強震作用下導管架基礎結構特性分析

沈 駿

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

0 引言

導管架作為一種鋼結構，能較好地發揮其自重輕、塑性變形能力強和延性好的優點。由于鋼材的延展性，導管架基礎結構曾被認為能夠抵抗強烈的地震荷載。然而，1994年 1月17日美國加州San Fernando Valley北嶺地震中，陸域及附近海域大約有200多幢鋼框架結構出現破壞，1995年1月17日日本兵庫縣南部地區阪神地震中出現不同程度破壞的鋼結構建筑也高達988幢。本研究針對海上風電導管架基礎，運用大型通用有限元軟件ANSYS，對受到地震作用的導管架基礎進行強度校核，得到基礎的轉角、位移、強度，判斷結構的安全性和穩定性。

1 工程概況

本文以渤海某海上風電導管架平臺為例，上部結構采用NREL 5 MW風力發電機，風機高度為60 m，下部為四樁型導管架基礎結構，樁基礎為直樁，導管架基礎結構全部采用的DH36鋼圓管，整個工程處于水深為50 m的海域。4根樁按正方形進行布置，導管架分為4層，最頂層尺寸為8 m×8 m，最底層尺寸為12 m×12 m。斜撐以X型布置。每層均布置水平橫撐，導管架斜腿在高程為-44 m處改為垂直于地面的直腿，直至泥底高程-84 m處，其中泥面處高程為-50 m。塔筒底端、導管架基礎頂端的高程為20.15 m，塔筒高度為60 m，塔筒壁厚在30 mm～32 mm之間變化，符合文獻[1]～[3]對于5 MW上部風機塔筒壁厚通常在20 mm～40 mm之間的要求。圖1為海上風電導管架基礎結構示意圖。該結構從樁和導管獲得它的豎向和側向支承。導管架模型參數見表1。

表1 導管架模型參數

2 輸入地震波

目前，時程分析時輸入的地震波一般有典型的地震記錄、人工擬合地震波和擬建場地的實際地震記錄。如果能夠選用擬建場地的實際地震記錄，那這將對結構的動力分析是最精確合理的，但由于地震是隨機發生的，目前一般情況下擬建場地是很少有實際地震記錄的，即使能夠查找到本場地過去的地震信息，由于地震隨機性，也不能準確預測未來地震特性。所以目前大多數工程都是選用同類型場地已有地震波進行抗震設計。

地震波的選取參考文獻[4]中研究海洋環境下海上風電導管架基礎結構動力響應時所輸入的美國1994年位于Sylmar Converter站的Northridge地震波進行計算研究。其PGA(地震動加速度峰值)為6.74 m/s2，圖2為調幅后Northridge地震波東西、南北向的地震波加速度時程，即Ansys軟件中的X,Y向，計算步長取0.005 s，計算總時長取40 s。

3 結構動力響應分析

3.1 結構基本特性分析

采用ANSYS軟件中的Block Lanczos計算方法對包含風機塔筒在內的導管架基礎模型進行模態分析，機艙和風輪簡化為集中質量施加在塔筒頂部。在矩陣特征值計算時，由于低階模態在結構的動力響應中占主導地位，故本文只列出基礎結構的前6階模態，如表2所示，對應振型如圖3所示，避免下部基礎與上部機艙和風輪工作時產生共振，以保證結構建立的準確性與安全性。

由表2可見，基礎結構的一階和二階頻率相同，三階和四階頻率相同，這是因為結構是對稱的。對于海上風機基礎，通常應該設計為較低的自然周期3 s～5 s的范圍內，本文中的導管架基礎結構第一、二階頻率為0.289 91，周期在該范圍內，因此結構設計是合理的。圖3a)～圖3d)分別展示了不同方向和角度下的振型結果。由第一、二階振型可見，基礎結構中塔筒發生變形，其余部位變化不明顯，說明塔筒的剛度影響了結構的固有頻率。由第三、四階振型中可見，塔筒上、中、下部發生了彎曲，連帶著導管架基礎結構均發生了歪扭的現象，說明塔筒和導管架的剛度較大程度地影響著結構的第三、四階頻率。由第五、六階振型中可見，塔筒的變形不明顯，而底部的導管架基礎發生了較大的變形，樁基與塔筒連接處有較大變形，說明樁基的剛度對該階頻率影響較大。

目前海上風機機組的風輪多為三葉片式，因此風機與導管架基礎發生共振的主要激勵頻率是風機葉輪旋轉頻率的1倍和3倍頻率，在風機機組設計時，基礎結構的固有頻率應避開該頻率區間。由表1可知，NREL 5 MW風機葉輪的轉速范圍大約是6.9 rpm/min～12.1 rpm/min，對應的風機葉輪旋轉頻率的1倍工作頻率區間和3倍工作頻率區間分別為[0.12，0.2]和[0.36，0.6]。德國GL規范[5]要求激勵頻率與基礎結構整體的自振頻率差別應在5%以上，即本文基礎結構的允許頻率應該在[0.21～0.342]區間內。本文中導管架基礎結構的第一、二階頻率為0.289 91，在允許頻率區間之內，而且其三階及以上頻率也已遠遠避開激勵頻率區間，因此該基礎結構符合頻率要求，不會與風機發生共振，結構安全。

3.2 地震作用下平臺結構的響應

將地震波輸入海上風電導管架基礎結構模型中進行時程分析，采用6倍樁徑法[6]，將樁基在泥面下6倍樁徑深度處進行固結，約束各方向自由度。經計算，地震作用下海上風電導管架基礎結構塔筒頂端(367號節點)和基礎頂端(362號節點)的加速度時程、速度時程及其位移時程曲線分別如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，Northridge地震波輸入的前2.5 s加速度較小，海上風電導管架基礎結構的響應也較小。隨著Northridge地震波加速度強度的增強，塔筒頂端的X向位移第一波峰值出現在3.8 s左右，其后位移波峰值逐漸增加，在7.025 s時塔筒頂端出現X向最大位移為1.23 m，此時Y向位移為-0.44 m，隨著Northridge地震波加速度強度減弱，7 s后X向位移波峰值逐漸減小，直至平穩，20 s后基本穩定在0.01 m，并呈現小幅度的波動。與塔筒頂端X向位移相比，Y向塔筒頂端位移規律與X向位移類似但整體比X向位移偏小，塔筒頂端的Y向位移第一波峰值，也就是Y向最大位移出現在3.745 s為-0.46 m，此時X向位移為-0.61 m，在4.74 s時出現Y向塔筒頂端最大正向位移0.34 m，經過一段小幅波動后于6.98 s時出現另一個較大的Y向位移波峰值-0.41 m，隨著Northridge地震波加速度強度的減弱，7 s后Y向波峰值逐漸減小，20 s后基本穩定在0.02 m，并呈現小幅度的波動。由于施加地震波時沒有考慮豎向地震波，所以Z向位移響應較小，大約為3×10-13m，幾乎可以忽略不計。本文位移曲線形態規律與文獻[7]中相近，開始時有一段平穩期，位移逐漸增大直至最大，而后逐漸變小，也間接驗證了本文中的模型。

Northridge地震波X向加速度第一波峰出現在3.31 s，而塔筒頂端X向第一響應波峰出現在3.80 s，滯后了0.49 s，Northridge地震波Y向加速度第一波峰出現在3.39 s，而塔筒頂端Y向第一響應波峰出現在3.745 s，滯后了0.335 s，這說明結構響應峰值與地面加速度峰值相比，存在一定的滯后，與文獻[7]中規律一致。然而隨著Northridge地震波加速度強度的減弱，平臺結構響應仍出現幾次峰值，這說明雖然地面振動減弱，但是頻率接近結構自振頻率情況下，因此結構仍然能在激勵較小的情況下出現響應峰值。

與位移變化規律類似，速度隨時間變化規律也是先增加后減弱直至平穩。在4.915 s時塔筒頂端X向達到最大速度為-2.60 m/s，此時Y向速度為-0.21 m/s，在塔筒頂端X向位移最大時，X向速度為0.01 m/s，Y向速度為-0.33 m/s。3.465 s時塔筒頂端Y向達到最大速度-1.27 m/s，此時X向速度為1.47 m/s，在塔筒頂端Y向位移最大時，X向速度為1.54 m/s，Y向速度為-0.14 m/s。

塔筒頂端X向加速度在3.93 s達到最大值-10.37 m/s2，此時Y向加速度為2.71 m/s2，Y向加速度在7 s達到最大值10.25 m/s2，此時X向加速度為-7.30 m/s2，其變化規律與位移類似。受余震的影響，塔頂位移和加速度曲線仍在小幅度范圍內波動。位移最大時，速度已經減小至基本為0 m/s，加速度數值幾乎最大，但之后位移減小，速度變換方向，加速度數值逐漸減小。該規律符合牛頓力學理論，證明模擬結果是正確的。另外，從圖2中可以看出文中輸入的X向地震波加速度峰值比Y向大，而圖4中X向地震響應加速度峰值卻和Y向差不多，這是因為本文中X向和Y向地震波波頻譜特性不一樣。所以結構動力響應加速度不僅僅只與地震動峰值加速度有關，還與地震波波頻譜特性有著很大的關系。

由圖4，圖6可見，6.655 s時基礎頂端(即塔筒底端)X向最大位移為0.09 m，此時加速度為-6.51 m/s2。6.545 s時Y向最大位移為-0.10 m，此時加速度為5.01 m/s2。位移在20 s后穩定在0.00 m。基礎頂端X向加速度在3.93 s達到最大值-10.37 m/s2，此時X向位移為-0.087 m。基礎頂端Y向加速度在7.185 s達到最大值-6.28 m/s2，此時Y向位移為-0.09 m。然后加速度減小，15 s左右基本在0 m/s2附近波動。相比加速度的迅速減小，位移的衰減仍然需要一段時間，17 s之后幾乎達到較為穩定的幅值。與塔頂位移和加速度相比，基礎頂端的位移和加速度的幅值均有所減小，符合一般的力學規律。

從圖7中可以看出，X方向應力值最大，Z方向應力值最小，von mises應力隨著結構的高度變大而減小，除了個別單元局部區域出現應力集中的情況，越靠近樁底處，應力越大，在樁底處出現最大von mises等效應力135 MPa，高度為-57.98 m，滿足材料強度要求。由于X向Northridge地震波相較于Y向程度更大，所以結構任一節點的X方向應力和位移響應比Y方向大，Z方向最小。

4 結語

本文對海上風電導管架基礎結構建立了整體模型，并進行地震作用下該結構的動力響應分析，主要結論如下：

1)采用時程分析法輸入Northridge地震波，對海上風電導管架基礎結構進行動力響應分析，發現塔筒頂端位移最大，且塔筒頂端X向最大位移在出現7.025 s為1.23 m，此時Y向位移為-0.44 m，Y向最大位移在出現3.745 s為-0.46 m，此時X向位移為-0.61 m。位移隨時間變化呈先增加后來減弱直至平穩的規律，速度和加速度隨時間的變化規律與位移類似，且在20 s時已經保持在一個較為穩定的狀態。與Northridge地震波加速度峰值相比，結構響應峰值存在一定的滯后。與塔頂的位移和加速度相比，基礎頂端的位移和加速度幅值均有所減小，且在17 s左右開始進入穩定狀態；

2)輸入的X向地震波加速度峰值比Y向大，而X向地震響應加速度峰值卻和Y向差不多，這是因為本文中X向和Y向地震波波頻譜特性不一樣。結構動力響應加速度不僅僅只與地震動峰值加速度有關，還與地震波波頻譜特性有著很大的關系；

3)地震作用下導管架基礎結構X向應力較大，Y向和Z向應力較小，von mises應力隨著結構的高度增大而減小，除了個別單元局部區域出現應力集中，越靠近樁底處，應力越大，在樁底處出現最大von mises等效應力135 MPa，高度為-57.98 m，滿足材料強度要求。由于X向Northridge地震波相較于Y向程度更大，所以結構任一節點的X方向應力和位移響應比Y方向大，Z方向最小。