钢筋混凝土风力发电高塔数值分析

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发布时间：2021-09-12

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钢筋混凝土风力发电高塔数值分析
金涛，周勇，李杰
(同济大学土木工程学院，上海200092)
摘要：风能是一种清洁无污染的可再生资源，风力发电技术方兴未艾。目前，国内外已建的风力发电高塔主
要采用钢锥筒塔形式，而关于钢筋混凝土塔体的研究与设计资料则较为缺乏。随着风机功率的提高，需要风力
发电塔具有更大的塔身高度，而钢筋混凝土塔体无论在技术方面还是在经济指标方面都将表现出更大的优越
性。本文以实际工程为背景，根据某钢筋混凝土风力发电高塔，采用有限元技术分析了该塔在塔顶静力荷载作
用下的受力行为，比较了采用不同的有限元建模方式所得到的数值结果，分析了塔身开洞对钢筋混凝土塔体的
受力行为的影响，验证了设计的合理性，为今后我国混凝土风力发电塔的设计与建造提供参考。
关键词：风力发电高塔；有限元；复合壳单元；嵌入单元
中图分类号：TU375；TU311．4 文献标识码：A 文章编号：1672—7037(2008)04—0270—03
1 研究背景
本文以实际工程为背景，采用某钢筋混凝土
风力发电高塔的工程实例作为数值模拟对象，其
基本信息如下：轮毂中心高度为68 m，塔顶标高
66．35 m，塔底标高1．7 m，塔身高64．65 m；塔底
截面直径3．9 m，壁厚0．3 ITI；塔顶截面直径2．55
m，壁厚0．2 m；塔身高度范围内的壁厚和直径按
线性变化；塔身在标高2．4ITI处有开洞，洞口高
2．0 m，宽1．5 m，所对应的圆心角为45。；塔顶总
质量81 461．8 kg，其中包括桨叶质量4 320．6×3=
12 961．8 kg，轮毂质量16 500 kg，机舱质量52 000
kg；混凝土标号C30，钢筋为HRB335。
2 有限元建模与数值分析
采用复合壳单元和三维实体元对钢筋混凝土
风力发电高塔进行有限元建模并应用商用软件
ABAQUS对其进行数值分析。在材料本构关系的
选取中，钢筋采用理想弹塑性模型，混凝土采用
ABAQUS自带的混凝土损伤模型，该模型结合各
向同性的弹性损伤概念和各向同性的拉、压塑性
来反映混凝土的非弹性行为。在确定混凝土材料
的模型参数时，使用C30混凝土材料性质的均值。
2．1 复合壳单元
复合壳单元能够用来模拟由多层材料所组
成的结构，定义该种单元时需要给出每层材料的
性质和厚度。用该方式模拟混凝土风力发电高塔，
可将塔身沿壁厚方向离散为5层，即内外混凝土
保护层、内外纵向受力钢筋层和两层钢筋之间的
混凝土。混凝土层的厚度为结构中的该层所对应
的壁厚，结构中离散的钢筋按照面积等效的原则
弥散成厚度不变的钢筋层，层与层之间按照实际
结构的顺序排列见图1。
匿习混凝十
S 环向钢筋
图1 复合壳单元模型
在应用复合壳单元建模时，将塔身分成4段，
每段根据塔身的实际配筋情况赋以具有不同厚度
的钢筋层。
塔顶在竖向荷载1216．4 kN的作用下，通过
位移加载的方式对塔顶施加水平位移，计算采用