風電機組結構抗震性能分析

李少朋，孟向陽，許 哲

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

0 前 言

隨著傳統能源的日趨枯竭，清潔、可再生的風能日益受到關注。但四川省、云貴地區處于喜馬拉雅-地中海地震帶，地震災害多發，如果風電機組這種大型設備處于地震多發區域，則有可能受到風力、地震的雙重影響，風電機組的安全將受到考驗。本文在實際工程地質條件的基礎上，建立了相應的有限元模型，利用相關軟件分析了塔筒結構在不同地震情況下的特性，對于促進我國風電機組塔筒技術發展具有重要意義。

2009年，賀廣零[1]運用了多體動力學原理，對風電機組的高塔地震進行了地震作用動力時程的分析。2012年，戚藍，劉國威，王海軍等[2]在天津大學的水利工程仿真與安全國家重點實驗室，研究近海風電筒型基礎風機結構的地震動力響應其研究成果即SSI效應會降低結構的自振頻率，若考慮地震動作用，則風機模型的水平方向加速度響應最大值在塔架2/3高度處。之后，柳國環，練繼建等[3]亦在上述實驗室，研究有限域投射人工邊界和地震動輸入模式對風電結構體系的動力響應，對給出的三種模式進行計算分析。2015年，李洪斌[4]針對海上風機在波浪和地震聯合作用下的結構響應進行了研究，結果顯示二者聯合作用并不等于兩者單獨作用下的線性疊加。2016年，解朝朋[5]在研究塔樓結構的抗震性能時，也提出必須充分分析上部的結構與地基土的之間的相互作用的觀點。

本文通過大型三維有限元軟件ANASYS建立了三維實體模型，對風電機組混凝土塔筒結構進行了力學性能有限元分析，得到結構節點的加速度、位移以及應力規律，分析塔筒的破壞機理以及提出設計建議。該結果為今后的風力發電機組塔筒結構抗震設計具有良好的參考意義。

1 計算方法

選取最佳節點，研究其在基本地震動和罕遇地震動荷載下的變化趨勢，利用相關軟件繪制其加速度、位移以及應力時程曲線進行細致的分析。

2 工程實例

2.1 工程模型

為研究在不同地震等級下的混凝土塔筒的地震動荷載響應分析，結合風場資料以及現有規定條件，決定以西北某風電機組為例。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，對模型做出相應合理的簡化，模型結構尺寸、風電機組相關材料力學參數以及工程地質參考資料如表1所示。

表1 模型主要結構的尺寸 單位：m

2.2 工況選擇

在對風機模型進行地震動加速度加載時，只對地基施加約束，而不考慮其他的荷載，因而可以排除其他多余荷載對風機塔筒的影響。為方便對比參照，故考慮基本地震動工況、罕遇地震動工況下的動力荷載響應分析。

3 混凝土塔筒的地震動荷載響應分析

3.1 基本地震動工況下動力荷載響應分析

為簡化分析過程，以位移分析與應力分析為主。其中塔筒頂端選取的節點，高度為90 m；塔筒中部選取的節點，高度為55 m；塔筒底部選取的，節點高度為15 m。

1)三向位移分析。選取塔筒頂、中、底三個節點為分析對象，并提取各個節點的時程曲線，如圖1所示。提取塔頂筒端、中部、底部的三軸方向位移時程曲線的峰值，如表2所示。

圖1 基本地震動塔筒三向位移時程曲線圖

表2 基本地震動工況塔筒三軸方向位移時程曲線峰值 單位：mm

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

2)應力分析。選取塔筒頂端、中部、底部同樣的三個節點為分析對象，并分別提取各個節點的主拉應力、主壓應力時程曲線，提取塔頂三個節點的應力時程曲線的峰值，可初步得到結論：三向地震波加載在混凝土塔筒時，塔筒主拉應力、主壓應力時程曲線峰值均隨高度的增加而減小，且該三個節點的拉、壓應力皆滿足混凝土強度要求。

3.2 罕遇地震動工況下動力荷載響應分析

選取塔筒頂端、中部、底部同樣的三個節點為研究對象，并分別分析各個節點位移及應力時程曲線。根據先前步驟可一次獲得實驗數據，初步分析可得主要結論：三向地震波加載在混凝土塔筒時，塔筒主拉應力、主壓應力時程曲線峰值均隨高度的增加而減小，且該三個節點的拉、壓應力皆不滿足混凝土強度要求。

主拉應力云圖見圖2，可發現主拉應力值最大處為12.8 MPa，應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，可知其設計值分別為1.57 MPa，即知該風電機組遭遇罕遇地震作用時，風機塔筒很可能會遭受破壞。

圖2 罕遇地震動工況風機應力時程曲線峰值時刻的主壓應力云圖

3.3 兩種地震動工況下動力荷載對比分析

1)位移對比分析。根據兩種工況下所具有共同點與不同點，可初步得出結論：罕遇工況下造成的位移確實遠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)應力對比分析。兩種工況下的共同之處在于：①塔筒整體的主拉應力、主壓應力時程曲線峰值均隨高度的增加而減小；②三個節點振動曲線走向一致，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明顯：①不管是主拉應力還是主壓應力，不管是塔筒哪個部位的節點，罕遇地震工況下的應力峰值遠遠大于基本地震工況下的應力峰值，近乎增大了10倍；②考慮C35混凝土的強度，基本地震工況下塔筒滿足抗拉、抗壓強度，而罕遇地震工況下塔筒不滿足抗拉、抗壓強度。

4 結 論

本文針對風電機組塔筒與基座的地震動荷載的響應分析，分別考慮基本地震工況與罕遇地震工況下的荷載響應分析，選擇了塔筒頂端、中部及底部的不同節點，分別讀取其加速度、位移及應力時程曲線圖，并進行對比分析。

1)兩種地震工況下的應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行加固，同時塔筒與基座的交界處能夠增大應力強度。

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，且主拉應力及主壓應力急速增大，可見底部吸收了更多的地震能量，故當風電機組遭遇罕遇工況時，底部最先破壞。

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