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总部位于荷兰代尔夫特的复合材料接头设计和制造商Tree Composites开发了一种GFRP复合材料接头，用于将海上风力涡轮机发电机（WTG）基础结构中的钢管构件连接在一起，取代了原来的焊接接头（图1）。  目前，用于海上风力发电机的支撑构架分为单桩结构和网格型结构。单桩仅适用于水深小于40米的水域，位于40至80米深水域，大多使用网格型导管架支撑结构。 导管架通常由圆形的空心钢管组成。结构的支座（称为弦杆）由焊接构件支撑，形成网格结构。每个钢管的直径通常约为1.5-2米，壁厚在50至80毫米之间。弦杆与支撑构件的连接位置包括K、双K、三K、T、X或Y接头(字母表示接头的形状)。 施加在导管架上的主要荷载是与海床接触点周围的外加风力产生的倾覆力矩。风的反作用力转化为弦杆上的垂直载荷和支撑构件接头处的应力。此外，载荷也是周期性的，因此它们会在管道和接头中引起振荡疲劳。此外，当涡轮机旋转时，叶片在它们后面产生压力波，这可能导致整个导管架的共振。如果压力波频率与WTG结构的共振频率匹配，则导致剧烈的摇摆和潜在的灾难性故障。因此，结构必须设计成避免来自任何类型的共振，包括波浪、风和叶片。 复杂接头的制造是支撑构件与弦杆连接节点设计中最重要的挑战之一。复杂的连接节点对结构的性能起着至关重要的作用。接头处的焊缝在结构中产生应力集中，比未焊接部分的局部应力高40倍，这使接头的疲劳寿命降低了五倍之多。因此，为了对抗疲劳，在这些复杂焊缝的位置处需要显著地增加壁厚以应对在其寿命期间增加的应力。针对海上导管架的焊接接头面临的挑战，需要开发新的替代方案。 2016年，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）钢结构与复合材料结构助理教授Marko Pavlovic受到家乡附近一棵300年树龄的大树启发后，发现当地社区用钢管结构支撑这棵树，从而拯救了这棵树。由此，提出了复合材料导管架接头的想法。 利用这一概念，Marko Pavlovic设计了一个复合材料接头套管结构（图1），用于制造海上导管架的K、双K、三K、T、X和Y接头。通过制备管制复合材料结构包裹钢管构件以产生足够大的结合表面并承载应力，从而减少构件接头处的极端载荷。第一个复合导管架接头套管于2017年在Versteden B.V.（Bergen op Zoom，Netherlands）建造。  通过在接头根部增加厚度，从而减少构件接头处的应力集中，尽可能提高疲劳强度。由于复合材料的高耐久性和优异的韧性，抗疲劳性大大提高，避免了焊接常见的应力集中、残余应力和脆化等问题。此外，内部的钢结构可以根据静载荷进行设计，从而显著减小壁厚。复合材料接头将减少高达60%的钢材用量。 代尔夫特理工大学对复合材料构件进行了100多项试验，以优化其设计。由于其在海上作业，海浪会产生循环荷载，风会产生持续的力，从而产生蠕变应力，水会因含盐量和pH值不同而具有腐蚀性，阳光也会对复合材料产生紫外线辐射。因此需要对环境条件进行鉴定，包括与风、水、空气的相互作用。 试验期间证明，复合材料构件优于焊接的导管架的疲劳性能，在内部钢管失效之后仍保持良好的稳定性。   在成功测试了复合材料构件的特性后，于2020年创立了Tree Composites公司，将该复合材料构件（他们称之为TC接头）推向市场。2020年底，认证机构Det Norske Veritas提供了TC接头的可行性声明，使Tree Composites公司迈出了这一技术认证的第一步。 |
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