项目名称: 新型预应力砼-钢组合塔架结构体系受力性能与优化研究

项目编号: No.51478175

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 建筑科学

项目作者: 许斌

作者单位: 湖南大学

项目金额: 85万元

中文摘要: 目前国内外应用最为广泛的钢塔筒与刚性混凝土基础风机结构体系力学性能存在局限性,同时对其抗震性能的研究明显不足,其应用于山区风场时存在运输困难和成本高的问题。本研究拟开展新型预应力砼-钢组合塔筒与柔性基础风机结构体系的性能及优化研究。首先,采用混凝土塑性损伤本构模型分析该结构体系的静力弹塑性性能,研究其承载力、破坏模式与机理,重点关注连接段混凝土的复杂应力状态,探讨预应力水平对其力学性能的影响,通过模型试验校验数值模型。其次,开展基于精细化有限元模型推覆分析和比例模型拟静力试验研究其抗震性能,关注其破坏模式。再次,建立考虑该结构体系造价及其动力性能的多目标函数,考虑强度、稳定性及疲劳等约束条件,基于粒子群优化算法,研究在风及地震荷载共同作用下结构体系的优化问题。最后,对优化结构体系进行数值模拟和比例模型试验验证。本研究将为我国风资源丰富的偏远山区以及地震区新型风电结构的应用奠定基础。

中文关键词: 预应力混凝土-钢组合塔筒;塑性损伤模型;推覆分析;多目标优化;粒子群优化算法

英文摘要: Aiming at the disadvantages of the static and dynamic mechanical behavior of the widely implemented wind turbine supporting structural system composed of conical steel tubular tower and embedded ring reinforced concrete (RC) foundations and the corresponding challenging issues regarding to the transportation difficulties, cost and high investment in the construction of mountain road for the transportation of heavy wind turbine tower components, a novel prestressed concrete (PC)-steel hybrid tower and flexible beam-slab foundation integral wind turbine tower system is proposed and its multi-objective optimization problem is studied considering both the whole construction cost of the hybrid tower system and the flexible RC founcation and the mechanical performance in this study. Firstly, elastic-plastic analysis on a full-scale PC-steel hybrid tower and flexible beam-slab foundation integral structural system is carried out with damage-plastic constitutive laws of concrete to understand the load-carrying capacity, the ductility, the failure patterns and mechanisms. The nonuniform stress distribution in concrete at the top pf the PC tower under the flange of the adapter and the influence of prestress levels on the behavior of the structural system are investigated. The numerical model is validated with the experimental results on scale models. Secondly, experimental study on scale models and fine numerical study on the full scale PC-steel hybrid tubular tower and foundation integral structural systems using push-over analysis approach are carried out to understand the earthquake resistant behavior of the integral hybrid system. Thirdly, a multi-objective function is defined considering both the cost and the dynamic behavior of the structural system and an optimization analysis approach for the system under wind and earthquake is carried out with a particle swarm optimization algorithm. The different combination of PC tower segment and steel tubular segment, the geometric and cross section types and the type and dimension of the beam-slab flexible foundation under strength, stability and fatigue constraints are optimized. Finally, the optimal hybrid integral wind turbine structural system is experimentally and numerically validated. This study will enhance the development of the design approach and the application of the hybrid tower and flexible structural system in mountain areas and earthquake zones.

英文关键词: Prestressed Concrete-Steel Hybrid Wind Turbine Tower;Damage-Plastic Constitute Model;Push-over Analysis;Multi-objective Optimization;Partical Swarm Optimization Algorithm

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