風機鋼管圓柱在彎矩與軸力作用下之行為:實驗與有限元素分析

Abstract

由於再生能源在國際間逐漸受到重視，其中風力發電為我國發展重點，作為風力發電機的主要結構，對於中空鋼管圓柱(Round-HSS)的研究就顯得十分重要，然而相關研究文獻較為缺乏，且主要聚焦於低斷面徑厚比的撓曲強度試驗，因此本研究共製造了1座試體，材料使用JIS SS400，試體斷面徑厚比為360，試體外直徑為1440 mm、試體總高度為5305 mm，進行單曲率反覆側推試驗，並會將郭泯辰 (2019)、劉琨耀 (2020)的研究結果納入本研究進行比較與討論。比較試驗結果可以發現，試體韌性μ隨著試體徑厚比D/t的增加而略微下降，但部分試體會由於初始局部挫屈較早發生，導致受壓側管壁支撐力不足，使得試體韌性μ略微上升介於1.28~1.95，並使試體強度上升幅度有限，產生正負迴圈試體強度不對稱。接著討論各國規範對於撓曲強度的預測，AISC (2016)會隨著試體徑厚比的增加偏向低估，ASME (2016)、ASCE (2011)皆為低估，EN1993-1-6 (2017)與試體結果趨勢較為一致，JRA (2002)與試體結果趨勢較為一致但較為高估。最後利用有限元素分析軟體ABAQUS建立模型，討論模型對於施加不同軸力的情況下，對鋼管圓柱模型撓曲強度的影響，其結果顯示，施加0.05Py軸力的模型最大強度下降5 %~6 %，施加0.20Py軸力的模型最大強度下降22 %~25 %，軸力比例小幅度影響彈性勁度與韌性，而各國規範對於折減後撓曲強度的預測，ASME (2016)、ASCE (2011)皆為低估，AISC (2016)、EN1993-1-6 (2017)、JRA (2002)相較準確，但皆隨著斷面徑厚比的增加偏向保守，並隨著模型軸壓比例的增加使低估現象逐漸明顯。