预应力混凝土钢组合风电塔架塔段优化研究.doc

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1、预应力混凝土钢组合风电塔架塔段优化研究摘要：以某2MW传统钢筒结构风电塔架为对象，采用预应力混凝土钢组合塔架结构取代原钢筒结构，并对组合塔架结构的两塔段进行优化。以造价为目标函数，在塔架几何外形不变的情况下，考虑预应力混凝土与钢塔段的强度、刚度、稳定性、疲劳以及自振频率、顶部最大位移等约束条件，借助改进的粒子群优化算法，对预应力混凝土和钢塔段的高度及其截面尺寸进行优化。结果表明，采用粒子群算法对预应力混凝土钢组合塔架两个塔段进行优化后，在满足各项约束条件的前提下，组合塔架结构形式的造价比传统钢塔架造价降低约27%。关键词：组合风电塔架；结构优

2、化；改进的粒子群算法；钢筒风电塔架中图分类号：TU398.9：TM614文�I标识码：A风能作为一种蕴藏丰富，分布广泛，而且清洁的可再生能源，受到了全世界越来越多的关注。近年来我国风电场建设发展迅速。对于我国能源相对短缺的湖南、贵州、云南等南方省份，风资源大多分布在交通不便的山区。风电塔架作为水平轴风力发电机组的下部支撑，是风机的重要组成部分。兆瓦级传统钢结构风电塔筒的底截面直径一般超过4m，接近一些国家公路运输容许的最大宽度和高度，因此传统钢塔筒的运输非常困难，而且运输费用高。特别是南方山区风场建设中，重量大、长度长的钢制塔筒的运输越发困难

3、而且危险性高。此外为了建设上山道路必须花费大量额外资金，大大增加了风电场建设的成本。由于混凝土结构可以现浇或者预制，因此采用钢筋混凝土或者预应力混凝土代替部分钢结构，形成钢筋混凝土或者预应力混凝土钢组合风电塔筒结构是有效的解决之道。Singh等的研究表明预应力钢筋混凝土风电塔架的设计比全钢塔架具有更大的灵活性。Seidel对已经建成的钢混凝土组合塔架和钢塔架整体结构进行了结构比较分析，说明钢混凝土组合塔架可以克服山区交通不便、难以运输的问题。牛家兴对预应力混凝土与钢组合塔架的研究表明，预应力混凝土与钢组合塔架克服了传统钢管塔的运输及制造困难，

4、同时也能更好地满足目前风机功率大型化发展趋势对于塔架高度的需求，代表了未来风电结构发展的方向。许斌等提出了一种新型的嵌入式开孔板和穿孔钢筋连接段结构方案，有效地提高了塔架过渡段刚度并改善了应力分布。这种组合塔架中预应力混凝土段与钢结构段的高度以及各自的界面尺寸的优化对于降低造价，保证其良好的动静力性能具有重要意义。Uys等以造价为目标函数对传统钢塔架结构进行了优化。然而，目前对于预应力混凝土与钢组合塔架中钢塔段与混凝土塔段的高度的比例以及各段的截面尺寸的优化尚无详细研究。Hani等基于风电塔架的自振周期以及稳定性设计提出了5种优化准则并对某1

5、00kW风机进行了优化设计。国内，马宏旺等提出了一种基于ABAQUS和遗传算法的预应力混凝土塔架优化方案。陈俊岭等提出了一种新的塔架结构形式并对其进行了优化。本文以某兆瓦级风力发电机组的传统钢塔架为对象，采用预应力混凝土钢组合风电塔架结构方案，考虑不同风荷载工况下，以强度、刚度和稳定性为约束条件，以造价为目标函数，对预应力混凝土段和钢塔段的高度以及各段的界面尺寸采用粒子群优化算法进行优化。两塔段高度的优化结果与国外文献报道的预应力混凝土钢组合塔架工程实例吻合较好。1预应力混凝土钢组合塔架结构优化约束条件风电塔筒所受荷载均为偏心荷载，风荷载作为

6、风机塔架设计的重要荷载之一，由于其不确定性，根据相关设计规程规定，需要对4种不同风速下的塔筒受力进行计算。结构设计必须满足钢塔架以及预应力混凝土塔段的强度、刚度和稳定性要求。本文以强度、刚度和稳定性作为约束条件进行结构的优化求解。1.1钢筒段约束条件1.1.1局部稳定由烟囱设计规范，钢筒段局部稳定约束条件可表示为：式中：M为塔架水平计算截面的最大弯矩设计值；Ni为相应轴向压力或轴向拉力设计值；Ani为计算截面处的净截面面积；Wni为计算截面处的净截面抵抗矩；ft为钢材抗拉、抗压和拉弯强度设计值；σcrt为塔架筒壁局部稳定的临界应力值；i表示塔

7、架i截面。1.1.2整体稳定由钢结构设计规范，钢筒段整体稳定约束条件可表示为：式中：Abi为计算截面处的毛截面面积；等效弯矩系数βmx=1.0；Wbi为计算截面处的毛截面抵抗矩；λ为塔架长细比，塔架可以按照悬臂梁构件计算；φ为塔架截面轴心受压构件稳定系数；NEx为欧拉临界荷载。1.1.3强度参考ASCE/AWEARP2011，确定塔筒筒壁的各项强度约束条件。1）抗压强度式中：D为塔筒外径；t为塔筒壁厚；E为弹性模量；Fy为钢材屈服强度。2）抗剪强度其中，Vu为剪力设计值，Av为塔筒截面面积的一半；3）抗扭强度4）综合作用