同济大学马人乐：预应力抗疲劳构架式钢管风电塔

2018年10月17日-19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办的2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。能见App全程直播本次大会。

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司教授马人乐先生出席本次大会，在风电数字化技术论坛作“预应力抗疲劳构架式钢管风电塔“的主旨演讲。

马人乐提到， 全钢结构的刚性塔，强度和钢度非常好。大跨越的输电塔，非常高的电视塔，这些都是航架塔，很少用钢层塔。混凝土塔工业化程度比较低，现场的作业时间比较长，现在运输的条件，也是像江南地带，道路的条件比较差，所以大重量的构件在运输当中也牵扯到一些问题。

团队现在致力于做全钢结构的构架式的高塔，构架式高塔有几种形式，这个是构架高塔有几个组成部分，上部的塔桶，跟叶片之间的没有大的矛盾，那么叶片可以像原来一样，而且这段它受力不大，用原来的钢桶完全是可以的，钢桶有一个过度段，过度段之后改变成航架，四边形六边形，八边形说起来，我们是工业性质的风力发电塔，四边形永远是最经济，三边形可能更经济，抗流差一点。

以下为发言实录：

马人乐：刚才讲的都是以前的事情，我们以后继续为风电建设做贡献，今天下午讲的都是讲高风塔的问题，讲的非常好都有实践，高的电视塔真正说起来，都是构架式的而不是单管塔，单管塔这种形式，当它发展到一定的高度的时候，它就有一种结构内在的问题，就是它的低效率，所单管塔只有在城市当中它占有优势，占地面积小，所以到了城市当中，输电塔，大的都是用单管塔楼四在郊区都是用这个构架式的。

这个我就不讲了，刚才都讲了，能源从北部三北地区，带来一系列的问题，内力增大了，结构的变形增大了，用钢量也增大了，还有就是说钢度减小容易发生共振，还有就是如果钢同塔的结构如果不调整，它的效率就成问题，但是如果你把塔筒加大，引起局部稳定问题，塔筒塔如果要提高效率，提高它的钢度实际上是有一个局部稳定这样子的控制在里面，还有一个钢塔筒不利于抑制共振，这些都是它的问题。

我们在转移的过程当中，要求得生存，这个生存就是争取经济效益，把这个结构的造价降低，让结构符合发电的要求，这个转移当中大家也听到了有柔性塔的方案，有许多优点，也有缺点，几位讲到，柔性塔是一个方案，不是一个唯一的方案，是大家可以选择的。

除了柔性塔之外一个比较大的就是刚性塔，克服了柔性塔的，刚性塔主要全部混凝土的塔，全部混凝土塔有预制的横向分段的，纵向分片横向分段的，第三种就是说横向分段但是它是三个不同直径的这样子一个变化，这种变化就使得它的模板的数量大幅度的见效，然后这种变化而且又采用了节一节之间，青海新能源做的三届的混凝土塔还是有它的优点，钢混塔在上部的结构主要还是内力比较小，真正内力大，出现变化比较大的应该是下部这一段，在叶片范围之内，叶片高度范围之内，这段应该是有钢的，下面应该是用混凝土。

我们现在根据这个情况，我们想推出我们自己的技术，我们自己的技术是什么？是全钢结构的刚性塔，全钢结构要刚性。它必然是什么？必然是上部是，行价受理非常具有优越性，强度和钢度非常好，你去看大跨越的输电塔，非常高的电视塔，这些都是航架塔，很少用钢层塔。混凝土塔工业化程度比较低，现场的作业时间比较长，现在运输的条件，也是像江南地带，道路的条件比较差，所以大重量的构件在运输当中也牵扯到一些问题，我们现在致力于做全钢结构的构架式的高塔，构架式高塔有几种形式，这个是构架高塔有几个组成部分，上部的塔桶，跟叶片之间的没有大的矛盾，那么叶片可以像原来一样，而且这段它受力不大，用原来的钢桶完全是可以的，钢桶有一个过度段，过度段之后改变成航架，四边形六边形，八边形说起来，我们是工业性质的风力发电塔，四边形永远是最经济，三边形可能更经济，抗流差一点。

我们首先设计的是根据要求，用国外的技术，这个技术是国外首创的，这是角钢塔做这个风力发电场，做120米已经建成，在天津建第二个风场特点是刚性的，用钢量也不算很大，是比较经济的，它的缺点我们想任何结构我们要知道它的优点，我们也要知道它的缺点，我们再去改进它，它缺点角钢的体型系数比较大，第二个角钢塔体形力学性能比较差，往往是稳定控制，这时候用钢量会增大一些，根据优点，它的优点全部高粱螺栓，这个性能应该是非常好的，桥梁上面大量的抗疲劳的，我们风电里面几个月检查没有这种，因为是成熟的技术，我们风电当中高强螺栓，实际上是有它的弱点，这是我今天讲的内容。

我们根据角钢塔的特点进一步改进，体型系数大改成，钢管，角钢的提醒系数1.3，0.6，同样的迎风面积，钢管迎的风减小到一半，组合型的角钢，力学性能比较差的，力学性能马上提高，这样一种结构，必然是会带来结构上的高效，我们特高压的输电塔，跨长江的，全部都是钢管的构架，这个技术是非常成熟的，唯一一点我们觉得任何事情都有它的弱点，它的弱点在哪里，这个风力发电塔它最大的问题就是它的疲劳作用，你想这个输电塔，电视塔，受的力非常大，几百米高，受力非常大，但是疲劳问题基本上没有，风的作用非常大，但是它没有疲劳作用，风力发电厂有疲劳作用，我们既然利用这样一个钢管塔构架的优势，又要看看它有没有弱点，钢管塔有横杆，斜杆，有焊接就意味着疲劳有可能有问题，僵的很低，材料应用就低了，用了一个什么方法，在钢管的结构当中加上预压力，会有什么好处，我们看混凝土塔，我们讲的混凝土塔，我们内部都加钢角线把混凝土压紧了，混凝土我们知道它的材料是非常的离散，有很多裂缝，我们混凝土压紧抗疲劳性能非常好，你不加钢角线肯定是不行的。钢结构我们认为一般来说抗笔老没有问题，实际上也有弱点，也是有缺陷，我们用预应力在钢筒当中加预应力，裂缝不会扩展这时候抗疲劳性能就好了。

我们做的几个方案，我们最终定的是右面的四边形的方案，四边形比八边形要经济得多。我们来看看预应力抗疲劳的基本原理，我们结构当中的疲劳应力，右边给施加了一个预应力，全部都处在受压状态裂缝不会开展，疲劳性能大大提高了。

我们用了最右边这张图钢绞线，我们的思路是这样子的，电力的矛盾，在低风速建高风塔，我们建高风塔带来结构的变化，新的方法去解决，柔性塔和刚性套有混凝土，有全钢结构塔，全钢结构塔工厂里制作防腐蚀，我们采用全钢结构塔，刚性塔当中构架式塔当中，角钢和圆钢，我们认为钢管塔它的效率是最高的，当然这个有待于我们进一步的实践的检验，不是说我一个人说话就算的，钢管塔有缺点，抗疲劳的缺点，我们用预应力的方法克服这样的缺点。预应力抗疲劳各国规范当中都有表述，这个压力状态下，压力和拉力之比，它大到80%的时候，这时候呢，我们各国的规范基本上都允许对这个应力打一个折扣，打个0.7折左右是这样子的，这两张图表现这样各国规范一个做法，也有做实验，做实验这个做下来之后，加了预应力，在压力状态下，受力那么这时候它的疲劳寿命大概可以提高3倍，这是国外做的实验，这个是我们学校，我们做的实验，在一跟吊车，一根钢结构的吊车梁上面，是受疲劳作用，钢结构，我们加上钢角线，另外有一个钢结构吊车梁没有加钢角线，规范计算是70万次，加了钢角线，415万次，断不是受力最大的地方，是钢材有缺陷的地方。我们用了7%的钢角线的材料，7%的材料，增加了6倍的寿命，这是我们前几年做的一个实验。这个实验就是说我们接下来我们现在就把这个钢管塔抗疲劳实验我们再做，再根据钢管塔做实验，钢管塔，我们取了最不利的节点，和钢管的航架段，这个地方是受力最复杂的，这个位置我们做了实验对比，做了四个构件的对比，相对来说我们的这个加了钢绞线之后，疲劳寿命提高2.9到到6倍，跟计算也是相吻合的，这是我们用计算。计算下来右面这张图下面这条曲线，加了预应力之后的抗疲劳。我们这样子设计之后，就是它有一个什么大的优势呢？

用钢量140米的塔，用钢量和柔性塔是一样的，经过一定的优化比柔性塔还要低，刚度跟刚性塔是一样的，全部在工厂制作，运到工地。所以它的工业化程度是非常高的。还有一个优点它的基础的材料的用量，跟基础的造价可以大大的降低，把基础距离拉开，距离打开之后，抗起伏能力就大大提高了，这个也是一个非常大的预应力。谢谢大家。

（发言为能见APP整理，未经本人审核）