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圆形截面预应力混凝土风机塔架性能研究
摘要：在这项工作中，我们试图研究预应力混凝土风力发电塔在圆形截面的行为。这个想法是使用遗传算法来获得一个结构优化的计划塔。因此，获得了锥形截面形状的塔，从而使结构中出现的应力集中最小化。塔架具有锥形剖面，以减少受风影响的面积，从而降低总重量和施加的力矩。它还将增强塔的动态响应，提高塔的整体稳定性。钢管风力机塔架在风力机中的应用最为广泛，然而，由于混凝土塔架在屈曲破坏时更为稳定，因此混凝土材料的使用对风力机塔架越来越有吸引力。随着汽轮机尺寸的增大和塔架高度的增加，要求钢塔具有足够的强度和刚度，从而导致高昂的施工成本。因此，与最大高度为150m的钢管风力机塔架或自承式钢桁架塔架相比，预应力混凝土风力机塔架的施工成本降低。为此，采用计算机辅助工程（CAE）工具，对100m预应力混凝土风力机塔架系统进行了优化。结论是，该模型满足所描述的所有限制条件，并且与用于比较的八角模型相比，它代表了原材料的经济性和设计的更简单性。介绍了一种新的结构方法，即用预应力混凝土代替目前使用的钢塔进行研究和应用。
关键词：预应力混凝土 风机塔架 优化 有限元分析 结构分析 遗传算法
1．导言：
近年来，由于人们对化石燃料的耗竭感以及与生产和消费有关的环境问题，人们对环境的关注和可持续发展的关注大大增加。在需要提高能源效率同时尽量减少环境影响的情况下，可再生能源（如太阳能、风能和地热能）成为有吸引力的选择[1]。
风能是由风力产生的动能转化为机械能而产生的，此后不久，在电力方面，风能是具有这种潜力的城市的一种极好的替代能源[2]。使用风力发电的主要国家是中国、美国和德国。巴西的风力潜力很大，主要分布在该国的东北部、南部和东南部地区。2002年制定了替代能源激励计划，鼓励了这一部门的快速增长，但与水电等其他生产来源相比，这方面的探索仍然很少。
第一个商业规模的涡轮机额定功率从10千瓦到50千瓦[3,4]。目前，有风力涡轮机的原型能够产生高达10兆瓦的功率，塔架高度高达140米[4–6]。这种巨大的发展是必要的，因为风能必须在技术和经济上与其他能源具有竞争力，能够满足不断增长的能源需求[7,8]。然而，需要更大和更高的涡轮机，导致结构方面，更高的负载要求和更高的应力，因此，其支撑部件的尺寸更大[9–11]。
塔的成本约占涡轮机成本的20–30%，这使得塔的优化变得更加重要[12,13]。已经开展了几项工作，不仅优化涡轮提升元件，而且优化其高度位置，以最大限度地提高能源产量，避免不必要的建造和维护成本[14–16]。这项工作使用有限元分析来研究圆形截面中预应力混凝土风力涡轮机塔架的行为，并将其作为使用八角形截面的混凝土塔架模型进行比较[4,17–19]。
高强度混凝土和高强度钢的有效结合可获得理想的结构性能，如高强度重量比、增加弯曲延性、提高抗剪强度、更好的变形控制以及卸载时裂缝闭合的变形恢复。这些特性使预应力混凝土成为许多结构应用的理想选择。预应力有两种不同的方法：先张法和后张法。先张法和后张法结构的主要区别在于预应力的类型。术语预张拉用于描述在浇筑混凝土之前张拉钢筋束的任何预应力方法。张拉时，钢筋束必须临时锚固在桥台或应力层上，混凝土凝固后，预应力转移到混凝土中。钢筋束通常通过梁端附近的粘结作用将其预应力传递给混凝土。这种应力传递的有效性仅限于具有比光滑钢丝更好的粘结性能的大直径钢绞线。预张拉适用于预制厂或实验室，在这些工厂或实验室中提供永久性垫层用于此类张拉，以及可以经济地建造桥台的场地。另一方面，当钢筋束在硬化后对混凝土施加应力时，使用术语后张法[20–22]。
有限元分析中预应力筋的建模可以通过两种方式进行，要么作为施加在构件上的荷载，要么作为有助于抵抗施加荷载的附加结构单元。第一种方法将预应力效应视为作用在混凝土构件上的荷载。通过使用荷载平衡技术、通过施加的主弯矩和次弯矩或通过钢筋束的离散化施加荷载。该方法的主要缺点是忽略了混凝土变形对预应力的影响，不能准确预测预应力损失。在第二种方法中，钢筋束被建模为一个额外的抗荷载单元，并有助于结构的整体刚度。这种技术直接考虑了钢筋束与其周围混凝土之间的相互作用。此外，长期影响可以直接考虑在这种类型的建模没有单独的应力损失计算。在第二种分析方法中，以前开发的大多数公式都基于位移分析方法。在这种方法中，通常假设轴向变形的线性变化和横向变形的立方变化沿单元长度。对于预张拉结构，预应力钢筋束被建模为完全粘结在混凝土梁上的钢段。通过将钢筋束中的预应力转移到混凝土基准轴来模拟预应力操作[20–22]。
遗传算法由johnholland于1975年提出[23,24]。遗传算法已广泛应用于物理、力学、空气动力学、建筑、土木工程等工程领域。在土木工程中，遗传算法已被应用于几乎所有的分支，例如钢筋混凝土平板建筑、不同地面条件下隧道断面的优化、钢梁最佳截面的确定、网格结构的优化以及配水网络的设计[25–27]。如今，遗传算法正被广泛应用于商业、科学和工程领域[28–32]。
元启发式算法被定义为一个迭代生成过程和一个独立于问题的算法，它使用基于随机决策的智能策略，有效地探索搜索空间以找到接近最优的全局解[33,34]。大多数搜索策略都是基于自然过程的进化算法[35–37]。遗传算法是最流行的元启发式算法[38,39]。它倾向于再现基于达尔文进化论的自然选择过程，在这个过程中，种群倾向于通过选择和产生更适合的个体来进化[40–42]。由于它不需要问题的明确数学公式和目标函数梯度的计算，这种方法已被广泛应用于复杂问题，并被证明是非常有效和稳健的[43–47]。
本文将有限元分析与遗传算法相结合，建立了预应力混凝土风机塔架结构的整体优化模型。建立了预应力混凝土风机塔架结构的参数化有限元分析模型，并对其进行了验证。
2．预应力混凝土在风力发电机塔架中的使用
风塔由两个主要元件组成：涡轮机，通常由三个叶片组成，用于水平轴上，负责将风动能转换为电能；风塔，负责将涡轮机提升至设计高度，并接收将其安全转移到地面的主动载荷[48，49].
风力发电塔由于施工速度快，通常采用钢管建造。整个管段运输至施工现场，并借助起重机进行安装。然而，随着新能源生产的需求，需要更大更高的塔，这反映了横截面直径的增加，以安全地承受主动荷载和应力[50–53]。
高度超过70米的钢塔所需的截面存在严重的制造问题，这是由于管状结构的重量很大[4,54–57]。此外，在大多数地方，允许在公共道路上运输的最大公称直径为4.5 m[4,49]。因此，钢管在风塔施工中的使用受到限制，因此有必要开发和使用替代材料。
随着涡轮机的增长和塔架的升高，需要增加结构强度和刚度来承受施加的力。这将介绍钢塔的运输问题，考虑到可沿公路运输的完整环形截面直径的4.5 m限制，仅限于目前的情况。虽然研究人员和制造商正在努力开发分段设计，以抵消这一限制，但昂贵的螺栓连接必须引入塔的最厚和最重负载部分。另一方面，预制混凝土塔不仅满足这些要求，还提供了各种相关的好处[4,57–59]。
与局部屈曲破坏模式和疲劳作用于钢塔的渐进行为相反，预制混凝土塔具有良好的延性行为，特别是在地震控制场地。预应力混凝土具有较高的结构阻尼和抗疲劳性能，因此对动态荷载具有较高的耐受性[4,5,59–61]。
预制混凝土重量的增加使塔架具有足够的稳定性，以抵抗倾覆。它也可以用来控制塔的固有频率。此外，它减小了所需重力基础的尺寸，并且混凝土塔基具有较大的占地面积，从而减少了基础的悬臂跨度和所需的加固。
与钢相比，预制混凝土是一种非常耐用的材料。它能在恶劣的气候条件下保持其性能。预制混凝土塔只需要很少或不需要维护；即，对混凝土塔进行涂装是一种美观的选择，而对钢塔进行涂装是防腐的要求。钢塔具有造价低、预制施工、维护费用低等优点。
混凝土是一种用途广泛的材料。它允许所有的设计和概念与较少的限制塔截面或高度。预制混凝土总是与卓越的质量控制和最佳的力学性能相联系，就像本文提出的优化。此外，它能够被微调，以满足独特的项目要求是一个宝贵的质量，在处理恶劣的条件和海上应用时派上用场。
即使在相同轮毂高度下，混凝土塔的重量比钢塔重，也不需要更重的起重机来安装混凝土塔，因为起重机的选择取决于风舱的重量。预制混凝土技术允许有一个现场临时制造基地，将消除大部分运输成本的可能性。在大型风电场的情况下，这种选择是非常有吸引力的。
图1：预应力混凝土风机塔架施工工艺。
预制混凝土可以以较低的初始成本提供增强的生命周期价值。混凝土的原材料很便宜。对于高塔，钢制解决方案不实用，使用预制混凝土解决方案，设计寿命为40-60年的经济高效解决方案是可行的。此外，较高的风塔由于较高的风速产生更多的能量，这反过来又减少了投资回收时间[4,49]。
塔由预制混凝土节段环组成，节段环越靠近塔基，直径越大，下部环垂直分开，以解决后勤问题。放置后，环在垂直方向上进行后张紧。钢筋混凝土基脚用于支撑结构。施工工艺：环节运至施工现场后，在地面上组装最大四个环（12m高）的垂直节段，然后以最小预应力进行后张拉，以保持其稳定性，同时将节段吊装到位。放置后，管片将与塔架底部一起进行后张拉，施加足够的力以保持其稳定性。整个塔架施工完成后，在整个塔架高度上施加主要和最终的后张拉。这项研究得出的结论是，与钢制解决方案相比，预制混凝土解决方案不仅可以潜在地节省30%以上的成本，还可以将风力涡轮机的使用寿命延长到40–60年[4,5,49,50]。预应力混凝土风机塔架的施工过程如图1所示。
图2：风力涡轮机塔架上的风荷载图。
图2显示了风力涡轮机塔架上的风荷载图。为了简化计算，将沿塔高的压力分布等效为几个矩形分布。涡轮机的设计符合II类建筑标准[4,5,49–51]。重要性系数为1.0，涡轮机的暴露类别为D，如规范所述 [4,5,49,50,52,53]。为了分析支撑系统，必须确定风力涡轮机的反作用力，然后将其动态或作为放大的静载荷施加在塔架上。在行业中，包含这些力的大小和方向的载荷文件由风力涡轮机制造商根据IEC 61400-1提供。在不提供这些载荷的情况下，进行动态模拟以获得载荷直方图或等效静载荷。动态模拟是使用软件模拟器（Ansysreg;）完成的，该模拟器考虑到整个风力涡轮机机构同步工作。这些机构包括但不限于主齿轮箱、控制和保护功能以及制动、液压、偏航和俯仰系统。使用考虑重力、惯性、驱动和空气动力载荷的动态气动弹性代码模拟载荷[4,5,49,50,55,57]。其他荷载也应视为尾流和冲击效应。在目前的工作中，只使用模拟得到的载荷结果。
风力涡轮机塔架上的疲劳应力是叶片旋转和风波动的结果，造成相对较小的应力变化，但频率较高[4,49]。因此，在同一时期内，风力涡轮机结构比典型结构承受更高数量的疲劳循环[4,5,49–51]。为了正确研究风力涡轮机在疲劳荷载下的行为，必须考虑多种荷载组合和复杂情况，以解释不稳定的风条件和结构响应[
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