風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)分析

馬龍海，張艷華

(1. 中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120；2. 武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)分析

馬龍海1，張艷華2

(1. 中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120；2. 武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

作為承受動(dòng)荷載的高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)動(dòng)剛度計(jì)算是必須的。研究其動(dòng)剛度隨外荷載的變化規(guī)律，對(duì)準(zhǔn)確分析器動(dòng)力響應(yīng)由極其重要的意義。阻尼影響抽取法研究了動(dòng)剛度的動(dòng)力特性，給出了相關(guān)的計(jì)算式。推出其實(shí)用計(jì)算方法對(duì)風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析有很重要的實(shí)踐意義。

高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；動(dòng)剛度；動(dòng)力響應(yīng)；阻尼影響抽取法。

風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)的計(jì)算按照《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》(試行)FD003-2007第5.0.10款的要求，“根據(jù)基礎(chǔ)的受力條件和上部結(jié)構(gòu)要求，視風(fēng)電機(jī)組制造商的要求對(duì)地基基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行計(jì)算”。目前，部分風(fēng)機(jī)制造商會(huì)給出了具體要求。為確保風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，制造商應(yīng)給出基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用到的動(dòng)荷載數(shù)據(jù)。本文根據(jù)動(dòng)力基礎(chǔ)的力學(xué)模型和計(jì)算模型進(jìn)行了有關(guān)設(shè)計(jì)分析的探討。

1 風(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析

對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)特性分析，必須知道其動(dòng)剛度。在動(dòng)力作用下，動(dòng)剛度受到眾多因素影響。動(dòng)剛度不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著激振頻率的改變而改變，是激振頻率的函數(shù)。另外，大型基礎(chǔ)塊的動(dòng)力作用是一個(gè)地基和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用問(wèn)題。這方面，已經(jīng)有了許多的研究成果，包括動(dòng)剛度的實(shí)測(cè)研究。但受試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒋笮突A(chǔ)塊的結(jié)構(gòu)型式等的差別限制，沒(méi)有給出比較系統(tǒng)的關(guān)于動(dòng)剛度分析的理論方法。

簡(jiǎn)諧作用下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)方程為：

強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅受ΔΩ2控制，當(dāng)荷載頻率或者激振頻率與系統(tǒng)的自振頻率一樣時(shí)，ΔΩ2為零，從而導(dǎo)致無(wú)窮大的振幅。實(shí)際由于系統(tǒng)存在著阻尼，因此共振作用下的振幅會(huì)受到一定的抑制。

設(shè)計(jì)實(shí)踐中的可靠性取決于系統(tǒng)的自振頻率，要求系統(tǒng)自振頻率與操作頻率具有顯著的差異性。即頻率的避開(kāi)度不得小于某個(gè)限制值。為了避免系統(tǒng)的自振頻率與荷載頻率接近，要設(shè)計(jì)剛度比較大的基礎(chǔ)，以使得系統(tǒng)的最低頻率比最高荷載頻率高。但我們不可能總能完全避開(kāi)擾動(dòng)頻率，因此有時(shí)還不得不允許出現(xiàn)一些振幅不大，頻率接近于系統(tǒng)自振頻率的振動(dòng)。因此，這種情況下，計(jì)算振幅還要考慮可靠度問(wèn)題。

2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論分析

2.1 動(dòng)力作用

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的動(dòng)力作用是地基和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用問(wèn)題，其理想化的模型是一個(gè)質(zhì)量塊放在半無(wú)限彈性體上。地基土壤是限制質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的等效彈簧，而且，由于波由擾點(diǎn)向外傳播，將吸收掉一部分振動(dòng)能量，即阻尼等效。根據(jù)Barkan的觀點(diǎn)，參振土體質(zhì)量對(duì)自振頻率的影響不超過(guò)10%，而且如果上部結(jié)構(gòu)(包括動(dòng)力機(jī)器)的頻率與基礎(chǔ)系統(tǒng)的自振頻率相差很大的話，即使忽略了阻尼影響，也可以把強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅計(jì)算得相當(dāng)準(zhǔn)確，阻尼在任何情況下都會(huì)減少振幅，因此，忽略阻尼的方法給出了保守解。

2.2 沖擊動(dòng)載

風(fēng)機(jī)組在啟、制動(dòng)，地震或惡劣、災(zāi)害天氣時(shí)均會(huì)產(chǎn)生沖擊動(dòng)載，這一激振力會(huì)使風(fēng)機(jī)組產(chǎn)生一定振幅和一定時(shí)間的衰減振動(dòng)。其頻率為一階固有頻率，振型為水平向振動(dòng)。其簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1。

振動(dòng)方程如下(無(wú)阻尼受迫振動(dòng)方程)：

上式中：[M]、[K]分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和靜剛度矩陣；·和x分別為系統(tǒng)的加速度和位移分量；{f}為系統(tǒng)的激勵(lì)力矢量。

圖1 彈性支承上的基礎(chǔ)模型

對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，拉氏算子為s=iw，并令其初始條件為零，就可以得到以下方程：

則式(5)可以簡(jiǎn)寫(xiě)為 [Z]{x}={f}

式中：[Z]為系統(tǒng)動(dòng)剛度矩陣, ω為系統(tǒng)的角頻率。

顯然，[Z]是一個(gè)復(fù)數(shù)，其實(shí)部和復(fù)部包含了動(dòng)剛度的幅頻和相頻信息。對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)，動(dòng)剛度為頻率的函數(shù)，其數(shù)值取決于結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)：質(zhì)量m，靜剛度k和阻尼c。

2.3 剛度計(jì)算

對(duì)于剛度如何進(jìn)行計(jì)算，國(guó)內(nèi)在結(jié)構(gòu)與無(wú)限介質(zhì)的動(dòng)力相互作用問(wèn)題上已有相關(guān)文獻(xiàn)。本文參考地下洞室的模型分析計(jì)算方法——阻尼影響抽取法，做一些嘗試。簡(jiǎn)要介紹如下：

在無(wú)限介質(zhì)內(nèi)利用人工邊界截取有限區(qū)域，在域內(nèi)引入人工高阻尼，使邊界發(fā)射波在到達(dá)結(jié)構(gòu)前被消耗掉，從而結(jié)構(gòu)界面上的運(yùn)動(dòng)將主要取決于外形波動(dòng)。據(jù)此可以認(rèn)為，按高阻尼有限域求出的結(jié)構(gòu)界面上動(dòng)剛度可逼近無(wú)限域的動(dòng)剛度。進(jìn)一步從高阻尼有限域的動(dòng)剛度中將施加的人工阻尼影響抽取，即可得無(wú)限域的動(dòng)剛度。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 阻尼影響抽取法計(jì)算模型

2.3.1 動(dòng)剛度基本算式

無(wú)阻尼有限域頻域動(dòng)剛度的表達(dá)式為：

在計(jì)算域內(nèi)引入人工高阻尼ζ后，有阻尼有限域動(dòng)剛度成為：

2.2 時(shí)域表達(dá)形式

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出了諸如錘擊法實(shí)測(cè)動(dòng)剛度的研究方法等，能夠得出結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)件的動(dòng)剛度曲線。但在動(dòng)剛度計(jì)算理論和計(jì)算方法的研究上也取得了一定的成果。如果能夠在實(shí)用計(jì)算方法上有所突破，那么對(duì)于掌握結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)件的動(dòng)剛度上會(huì)得到十分廣泛的應(yīng)用。也更有利于對(duì)于動(dòng)力基礎(chǔ)、高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、抗震設(shè)計(jì)分析、風(fēng)荷載作用分析、海流潮汐荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析等帶來(lái)更大的方便和可靠。

[1]劉延柱．高等動(dòng)力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[2]林皋．結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用作用問(wèn)題分析[M]．大連理工大學(xué)，2009．

[3]陳健云，等．超大型地下洞室的三維地震響應(yīng)分析[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4)．

[4]FD 003-2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S]．

Analysis on Acting Strength of Foundation of Wind Power Units

MA Long-hai1, ZHANG Yan-hua2
(1. China Power Construction Engineering Consulting Corporation, Beijing 100120, China;
2. Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

As foundation of high-rise structure, dynamic-stiffness of the foundation of wind turbine generator must be calculated. And it’s very important to analysis of their response to a dynamic load. The dynamic characteristics of dynamic-stiffness is studied using damping-solvent extraction method, and some formulas are applied. And it’s important to give some functional calculation methods.

foundation of high-rise structure; dynamic-stiffness; dynamic response; damping-solvent extraction method.

TM614

B

1671-9913(2011)03-0073-03

2011-03-01

馬龍海(1965- )，男，北京人，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師。