摘要：地震激励严重威胁风力发电塔正常稳定运行。以某风力发电塔为对象，研究风力发电塔在2种实测自然波和1种人工波激励作用下的地震响应，并探究在不同地震波维数对风电塔响应的影响。结果表明：在风电塔门洞附近容易出现应力集中。而风电塔的最大应力出现在塔筒顶部，其最大应力不超过160 MPa，小于风电塔的屈服强度345 MPa。在3种地震波作用下，风电塔的位移最大值出现在塔筒顶部，而且X方向的最大位移均不超过0.1 m（桨叶位于X方向上），远小于桨叶与塔架之间的距离1.02 m。X方向的地震波对风电塔塔顶的应力有显著影响，这与叶片和机舱集中质量所在方向有关；地震波维数的变化对塔筒顶部位移的影响较小；水平方向地震波对弯矩影响较为显著，竖向的地震波影响弯矩可以忽略不计。
关键词：风力发电塔,地震波维数,地震响应
0引言
风力资源取之不尽用之不竭，采用风力发电可以减少环境污染，减轻对石油、煤炭等不可再生资源的依赖。风力发电技术日趋成熟，是国家电网电力的一个重要来源。目前，风力发电塔的结构设计中，主要采用圆筒式的主体结构。在地震的激励下，可能会导致部分屈曲变形甚至整体倒塌风险，造成严重的经济财产损失和人员伤亡[1-3]。因此，研究风力发电塔在地震作用下动力学响应十分必要。
国内外学者相继对风力发电塔的地震响应展开研究。闫阳天[4]、于华明[5]等以海上风力机为研究对象，综合考虑海床土壤柔性、海水与基础之间的耦合力，指出塔筒顶部的位移最大，应变能则集中于塔筒基础，响应参数随着地震加速度大小方向的改变而改变。戴靠山[6]等对风力发电塔进行结构和损伤分析，计算得到发电塔在地震激励下出现4类损伤的超越概率。赵志等[7]对两种不同特征周期地震波激励下的发电塔响应进行分析，发现对于0.4 s特征周期的地震波，高阶振型对结构的影响较大，初始塑性铰出现在塔筒底部，全截面塑性铰出现在塔筒中上部；而1.1 s特征周期的地震波，第一振型对结构的影响最大，初始塑性铰和全截面塑性铰均出现在塔筒底部。Chen Weiyun等[8]分别建立了5 MW海上风机（Offshore Wind Turbine，OWT）在液化土壤中单桩和桩桶基础支撑的两个三维数值模型，研究了OWT在两个不同峰值加速度和频率分量的地震动记录下的地震反应。结果表明，与单桩基础相比，混合桩-桶形基础可以显著降低OWT的地震反应，提高周围海床的液化阻力。Padrón Luis A等[9]通过模拟建立在海床上单桩基础的风力涡轮机模型，进行地震响应研究。研究发现，即使是低强度和中等强度的地震也会显著增加大型OWT的结构需求。当OWT的大小增加时，动态土壤-结构相互作用（Soil Structure Interaction，SSI）存在明显的有利趋势。
本文在借鉴部分学者建立的风电塔模型的基础之上，通过对风电塔进行地震时域分析，对比风力发电塔在不同地震维数作用下的动力响应区别。为后续风力发电塔结构和抗震设计提供一些参考。
1有限元模型
本文选用某风力发电塔作为计算和分析的原型，风力发电塔的模型如图1所示。塔筒为圆锥状空心单管钢结构，塔筒壁厚随高度呈线性减小，塔筒底部设置门洞。模型的主要参数如表1所示[10-11]。
在有限元建模中，采用三维实习单元建模，由于本文关注塔筒的响应，因此将风轮和机舱简化为偏心质量点[12]，相对于塔筒中心的偏心距分别为2.5 m和1 m，并与塔顶刚性耦合[13]，如图1所示。本文关注重点在于不同维数地震对塔筒响应的影响，因此不考虑塔筒基础与周围土体的接触，底部直接给定固定约束。塔筒顶部的简化如图2所示。
塔筒钢材密度为7 850 kg/m3，杨氏模量为206 GPa，抗拉极限应力为490 MPa，屈服应力为345 MPa，泊松比为0.3。风力发电塔模态分析是地震响应分析的基础。通过有限元软件中的Lanczos法对风电塔进行模态分析，以此来确定风电塔有限元模型的自振频率和模态。表2所示为风电塔结构前3阶振型自振频率及其振型云图[14]。
2地震波的选择与调整
该风力发电塔所在的场地条件如表3所示，根据场地条件从PEER地震数据库中选用两组自然波，并且生成一组人工波[18]。将3组地震波的加速度峰值调整为0.07 g[19]，各条地震波的时程曲线如图3所示。
2条自然波的加速度反应谱如图4所示，通过计算在结构第一自振周期（1.901 89 s）处2条自然地震波反应谱值与规范反应谱值的差值小于10%。地震波的选择符合抗震规范要求[20]。
对于自然波1和自然波2，仅考虑水平方向的输入，对于人工波，为了研究地震作用下发电塔底部剪力和弯矩、塔顶位移和应力等结构响应参数与地震输入维数的关系，地震波各方向的加速度峰值按1∶0.85∶0.65比例进行调整[21]，分别进行表4所示的6个工况下的风电塔地震时程分析。
3地震时程分析结果
3.1不同地震波风力发电塔响应分析
图5和图6所示分别为塔筒顶部某节点的水平位移和应力曲线。3种波的位移、应力及剪力规律大致相同，自然波2作用下位移、应力及剪力在地震前期有较大的波动，这与自然波2的加速度曲线相吻合，自然波1和人工波曲线形状呈现纺锤形。
在3种地震波作用下，风电塔的位移最大值出现在塔筒顶部，而且X方向的最大位移均不超过0.1 m（桨叶位于X方向上），如图5所示，远小于桨叶与塔架之间的距离1.02 m。
图7所示为33.56 s这一时刻人工波作用下门洞附近的应力云图，在风电塔门洞附近容易出现应力集中[22]。而风电塔的最大应力出现在塔筒顶部，其最大应力不超过160 MPa，如图7所示，小于风电塔的屈服强度345 MPa。由于结构未达到塑形极限值，故弯矩还未超过许用极限值。
图8所示为塔筒底部某节点的剪力曲线。风电塔的X向剪力最大值出现在塔筒底部，而且其最大剪力均不超过100 kN，模型总重力为176 4 kN，X向的剪重比为0.057，大于0.032，满足抗震规范要求[20]。故在加速度峰值为0.07 g的3种地震波作用下，风电塔的结构响应均满足要求。
3.2不同输入地震维数下风力发电塔响应分析
在研究多维地震输入对结构响应的影响规律时，有地震输入的结构应力、位移、剪力以及弯矩必然比没有地震输入的大。通过对比工况1、3、5和工况2、4、6，得到不同输入地震维数对结构应力、位移以及弯矩的影响情况。
由有限元分析可知，塔筒在地震波作用下最大应力和位移出现在塔筒顶部，最大剪力和弯矩出现在塔筒底部。由图9（a）可知，3个工况的应力随时间变化曲线基本一致。由图9（b）可知，工况4和工况6的应力随时间变化曲线趋于重合，而工况2的幅值变化小得多。通过对比工况1和工况2的应力-时间曲线，如图10所示，可知X方向的地震波是影响风电塔应力的主导应力，这主要是由于叶片和机舱均位于X方向上，集中质量的影响使得X方向的应力值较大。而Y方向和Z方向的地震波对最大应力值影响有限。
图11所示为不同输入地震维数下塔筒顶部某节点位移-时间曲线。通过对比工况1、3、5和工况2、4、6，位移随时间的变化趋势基本一致，由此可知当前地震烈度下，地震波维数的变化对塔筒顶部的位移影响较小。
图12所示为不同输入地震维数下塔筒筒底部弯矩-时间曲线，可以看出，工况3和工况5的弯矩随时间的变化趋势基本吻合，工况1的曲线整体较工况3和5小，且工况3和5曲线趋于重合。工况3的最大弯矩比工况1的值大1 663 010 N∙m。工况2、4、6的对比情况跟工况1、3、5基本一致。由此可知，弯矩受到水平方向的地震波影响比较明显，竖向的地震波影响弯矩可以忽略不计。
4结束语
本文以某风力发电塔为对象，研究风力发电塔在2种实测自然波和1种人工波激励作用下的地震响应，并探究在不同地震波维数对风电塔响应的影响。通过有限元软件建立模型开展仿真分析，结论如下。
（1）风力发电塔在不同地震作用时，塔筒顶部的应力和位移均为最大，门洞附近容易出现应力集中，而且塔筒底部的剪力最大。
（2）X方向的地震波对风电塔塔顶的应力有显著影响，这与叶片和机舱集中质量所在方向有关；地震波维数的变化对塔筒顶部的位移的影响较小。
（3）弯矩受到水平方向的地震波影响比较明显，竖向的地震波影响弯矩可以忽略不计。
本文的不足之处在于选波样本太少而且对模型进行一定程度的简化，对分析结果造成一定的影响。未来需要继续在模型进行深入细化，研究风电塔地震响应机理，开展风电塔结构设计优化研究。
参考文献：
[1]毕继红,张兴旺,任洪鹏.基于地震荷载作用下的风力发电塔的地震响应分析[J].四川建筑科学研究,2014,40(1):221-224.
[2]徐亚洲,孟莹,丁艳琼.近场地震作用下风力发电塔结构振动台试验研究[J].土木工程学报,2024,57(8):49-57.
[3]杜昊,刘彦攀,李伟强,等.风力发电机组故障预警技术研究[J].装备制造技术,2023(6):295-298.
[4]闫阳天,岳敏楠,李春,等.大型近海风力机塔架地震动力学响应分析[J].热能动力工程,2019(9):91-98.
[5]于华明,何奇,孙博,等.海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计研究[J].自动化仪表,2024,45(07):34-39.
[6]戴靠山,易立达,刘瑶,等.某风电塔结构基于性能的抗震分析[J].结构工程师,2015,31(5):96-102.
[7]赵志,戴靠山,毛振西,等.不同频谱特性地震动下风电塔破坏分析[J].工程力学,2018,35(S1):293-299.
[8]CHEN Weiyun,JIANG Yujie,XU Lingyu,et al.Seismic response of hybrid pile-bucket foundation supported offshore wind tur⁃bines located in liquefiable soils[J].Ocean Engineering,2023,269:113519.
[9]PADRON L A,BORDON J D R,CARBONARI S,et al.Seismic re⁃sponse of large offshore wind turbines on monopile foundations including dynamic soil-structure interaction[J].Ocean Engineer⁃ing,2022,257:111653.
[10]吕冬霖,孙海林,祝磊.带叶片海上风力塔架结构模型振动台试验研究及有限元模拟[J/OL].工业建筑,1-16[2024-02-19].
[11]刘飞,范海涛,贺瑞敏,等.基于视觉振动放大技术的风电机组塔架固有频率测量[J].内蒙古电力技术,2023,41(4):20-25.
[12]陈俊岭,阳荣昌,马人乐.近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2013,40(8):27-33.
[13]李万润,范科友,杜永峰.基于最不利塔顶位移相图法的风电塔筒动力屈曲研究[J].振动与冲击,2023,42(23):8-20.
[14]戴靠山,赵志,孟家瑶.风电塔在地震和风荷载下的失效概率评估[J].工程科学与技术,2021,53(2):38-44.
[15]王雪平,丁明轩,黄杰,等.风力发电结构有限元建模及其地震响应分析[J].兰州理工大学学报,2022,48(5):134-141.
[16]戴靠山,赵志,毛振西.风力发电塔筒极端动力荷载作用下破坏的对比研究[J].振动与冲击,2019,38(15):252-257,272.
[17]戴靠山,毛振西,张玉林,等.考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析[J].工程科学学报,2017,39(9):1436-1442.
[18]张磊,张璇,王皓,等.钢-混凝土组合式风力发电塔筒不同环境下地震响应[J].华北地震科学,2023,41(4):79-83.
[19]李万润,范科友,吴王浩,等.主余震序列作用下风力发电塔架结构的地震损伤研究[J/OL].工程力学,1-13[2024-02-19].
[20]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国标准出版社,2010.
[21]张爱林,牟俊霖,刘学春,等.北京大兴国际机场航站楼屋盖大跨度钢结构动力特性及多维地震响应分析[J].建筑结构,2019,49(14):1-7,17.
[22]郭松龄,李强,罗伟,等.结构参数对风电塔架门洞焊缝强度的影响分析[J].船舶工程,2020,42(S2):292-295.
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