近斷層地震滑沖效應下風力發電塔動力響應和振動控制試驗研究

陳俊嶺　陽榮昌　馬人樂

（同濟大學 建筑工程系，上海 200092） 摘 要：為研究近斷層地震滑沖效應脈沖對大功率風力發電塔架結構的影響及應對措施，以丹麥某3 MW風力發電塔為原型制作縮尺模型并設計相應滾球減振器進行模擬地震振動臺試驗研究，考察其非線性動力響應及振動控制裝置的有效性.選取具有滑沖效應脈沖的1999年ChiChi地震TCU052臺站記錄及其過濾修正記錄作為輸入，對比分析不同輸入下無控制裝置時模型的響應并建立試驗模型的有限元模型對比數值計算結果和試驗結果；考察設置滾球減振器后模型在有滑沖效應脈沖記錄下的響應，對比分析了在總重相等時單個滾球和多個滾球布置方案下減振器的減振效果.研究表明：近斷層地震滑沖效應脈沖使得結構響應明顯增大，建造在地震帶上的大功率風電機組設計時宜考慮其不利影響；設置滾球減振器可有效減小塔架結構響應均方差30%～40%，且多個滾球布置方案優于單個滾球.

關鍵詞：風力發電塔；滑沖效應；振動臺試驗；振動控制

中圖分類號：TK83； TU359 文獻標識碼：AExperimental Study of the Seismic Response and Vibration

Control of Wind Turbine Tower Considering NearFault

Ground Motion with Fling Step

CHEN Junling， YANG Rongchang， MA Renle

（Dept of Building Engineering， Tongji Univ， Shanghai 200092， China） Abstract：Shaking table tests of a 1∶20 scale model of a 3 MW wind turbine tower were carried out under the excitation of nearfault ground motion with fling step. Rollingball vibration absorbers were designed to mitigate the tower's dynamic response. A record with fling step from 1999 ChiChi earthquake at TCU052 station was chosen and the record without fling step was obtained by filtering the former record through a 4th order Butterworth filter. The nonlinear dynamic responses of the model without absorber were studied and compared with the results from finite element analysis. Then， the effectiveness of oneball vibration absorber and multiball vibration absorber with the same total weight was examined under the excitation of the record with fling step. The results show that the nearfault ground motion with fling step greatly magnifies the tower's responses. It should be noted that this effect cannot be neglected when a wind turbine tower is designed and constructed in seismic zones. The ball vibration absorbers can reduce the standard deviations of dynamic responses to about 60%～70% of those without absorber. The performance of the multiball vibration absorber is superior to that of oneball vibration absorber.

Key words：wind turbine tower； effect of fling step； shaking table test； vibration control

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在能源危機的大背景下，風能作為一種綠色能源正得到世界各國的重視，并被開發利用.為獲得更大的電力生產能力，風力機的尺寸和重量都不斷大幅度增加，需要采用更高的支撐塔架把機艙和葉輪等部件舉得更高.風力發電塔作為高聳結構，其受力特點與一般建筑結構不同，水平荷載通常起控制作用.由于風電業發達的北歐地區為非地震多發區，因此很多研究人員針對風力發電塔的風致響應問題開展了大量研究.近些年來，隨著風電行業的發展，不少風電場位于地震動活躍區域，因此，研究人員開始采用數值分析和試驗手段針對風力發電塔結構的地震響應進行研究.德國《Guideline for the Certification of Wind Turbine》規范＼[1＼]和日本《風力發電設備支持物構造設計指針及解說》（2010）＼[2＼]均指出在設計位于地震動活躍地區的風力發電塔時應考慮地震作用的影響.Bazeos等＼[3＼]以某450 kW水平軸風力發電塔為原型，考慮土與結構相互作用建立有限元模型，用時程分析法計算其在地震作用下的響應，指出精細模型和簡化模型計算結果很相近.Lavassas等＼[4＼]則基于某1 MW風力發電塔采用反應譜法計算了該結構在地震作用下的效應，并通過在基礎和塔筒之間設置接觸單元來考慮土與結構相互作用.Prowell等＼[5＼]通過足尺模型振動臺試驗和梁柱單元有限元模型考察了某65 kW小型風力發電塔的抗震性能，指出其動力響應以一階振型為主.賀廣零等＼[6＼]通過建立“槳葉

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塔體

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基礎”整體模型研究了地震作用下土與結構相互作用對風力發電塔結構響應的影響，發現考慮土與結構相互作用時會放大結構響應.

由此可見，已有的關于風力發電塔結構地震響應的研究多集中于遠場地震，而我國有部分風電場位于地震帶上，如福建省東山風電場和河北省張北風電場.近斷層地震具有許多顯著不同于遠場地震的特征，其對工程結構的破壞程度更為嚴重 ＼[7＼].風力發電塔結構作為高柔結構體系，頂部有較大的集中質量，結構周期相對較長，近斷層地震作用的影響更應引起研究人員的注意.目前，對風力發電塔架的計算模型可分為2種：一為帶有葉片、機艙等設備的整體模型；一為將葉片和機艙簡化為塔頂集中質量的簡化模型.根據Prowell等＼[5＼]的分析，當研究重點為風力發電塔架的特性時，采用塔頂集中質量的簡化模型和帶有葉片、機艙的整體模型計算所得一階自振特性幾乎沒有差別，且塔架響應以一階振型為主.因此，本文以丹麥某3 MW機組為原型，將葉片、機艙的重量集中在塔頂，按實際塔架高度的1/20制作了縮尺模型，研究塔架結構在有滑沖效應近斷層地震作用下的動力響應，同時設計滾球振動控制裝置研究其控制效率.

湖南大學學報（自然科學版） 2013年

第8期 陳俊嶺等：近斷層地震滑沖效應下風力發電塔動力響應和振動控制試驗研究

1 近斷層地震滑沖效應

近斷層地震通常指距離斷層20～60 km區域場地的地震動＼[7＼]，是一種因斷層快速滑動使地震剪切波沿著斷層傳播引起的地面運動.震源機制、斷層破裂方向、斷裂面相對滑動方向以及場地條件等因素的影響使得近斷層地震地面運動具有兩大明顯區別于遠場地震地面運動的突出特點，即滑沖效應和向前方向性效應.滑沖效應是指斷層上下兩盤由于相對運動使得地震動的速度時程中出現單方向半脈沖進而導致地面出現階躍式不可恢復位移的特性，一般激起結構體系的基本振型響應；當滿足破裂前峰朝向場地傳播和斷層面上的滑動方向指向場地時，斷層破裂就會發生向前方向性效應，向前方向性效應一般激起高階振型的響應＼[8＼].一般認為滑沖效應對長周期結構的影響大于向前方向性效應＼[7＼]，大功率風力發電塔架為高柔結構體系，結構周期相對較長，因此本文重點研究滑沖效應對其動力響應的影響.

本文中滑沖效應脈沖模型采用文獻＼[9＼]中typeA模型，見式（1）～（3）.

ag，A（t）=ωpVp2sin （ωpt），

（1）

Vg，A（t）=Vp2-Vp2cos （ωpt），

（2）

dg，A（t）=Vp2t-Vp2ωpsin （ωpt）.

（3）

式中： 0≤t≤Tp，Tp為脈沖周期；ωp表示脈沖圓頻率，ωp=2