風(fēng)力發(fā)電塔近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)響應(yīng)減震效果分析

王佳龍，馮 娜

（1.湖北建科國際工程有限公司銀川分公司，寧夏 銀川750105；2.銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川750105）

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)能作為一種清潔無污染的可再生能源，受到世界各國越來越多的重視。我國近些年來大力發(fā)展新能源，各地建設(shè)了一批風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)，并于2010年成為世界第一風(fēng)電裝機(jī)大國[1]?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)起源于地震災(zāi)害較少的歐洲地區(qū)，主要在北歐等地震不活躍地區(qū)修建，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)地震荷載并未給予足夠的重視[2]。而我國有部分風(fēng)電場位于地震帶上，如位于寧夏西北部賀蘭山麓南端的賀蘭山風(fēng)電場位于賀蘭山地震帶上。近場地震具有許多顯著不同于遠(yuǎn)場地震的特征，其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞程度更為嚴(yán)重[3]。Stamatopoulos[4]認(rèn)為近場地震動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)具有顯著影響。Patil[5]認(rèn)為，近場地震動(dòng)對(duì)1.65MW風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響較明顯。因此，分析風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行震動(dòng)控制十分必要。相關(guān)研究指出[6]，將黏滯流體阻尼器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)能夠有效減小結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)。本文首先通過有限元分析軟件ABAQUS建立某塔高為78m的2.5MW風(fēng)電塔有限元模型，然后對(duì)該2.5MW風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析，最后將黏滯流體阻尼器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證其對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的減震效果。

1 風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)有限元模型

為分析風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，本文以某塔高為78m的2.5MW三槳葉變槳距水平軸風(fēng)力發(fā)電塔為原型，通過通用有限元分析軟件ABAQUS建立該風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的有限元模型。該風(fēng)電塔由槳葉、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等構(gòu)成，葉片和機(jī)艙質(zhì)量分別為38t和65t。由于風(fēng)電塔塔筒厚度方向的尺寸小于其他維度尺寸的1/30，故塔筒采用殼單元（S4R）模擬，該鋼塔筒材料選用Q345鋼材，Q345鋼彈性模量E=2.06×105N/mm2，密度為7850kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度取345MPa，屈服后彈性模量取0.01E。由于IEC[7]規(guī)范建議停機(jī)狀態(tài)下的風(fēng)電塔的結(jié)構(gòu)阻尼比為1%，本文風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)有限元模型采用瑞利阻尼，阻尼比按IEC規(guī)范建議取1%。由于本文主要關(guān)注風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)及減震分析，并未考慮SSI效應(yīng)對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，故在建模過程中將風(fēng)電塔底部作固接處理。

2 風(fēng)力發(fā)電塔近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)響應(yīng)分析

2.1 近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)記錄

近年來，地震的發(fā)生及其造成的近場震區(qū)的嚴(yán)重破壞引起人們對(duì)近場地震動(dòng)的極大關(guān)注。較遠(yuǎn)場地震動(dòng)而言，近場地震動(dòng)具有明顯的大幅值、長周期脈沖作用，高聳的風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)自振周期較長，Patil[5]認(rèn)為，近場地震動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響更大。近場地震動(dòng)的定義通常是指到斷層距離不超過20km場地上的地震動(dòng)。但關(guān)于近場地震動(dòng)的定義并不統(tǒng)一，Stewart等[8]認(rèn)為近場地震動(dòng)斷層距的界限值應(yīng)取在20~60km之間。目前，從大量文獻(xiàn)研究的結(jié)果來看，這一界限值范圍是被趨于認(rèn)同的。為避免不同震源機(jī)制的干擾和影響，本文選擇來自同一地震（1994年美國Northridge地震）記錄地震動(dòng)記錄對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，選擇美國Northridge地震記錄到的近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)記錄各12條（如表1、表2所示）。

2.2 近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)響應(yīng)分析

本文按照結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[9]，近、遠(yuǎn)場地震動(dòng)的峰值加速度均調(diào)整為400Gal。通過有限元分析軟件ABAQUS在結(jié)構(gòu)基底施加3向地震動(dòng)加速度時(shí)程（水平主向（X）：水平次向（Z）：豎向（Y）=1:0.85:0.65），計(jì)算結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行分析。

本文重點(diǎn)研究風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，因而對(duì)其他因素作相應(yīng)的簡化：基礎(chǔ)采用固結(jié)，不考慮SSI效應(yīng)對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響；暫不考慮行波效應(yīng)。地震荷載作用下，風(fēng)力發(fā)電塔的最大彎矩和剪力一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)基底位置；同時(shí)由于風(fēng)輪、轉(zhuǎn)子等設(shè)備正常使用極限狀態(tài)的要求，對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)頂部的位移和加速度也有相應(yīng)的要求。因此在分析時(shí)，重點(diǎn)研究風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下，其頂部絕對(duì)加速度、頂部相對(duì)位移、基底剪力、基底彎矩響應(yīng)峰值（如表3、表4所示）。

從表3、表4可以看出，近場地震動(dòng)對(duì)該2.5MW風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響比較顯著，在同一地震作用下，遠(yuǎn)場地震動(dòng)作用下響應(yīng)的平均值僅為同一地震近場地震動(dòng)作用下響應(yīng)平均值的35%～60%。由此可見，近場地震動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有重要影響，應(yīng)引起相關(guān)研究人員注意。

表3 近場地震荷載作用下風(fēng)力發(fā)電塔動(dòng)力響應(yīng)

表4 遠(yuǎn)場地震荷載作用下風(fēng)力發(fā)電塔動(dòng)力響應(yīng)

3 黏滯流體阻尼裝置減震效果分析

由上述分析可知，近場地震動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)具有較大危害，為保證風(fēng)電機(jī)組的安全，有效途徑之一便是采取震動(dòng)控制措施。黏滯流體阻尼器其耗能能力較強(qiáng)、無附加剛度、適用性好、維護(hù)費(fèi)低，這些特點(diǎn)使得其在全世界數(shù)以百計(jì)的工程結(jié)構(gòu)中得以應(yīng)用，成為應(yīng)用最為廣泛的震動(dòng)控制裝置之一。

在結(jié)構(gòu)基底輸入Newhall-W Pico Canyon Rd.臺(tái)站記錄到的地震動(dòng)記錄，調(diào)整其峰值加速度為400Gal，其中，水平主向（X）：水平次向（Z）：豎向（Y）=1:0.85:0.65。為評(píng)估黏滯流體阻尼裝置對(duì)于抑制風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的有效性，文中定義減震率m（式1），表5給出了風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在有無黏滯流體阻尼器下動(dòng)力響應(yīng)的分析結(jié)果。

表5 減震效果分析

式中，m-風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在裝有黏滯流體阻尼裝置的減震率；r-未控風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值；rD-受控風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值。

表5 可以看出，通過設(shè)置黏滯流體阻尼器，可以較明顯地減小風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，減震率m可以達(dá)到20%以上。說明黏滯流體阻尼器能夠消耗輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全。

4 結(jié)束語

通過對(duì)某2.5MW風(fēng)力發(fā)電塔進(jìn)行建模，對(duì)該2.5MW風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，并結(jié)合風(fēng)力發(fā)電塔自身特點(diǎn)將黏滯流體阻尼器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)中，并檢驗(yàn)其有效性。本文主要結(jié)論為：近場地震動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響比較顯著，在同一地震荷載作用下，遠(yuǎn)場地震動(dòng)的響應(yīng)的平均值僅為同一地震作用下近場地震動(dòng)響應(yīng)平均值的35%～60%。近場地震動(dòng)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有重要影響，應(yīng)引起相關(guān)研究人員的注意。