超高性能混凝土（UHPC）疲勞和耐久特性

2023-04-20

　　超高性能混凝土（UHPC）在疲勞和耐久性方面具有令人印象深刻的特性，似乎非常適合用于風(fēng)力發(fā)電塔的建造。一項(xiàng)分為兩步的可行性研究提出了一種具有可行性的風(fēng)力發(fā)電塔設(shè)計(jì)。首先，基于梁理論的有限元模型用于定義結(jié)構(gòu)的整體幾何形狀。然后，對該模型進(jìn)行局部驗(yàn)證，以確保結(jié)構(gòu)細(xì)部受力滿足要求。最后，施工階段展示了在與預(yù)應(yīng)力結(jié)合時(shí)，這種材料在施工過程中的優(yōu)勢。

　　全球風(fēng)能容量目前達(dá)到200GW并持續(xù)增長，風(fēng)能正逐漸成為未來的主要能源之一。為了確保與傳統(tǒng)能源的競爭力，人們正在加緊提高生產(chǎn)力和效率。當(dāng)前的趨勢是建設(shè)海上風(fēng)電場，以充分利用最佳的風(fēng)能條件。這需要在復(fù)雜環(huán)境下承受重載的大型結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)材料如鋼鐵或混凝土在設(shè)計(jì)時(shí)存在困難。迄今為止，風(fēng)力發(fā)電塔，作為結(jié)構(gòu)的主要部分，幾乎完全由鋼鐵制成。而使用超高性能混凝土作為風(fēng)力發(fā)電塔的搭建材料，該材料在疲勞和海上環(huán)境下顯示出優(yōu)越的特性，可能會帶來突破。它可能是一種比鋼鐵或混凝土更適應(yīng)的材料，并且可能推動當(dāng)前的海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)。

　　多年來，UHPC在橋梁和海洋結(jié)構(gòu)上的疲勞性能進(jìn)行了研究。這種復(fù)雜的現(xiàn)象直接由材料上的循環(huán)和重復(fù)載荷引起。盡管決定性的研究仍在不斷發(fā)展中，但一些初步但重要的結(jié)論可以得出。一方面，UHPC在壓縮狀態(tài)下的疲勞行為通常被認(rèn)為是優(yōu)越的，直到設(shè)計(jì)壓縮應(yīng)力達(dá)到為止。另一方面，當(dāng)應(yīng)力超過材料的設(shè)計(jì)拉伸應(yīng)力的0.5到0.6倍時(shí)，拉伸狀態(tài)下的疲勞行為變得困難。此外，如果模板的施工足夠好，UHPC在兩個(gè)預(yù)制構(gòu)件的連接級別表現(xiàn)良好。關(guān)于前面提到的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，UHPC結(jié)構(gòu)在疲勞方面的可靠性主要在材料在壓縮狀態(tài)下的表現(xiàn)上得以實(shí)現(xiàn)。換句話說，和傳統(tǒng)混凝土一樣，UHPC必須設(shè)計(jì)為壓縮狀態(tài)，其在拉伸狀態(tài)下的優(yōu)異性能受到疲勞限制的制約。此外，疲勞是目前離岸風(fēng)力渦輪機(jī)安裝的主要限制之一。假設(shè)設(shè)計(jì)師提供的結(jié)構(gòu)在大部分時(shí)間內(nèi)處于壓縮狀態(tài)，UHPC的固有特性顯然比傳統(tǒng)材料如普通強(qiáng)度混凝土或鋼鐵更具優(yōu)勢。

　　耐久性主要指環(huán)境對材料的直接影響。與傳統(tǒng)材料相比，對比實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的UHPC表現(xiàn)出有趣的特性，這些環(huán)境與海洋環(huán)境非常相似。例如，許多研究專注于氯離子滲透、磨損、堿-硅酸反應(yīng)、凍融和剝落抵抗等方面。這些研究表明了UHPC材料對其周圍環(huán)境的適應(yīng)性。一些研究甚至表明，在更為惡劣的條件下，UHPC的性能可能會增強(qiáng)。此外，UHPC是一種部分水化的材料。當(dāng)置于水環(huán)境中時(shí)，其水化作用增加，從而降低其本已很低的多孔性，這可以通過其超高密度的C-S-H結(jié)構(gòu)解釋。UHPC中較高的水化速率還可以延緩碳化作用。這些特殊的方面可能會對未來海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。將鋼材替代為UHPC可以消除任何腐蝕問題，并延長海洋結(jié)構(gòu)的使用壽命。然而，這些假設(shè)需要通過額外的系統(tǒng)研究來確認(rèn)。

　　UHPC塔樓設(shè)計(jì)參數(shù)

　　根據(jù)常見的規(guī)范，UHPC設(shè)計(jì)參數(shù)的取值如下表所示。

UHPC設(shè)計(jì)參數(shù)	數(shù)值
密度	2500 kg/m³
抗壓強(qiáng)度	150 MPa
抗彎拉強(qiáng)度	30 MPa
直接拉伸強(qiáng)度	8 MPa
彈性模量	50 GPa

　　設(shè)計(jì)荷載

　　塔桿上作用的荷載按照靜態(tài)但保守的值進(jìn)行考慮（見下圖）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了復(fù)雜的空氣彈性模型來考慮渦輪機(jī)的動力學(xué)。

　　下表中給出的值相對于陸上條件，并經(jīng)由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和Det Norske Veritas（DNV）的專家驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)荷載	荷載值
自重	2500 kg/m3
機(jī)艙/轉(zhuǎn)子的集中質(zhì)量 Fvt	4000 kN
轉(zhuǎn)子水平推力 Fht	1200 kN
塔高方向的荷載 qw(h)	根據(jù)下列方程（1）至（3）計(jì)算