风电市场上, 大型风力发电机组普遍采用的是锥 台式塔筒。格构式塔架与锥台式塔筒相比, 耗材少、 运输成本低, 在高度和刚度设计要求相同的情况下, 材料消耗约减小 40% , 能进一步降低风电成本, 尤 其是近年高度超过 100m 的塔架中, 格构式塔架结 构的高性价比吸引着各国学者的目光 1。 为保证风力发电机塔架的安全可靠运行, 设计 人员对格构式塔架节点的分析和处理给予了特别的 关注。格构式风力发电机塔架节点的受力机理复 杂, 要得到节点的破坏形态、 节点极限
11、承载力的精确 解析解几乎是不可能的, 理论分析的正确与否必须 通过试验来验证, 因此进行格构式塔架节点的试验 建筑结构2013 年 研究尤为重要 2, 3。 到目前为止, 国内外大量的研究工作和实际工 程应用主要集中在空钢管焊接相贯节点及节点板连 接的节点上。焊接相贯节点相贯处曲面复杂, 对坡 口有较高的精度要求, 手工切割质量难以保证, 必须 采用数控切割机床, 且该种节点对钢管和焊缝质量 要求也较高。节点板连接的节点通过在腹杆末端开 槽, 与节点板的插接长度及各杆件夹角可调, 施工难 度小, 但节点焊缝较多, 焊接耗时 4。据文献 5报 道, 研究人员对钢管混凝土节点的研究起源于海洋 钻井
12、平台的应用, 为了对海洋钻井平台的钢管节点 进行修补、 加强, 而在圆钢管节点中进行混凝土灌 浆, 虽然当时没有将其作为一种新的节点形式进行 深入研究, 但是发现填入混凝土的钢管节点承载力 大大地提高了。本文以丰富塔架的结构形式、 拓展 钢管混凝土结构的使用范围为目的, 从格构式钢管 混凝土三肢柱风力发电机塔架中取出 K 形节点进 行了缩尺模型静载试验, 研究了不同类型节点的破 坏机理和破坏特征、 节点交汇区的复杂应力状态和 分布规律, 以期为实际工程中塔架节点的设计提供 参考。 1试验概况 1. 1 试件的设计与制作 本次试验依据文献 6共设计了 6 个钢管混凝 土 K 形塔架节点, 并进行
13、了静力单调加载。考虑试 验仪器加载能力及场地条件, 节点试件按 1 1. 8 缩 尺制作, 试件参数见表 1。节点类型包括焊接相贯 节点及焊接管板节点。相贯节点焊缝为周圈熔透角 焊缝, 管板节点采用支管末端开槽与节点板插接后 焊接。 试件参数表 1 试件 组别 节点 形式 构件尺寸 /mm 塔柱截面长度腹杆截面长度节点板 1 / 2 / JD1相贯节点219 62 00089 4750无 JD2管板节点219 62 00089 4750402 180 4 5664 注: 1为受压腹杆与塔柱的夹角; 2为受拉腹杆与塔柱的夹角。 JD1, JD2 组均包含 3 个试件, 分别为 JD1- 1, J
14、D1- 2, JD1- 3 和 JD2- 1, JD2- 2, JD2- 3。 节点试件中塔柱和腹杆材料均采用 20 号热轧 无缝钢管, 节点板钢材采用 Q235, 钢材的力学性能 指标见表 2。塔柱内灌注 C40 混凝土, 配合比为: 水 泥 沙子 石子 粉煤灰 水 外加剂 = 375 750 995 110 170 11. 5。混凝土 28d 及试验时的立方体试块 抗压强度分别为 60, 61MPa, 弹性模量 Ec为 4. 02 104MPa。 钢材力学性能表 2 钢材种类 屈服强度 /MPa极限强度 /MPa弹性模量 /( 105MPa) 腹杆3104102. 01 塔柱2954481
15、. 86 节点板3044202. 02 1. 2 试验装置与加载制度 本次试验采用液压伺服作动器对塔架节点进行 静力加载, 试验节点采用卧位放置。试验时, 用地脚 螺栓将承力底座固定, 将塔柱水平放置于支撑架上, 其两端通过端板用螺栓与承力底座连接; 腹杆端部 用法兰连于液压伺服作动器上, 分别施加拉、 压力, 液压伺服作动器两端均设置有钢铰。由于设计塔架 在正常工作状态下, 塔柱的轴压比仅为 0. 05, 对节 点区应力影响很小, 因此试验中不对塔柱施加轴力, 试验装置如图 1 所示, 试验现场照片如图 2 所示。 图 1节点试验装置图 图 2节点模型的试验照片 利用 SAP2000 对塔架
16、整体模型进行有限元计 算可知, 在荷载作用下塔架某一节点上层斜腹杆的 内力大约是下层斜腹杆内力的 1. 0 1. 35 倍, 在本 次试验中拉、 压千斤顶对节点腹杆分别施加同步等 比例的反对称荷载, 即 F拉= 1. 35F压。 试验采用逐级加载的方式, 压杆每级加载值取 预估极限承载力的 10% , 拉杆每级加载值为压杆的 1. 35 倍。在节点变形增长进入非线性阶段后, 为完 整地观测节点的破坏形态, 加载级差降为 5% , 直到 试件破坏。 63 第 43 卷 第 5 期李斌, 等 钢管混凝土格构式风电机塔架节点静力性能试验研究 2试验结果分析 2. 1 试件破坏特征分析 为了更准确地描
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