風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李少朋，孟向陽，許 哲

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 前 言

隨著傳統(tǒng)能源的日趨枯竭，清潔、可再生的風(fēng)能日益受到關(guān)注。但四川省、云貴地區(qū)處于喜馬拉雅-地中海地震帶，地震災(zāi)害多發(fā)，如果風(fēng)電機(jī)組這種大型設(shè)備處于地震多發(fā)區(qū)域，則有可能受到風(fēng)力、地震的雙重影響，風(fēng)電機(jī)組的安全將受到考驗(yàn)。本文在實(shí)際工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的有限元模型，利用相關(guān)軟件分析了塔筒結(jié)構(gòu)在不同地震情況下的特性，對(duì)于促進(jìn)我國風(fēng)電機(jī)組塔筒技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2009年，賀廣零[1]運(yùn)用了多體動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的高塔地震進(jìn)行了地震作用動(dòng)力時(shí)程的分析。2012年，戚藍(lán)，劉國威，王海軍等[2]在天津大學(xué)的水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究近海風(fēng)電筒型基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)其研究成果即SSI效應(yīng)會(huì)降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，若考慮地震動(dòng)作用，則風(fēng)機(jī)模型的水平方向加速度響應(yīng)最大值在塔架2/3高度處。之后，柳國環(huán)，練繼建等[3]亦在上述實(shí)驗(yàn)室，研究有限域投射人工邊界和地震動(dòng)輸入模式對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)給出的三種模式進(jìn)行計(jì)算分析。2015年，李洪斌[4]針對(duì)海上風(fēng)機(jī)在波浪和地震聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示二者聯(lián)合作用并不等于兩者單獨(dú)作用下的線性疊加。2016年，解朝朋[5]在研究塔樓結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，也提出必須充分分析上部的結(jié)構(gòu)與地基土的之間的相互作用的觀點(diǎn)。

本文通過大型三維有限元軟件ANASYS建立了三維實(shí)體模型，對(duì)風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能有限元分析，得到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加速度、位移以及應(yīng)力規(guī)律，分析塔筒的破壞機(jī)理以及提出設(shè)計(jì)建議。該結(jié)果為今后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有良好的參考意義。

1 計(jì)算方法

選取最佳節(jié)點(diǎn)，研究其在基本地震動(dòng)和罕遇地震動(dòng)荷載下的變化趨勢，利用相關(guān)軟件繪制其加速度、位移以及應(yīng)力時(shí)程曲線進(jìn)行細(xì)致的分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程模型

為研究在不同地震等級(jí)下的混凝土塔筒的地震動(dòng)荷載響應(yīng)分析，結(jié)合風(fēng)場資料以及現(xiàn)有規(guī)定條件，決定以西北某風(fēng)電機(jī)組為例。其塔筒、基座等為鋼筋混凝土，地基材料主要為巖石，考慮門洞的影響，對(duì)模型做出相應(yīng)合理的簡化，模型結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)電機(jī)組相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)以及工程地質(zhì)參考資料如表1所示。

表1 模型主要結(jié)構(gòu)的尺寸 單位：m

2.2 工況選擇

在對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行地震動(dòng)加速度加載時(shí)，只對(duì)地基施加約束，而不考慮其他的荷載，因而可以排除其他多余荷載對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的影響。為方便對(duì)比參照，故考慮基本地震動(dòng)工況、罕遇地震動(dòng)工況下的動(dòng)力荷載響應(yīng)分析。

3 混凝土塔筒的地震動(dòng)荷載響應(yīng)分析

3.1 基本地震動(dòng)工況下動(dòng)力荷載響應(yīng)分析

為簡化分析過程，以位移分析與應(yīng)力分析為主。其中塔筒頂端選取的節(jié)點(diǎn)，高度為90 m；塔筒中部選取的節(jié)點(diǎn)，高度為55 m；塔筒底部選取的，節(jié)點(diǎn)高度為15 m。

1)三向位移分析。選取塔筒頂、中、底三個(gè)節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象，并提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線，如圖1所示。提取塔頂筒端、中部、底部的三軸方向位移時(shí)程曲線的峰值，如表2所示。

圖1 基本地震動(dòng)塔筒三向位移時(shí)程曲線圖

表2 基本地震動(dòng)工況塔筒三軸方向位移時(shí)程曲線峰值 單位：mm

分析表2，可初步得出結(jié)論：三向地震波加載在混凝土塔筒時(shí)，塔筒X、Y、Z軸方向上位移時(shí)程曲線峰值均隨高度的增加而增加，同時(shí)Z軸方向的位移峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X、Y軸方向的位移峰值。

2)應(yīng)力分析。選取塔筒頂端、中部、底部同樣的三個(gè)節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象，并分別提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力時(shí)程曲線，提取塔頂三個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線的峰值，可初步得到結(jié)論：三向地震波加載在混凝土塔筒時(shí)，塔筒主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力時(shí)程曲線峰值均隨高度的增加而減小，且該三個(gè)節(jié)點(diǎn)的拉、壓應(yīng)力皆滿足混凝土強(qiáng)度要求。

3.2 罕遇地震動(dòng)工況下動(dòng)力荷載響應(yīng)分析

選取塔筒頂端、中部、底部同樣的三個(gè)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，并分別分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)位移及應(yīng)力時(shí)程曲線。根據(jù)先前步驟可一次獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步分析可得主要結(jié)論：三向地震波加載在混凝土塔筒時(shí)，塔筒主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力時(shí)程曲線峰值均隨高度的增加而減小，且該三個(gè)節(jié)點(diǎn)的拉、壓應(yīng)力皆不滿足混凝土強(qiáng)度要求。

主拉應(yīng)力云圖見圖2，可發(fā)現(xiàn)主拉應(yīng)力值最大處為12.8 MPa，應(yīng)力集中處同樣為門洞附近、塔筒與基座的連接處。查詢C35混凝土的抗拉，可知其設(shè)計(jì)值分別為1.57 MPa，即知該風(fēng)電機(jī)組遭遇罕遇地震作用時(shí)，風(fēng)機(jī)塔筒很可能會(huì)遭受破壞。

圖2 罕遇地震動(dòng)工況風(fēng)機(jī)應(yīng)力時(shí)程曲線峰值時(shí)刻的主壓應(yīng)力云圖

3.3 兩種地震動(dòng)工況下動(dòng)力荷載對(duì)比分析

1)位移對(duì)比分析。根據(jù)兩種工況下所具有共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，可初步得出結(jié)論：罕遇工況下造成的位移確實(shí)遠(yuǎn)大于基本地震工況下的位移；罕遇工況下的塔筒底部位移更大，可見底部吸收了更多的地震能量。

2)應(yīng)力對(duì)比分析。兩種工況下的共同之處在于：①塔筒整體的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力時(shí)程曲線峰值均隨高度的增加而減??；②三個(gè)節(jié)點(diǎn)振動(dòng)曲線走向一致，但底端振幅最大，中部振幅次之，頂端振幅微不可見；③應(yīng)力集中處均位于塔筒門洞處附近或塔筒與基座的交界處。

兩種工況下的不同亦相當(dāng)明顯：①不管是主拉應(yīng)力還是主壓應(yīng)力，不管是塔筒哪個(gè)部位的節(jié)點(diǎn)，罕遇地震工況下的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本地震工況下的應(yīng)力峰值，近乎增大了10倍；②考慮C35混凝土的強(qiáng)度，基本地震工況下塔筒滿足抗拉、抗壓強(qiáng)度，而罕遇地震工況下塔筒不滿足抗拉、抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒與基座的地震動(dòng)荷載的響應(yīng)分析，分別考慮基本地震工況與罕遇地震工況下的荷載響應(yīng)分析，選擇了塔筒頂端、中部及底部的不同節(jié)點(diǎn)，分別讀取其加速度、位移及應(yīng)力時(shí)程曲線圖，并進(jìn)行對(duì)比分析。

1)兩種地震工況下的應(yīng)力集中處均位于塔筒門洞附近或塔筒與基座的交界處，可見塔筒門洞需要進(jìn)行加固，同時(shí)塔筒與基座的交界處能夠增大應(yīng)力強(qiáng)度。

2)與基本地震工況相比，罕遇工況下的塔筒底部位移增大明顯，且主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力急速增大，可見底部吸收了更多的地震能量，故當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭遇罕遇工況時(shí)，底部最先破壞。

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