地震作用下風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

劉芳平 潘冬冬 劉 靈 付志偉

（江西大唐國際新能源有限公司，南昌 330046）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重，人們逐漸轉(zhuǎn)向清潔無污染的能源，例如，太陽能、風(fēng)能等。根據(jù)近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的能源。我國在風(fēng)能的利用上起步較晚，但總的來說發(fā)展迅速。但是由于我國自主風(fēng)電研發(fā)能力不足，風(fēng)電都是依賴于進(jìn)口，導(dǎo)致了我國的風(fēng)電建設(shè)受到限制[1]。風(fēng)電的支撐體系是風(fēng)機(jī)塔筒，如果缺乏對(duì)塔筒的自主研發(fā)，一味的依賴于進(jìn)口，在風(fēng)機(jī)塔筒的實(shí)際利用上不考慮實(shí)際的情況，將會(huì)使得整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)陷入癱瘓，因此研究風(fēng)機(jī)塔筒對(duì)我國的風(fēng)電建設(shè)十分有意義。

1 風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)主要破壞形式

世界風(fēng)電建設(shè)技術(shù)已經(jīng)十分完善，但是由于我國風(fēng)電建設(shè)起步較晚，風(fēng)機(jī)主要依賴于外國進(jìn)口，外國一些先進(jìn)的風(fēng)電建設(shè)技術(shù)并沒有引進(jìn)到國內(nèi)。另外，我國有些企業(yè)搶奪風(fēng)力資源或風(fēng)電建設(shè)期間搶進(jìn)度，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)存在安全隱患。并且，在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行期間，設(shè)備運(yùn)維人員管理不到位，飛車引起風(fēng)機(jī)倒塌事件的發(fā)生[2]。

風(fēng)機(jī)支撐系統(tǒng)是由風(fēng)機(jī)塔筒和基礎(chǔ)組成的。塔筒結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致風(fēng)電事故的發(fā)生的所占比例最大，約為18.0%，其次是變速箱16.0%，發(fā)電機(jī)13.0%[3]。因此，塔筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)支撐系統(tǒng)的研究十分重要。

2 風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

風(fēng)機(jī)地震結(jié)構(gòu)的分析方法主要有三種：一種是考慮各種非線性特性，例如大變形、塑性等，這種是完全法瞬態(tài)動(dòng)力分析；一種是在施加單元荷載時(shí)，僅僅施加在自由度上的縮減法瞬態(tài)動(dòng)力分析；一種是采用模態(tài)分析所得到結(jié)構(gòu)的不同振型與不同振型下的因子相乘并求和來得到計(jì)算結(jié)果的模態(tài)疊加法瞬態(tài)動(dòng)力分析[4]。其中，完全法的瞬態(tài)動(dòng)力分析是指利用完整的矩形陣來進(jìn)行計(jì)算，這種算法在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候可以進(jìn)一步的對(duì)其進(jìn)行施加，其中包括單元荷載，初始位移?？s減法瞬態(tài)動(dòng)力分析主要是在主自由度的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，并且在計(jì)算的時(shí)候只是施加初始的位移，并且不能夠像完全法的瞬態(tài)動(dòng)力分析法那樣施加一定的荷載。由于在施加的時(shí)候只是主自由度的位移，因此得到的結(jié)果也只是主自由度的位移。除此之外，還有模態(tài)疊加法瞬態(tài)動(dòng)力分析法，這種方法可以加單元的荷載引入到實(shí)際的瞬態(tài)的動(dòng)力分析中，在對(duì)非線性的分析往往不會(huì)考慮那么多，僅僅是考慮對(duì)點(diǎn)之間的接觸。

2.1 地震波特性分析

在對(duì)地震波的特性進(jìn)行分析的時(shí)候，可以采取兩種方法，一種就是不斷的對(duì)地震波的數(shù)值進(jìn)行修改，使得修改的地震波的影響因素的曲線能夠與傳統(tǒng)意義上的地震波的影響因素的曲線進(jìn)一步的進(jìn)行吻合，還有一種是利用地震波的加速度進(jìn)行分析。在對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的時(shí)候，首先需要對(duì)地震波進(jìn)行選取，然后對(duì)地震波的特性進(jìn)行分析。在地震波的選取時(shí)，要考慮的因素有：建筑物的抗震設(shè)防，地震的基本烈度。

在地震波的選取的時(shí)候通常不是隨便進(jìn)行的，而是需要滿足一定的條件，具體的條件如下：

（1）在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候所選取的地震波必須要與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振型周期最為接近，只有這樣才能夠最真實(shí)的反映出風(fēng)電機(jī)構(gòu)的特性。

（2）在進(jìn)行地震機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要進(jìn)一步的對(duì)地震波的加速度的峰值詳細(xì)的記錄，并根據(jù)風(fēng)機(jī)的級(jí)別進(jìn)行有效的設(shè)置，這個(gè)級(jí)別是指抗震的級(jí)別，只有兩者的加速度的峰值十分的接近，才能夠進(jìn)一步的對(duì)不規(guī)范的加速度進(jìn)行有效的調(diào)整。

（3）根據(jù)風(fēng)電場的場地的速度也就是剪切的速度以及基礎(chǔ)的覆蓋風(fēng)電場的土層的厚度來對(duì)風(fēng)電場的場地進(jìn)行有效的區(qū)分，并對(duì)建筑物的周期進(jìn)行確定，只有從這幾個(gè)方面來進(jìn)行風(fēng)電結(jié)構(gòu)的確立，才能夠進(jìn)一步的確定風(fēng)機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)最不利地震波輸入方向研究

在風(fēng)-震組合下，風(fēng)機(jī)的塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化也與地震波的方向有密切的關(guān)系，主要體現(xiàn)在0°方向，在這個(gè)方向下風(fēng)機(jī)的塔筒結(jié)構(gòu)加速度的最大值反應(yīng)最大。除此之外在90°、60°度和30°度方向輸入地震波，風(fēng)機(jī)塔筒的加速度也有一定的反應(yīng)。地震動(dòng)0°方向輸入使結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)最大，達(dá)到1.007m，該值超過了由風(fēng)荷載起主控作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定界限值0.672m，但未超過結(jié)構(gòu)的材料安全界限值1.081m。地震動(dòng)90°方向輸入使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)力值，其次是0°方向輸入。上述的研究表明，要想在地震作用下保證風(fēng)機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，必須從30°方向輸入，其中對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)造成的影響最大的方向就是地震波與風(fēng)的作用方向垂直。當(dāng)?shù)卣鸩ㄅc風(fēng)的作用方向相互垂直的時(shí)候，容易使得風(fēng)機(jī)塔筒發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，使塔筒開口處頂部位置產(chǎn)生最大應(yīng)力及最大應(yīng)變。因此，可以根據(jù)該地區(qū)最常見的地震波方向以及作用力較大的風(fēng)向來對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行改善加固，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)塔筒的性能，加固風(fēng)機(jī)塔筒薄弱位置[5]。

3 結(jié)論

有研究顯示從X、Y、Z三個(gè)軸的方向輸入地震波，最后發(fā)現(xiàn)從X方向輸入的地震波對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)影響最大，在此方向上風(fēng)機(jī)塔筒的加速度以及結(jié)構(gòu)變化十分的明顯，并且與對(duì)地震波載波的大小、位移等有密切的關(guān)系。對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)該根據(jù)地震波的輸入方向來對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，盡量避免地震波從X方向輸入，同時(shí)也要加強(qiáng)風(fēng)機(jī)塔筒的性能，進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)塔筒的抗震功能，從而更好的發(fā)揮作用。除此之外，在進(jìn)行研究的時(shí)候還應(yīng)該對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的高聳性，柔性結(jié)構(gòu)，土體等進(jìn)行考慮，也要充分的考慮有風(fēng)或無風(fēng)情況下土體對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的影響。