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周绪红：《创新支撑结构，助力风电发电效率提升》
2026-07-02 14:49:30
作者：周绪红（中国工程院院士，重庆大学教授）
目前，我国陆上风电面临单机容量不断增大、轮毂高度显著提升、叶片长度持续增加等趋势，塔架结构是保障风电机组安全运行的关键。风电机组的轮毂高度超过160米后，传统塔架结构的尺寸和重量大、综合成本高，已难以适用。结合钢管混凝土结构与预应力技术的优点，我们提出了一种新型风电机组预应力钢管混凝土格构式塔架。它将塔架整体的受弯模式转化为角部构件轴向受力模式，能够充分发挥钢管混凝土柱的高抗压承载力。预应力钢管混凝土格构式塔架下部受力较大区域为钢管混凝土格构柱，由四根钢管混凝土角柱和交叉斜向空钢管焊接而成，钢管混凝土角柱中施加竖向通长的预应力筋;上部受力较小区域仍然采用传统钢结构塔筒。由于各杆件主要承受轴向力，可充分发挥材料的强度，在角柱中施加预应力可有效避免其受拉时钢管内混凝土的开裂问题。
正是因为上述的优点，这种塔架非常适合超高轮毂高度、大容量风电机组。由于该塔架全部采用装配化建造方式，各构件均在工厂或现场标准化生产。因此，相比于传统低轮毂高度塔架，预应力钢管混凝土格构式塔架不仅会带来发电效率的提升，在设计、加工、运输、安装等各环节均能显著提高效。可以预见的是，在未来叶片超长、塔筒超高、机组大容量发展的趋势下，如陆上10兆瓦以上、海上20兆瓦以上机组，180米甚至200米以上轮毂高度，预应力钢管混凝土格构式塔架在受力效率、材料用量、工业化建造程度、供应链体系等方面都具有更大的优势，可大幅降低风电场开发建设成本，有效促进陆上低风速高切变区域风能资源的高效利用。
我国风电工程建设规模大、分布广，无论是陆上风电建设，还是海上风电建设，普遍存在的难点是如何研发出高性能、低成本的支撑结构(包括塔架和基础)。针对不同的风电场环境和不同的地质条件，风电工程建设中存在的难点不尽相同：陆上规模化装机区域逐渐向中东部低风速区转移，为在低风速区获得更高的发电效率，需要大幅提升轮毂高度、单机容量和叶片长度，这也大幅增加了塔架的设计、制造和施工难度。陆上风电塔架的预制构件尺寸受到公路运输限高、限宽的限制，导致预制构件数量及连接节点数量多，降低了塔架安装施工效率。如何在满足公路运输限制条件下，通过结构设计优化预制构件尺寸、提高安装施工效率是目前的难点。
“沙戈荒”地区风电场正处于开发起步阶段，其建设主要面临极端气候和地质条件的挑战。如何解决季节温差、昼夜温差对支撑结构的影响，如何解决风沙对塔架的腐蚀问题，以及如何考虑沙漠土壤较低的地基承载力是目前的难点。严寒地区风电建设主要受极寒天气限制，使得现场湿作业无法进行且降低施工效率。如何提高严寒地区施工安装效率，以及如何解决冻融环境条件对支撑结构的影响是目前的难点。随着风电开发规模持续扩大，高烈度地震区域也有部分风电场建设，这对塔架的抗震性能提出了更高要求。目前，国内尚无系统的支撑结构抗震设计方法。因此，如何提高不同类型塔架结构的抗震性能，并建立系统的塔架结构抗震设计理论，是目前需要重点突破的难点。海上风电支撑结构设计通常采用传统迭代设计方法，整机商和设计方的分布迭代设计导致结构设计结果不经济且设计效率低下。如何形成高效的海上风电支撑结构一体化设计方法是目前的难点。
近年来，我国风能能源开发提速明显，单机容量、轮毂高度和叶片长度的持续增加，降低了风电全生命周期的度电成本，但对支撑结构的力学性能提出了更高的要求。支撑结构是保障风电机组安全运行的关键，目前我国大型风电机组支撑结构自主创新体系缺失、设计理论不完善，导致工程事故频发、经济损失巨大，成为制约风电行业持续发展的主要问题。我们团队在建筑、桥梁的结构基本性能和计算方法等方面已取得丰硕成果，在建筑、桥梁领域广泛应用的钢-混凝土混合结构非常适合提升大型风电机组支撑结构的力学性能并降低综合成本，我们希望将相关经验和方法引入风电领域，来推动风电行业的创新发展。
未来，我们将进一步开展海上风电固定式支撑结构与漂浮式基础结构体系研发，突破一体化分析理论及设计方法等瓶颈，持续推动钢-混凝土组合结构与混合结构在风电工程中的应用，助力我国风电产业从陆地走向海洋、从近浅海迈向深远海。钢-混凝土混合结构具有受力性能优越、建造效率高、综合成本低等特点，拥有广阔的应用领域，现已在我国多个建筑工程、桥梁工程、风电工程中得到应用。从我自己多年的科研实践、与企业的交流合作经验来看，目前我国基础研究发展迅速，但在推动基础研究与产业前沿融合，将成果转化为实践应用方面仍然存在不足。长久以来，我国坚持校企合作的模式，企业在生产实践中提出产业需求，高校通过研究工作找寻创新方案。然而，基层科研人员可能缺乏对产业实践的深刻认识，企业又忙于生产，很多时候缺乏对于研究的投入。这使得科研创新和产业需求不能实现很好的对接。
对此，有几条建议：一、出台更多鼓励产学研合作的政策与措施，加大科研创新在实践中应用的奖励力度;二、鼓励高校的基层科研人员多到企业去开展实践调研，切实摸清产业现状和技术瓶颈，对接企业的研究需求;三、企业积极成为创新主体，创新产学研合作模式，加大基础科研的投入，并吸引科研人才加入，激发自身创新活力。
作者介绍：
周绪红：中国工程院院士、日本工程院外籍院士、英国皇家结构工程师学会会士，重庆大学教授、博士生导师，钢结构工程研究中心主任、山区土木工程安全与韧性全国重点实验室主任，重庆大学弘深书院院长，中国工程院第八届主席团成员，长安大学原校长、兰州大学原校长、重庆大学原校长（副部长级）。周绪红院士长期从事结构工程学科钢结构、钢—混凝土组合结构等方向的科研与教学工作，是中国在该领域的学科带头人之一。 主持1000多个微波塔设计和主持低层冷弯薄壁型钢结构住宅的设计、多层住宅设计项目，以及多项国家级及省级科研项目课题；授权国家专利、软件著作权108项；出版专著3部，发表学术论文490余篇；主编或参编国家与行业标准10部、国家与省级标准设计图集7部；主编国家和省级工法12本。研究成果获国家科技进步一等奖1项、国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖11项；获国家教学成果二等奖2项，省级优秀教学成果一等奖3项。荣获第二届全国创新争先奖、2020年度何梁何利基金科技进步奖、中国工程建设标准化协会“标准大师奖”、重庆市科技突出贡献奖、首届重庆市杰出英才奖、陕西省有突出贡献专家称号、甘肃省领军人才和中国钢结构三十年领军人物称号，入选第四批全国高校黄大年式教师团队。
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