基于IDA的鋼-混凝土混合風電塔筒地震易損性分析

摘要：為研究鋼-混凝土混合風電塔筒的抗震性能，基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土混合風電塔筒二維數值模型，先依據推覆分析結果確定塔筒的5種損傷狀態限值，然后分別以截面曲率和考慮高階振型的復合地震動強度參數IM1Iamp;2E作為結構需求參數和地震動強度參數，接著選取20條地震動記錄進行塔筒的增量動力分析，建立塔筒的地震易損性曲線，并對塔筒的抗震性能進行評估。結果表明：混合塔筒模型的損傷程度與地震動強度參數呈正相關，其抗震性能可滿足Ⅶ度（0.15 g）地震作用下的抗震要求，但在Ⅷ度罕遇地震作用下及處于更高烈度區的風電塔筒應當進行專門的抗震設計。

關鍵詞：風電塔筒；增量動力分析；高階振型；結構需求；地震易損性

中圖分類號：TU317文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0627-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0050

0引言

風電是重要的可再生能源，2022年全球新增風電并網容量達77.6 GW，風電總裝機容量達906 GW，比2021年增長9%（Global Wind Energy Council，2023）。我國風電產業正處在高速發展階段，總裝機容量和新增裝機容量均處于世界前列。值得注意的是，我國雖然是地震多發國，但在高烈度地區，對風電設備的建設也有著相當大的需求，因此，風電塔筒的地震風險不容忽視。風電塔筒結構上部機艙及葉片的重量比較大，在地震作用下塔筒可能會發生過大變形，經濟損失不可估量，因此，研究塔筒的地震響應并開展地震易損性分析具有重要意義。

近年來，各種類型風電塔筒的地震易損性問題開始受到國內外學者的關注。Patil等（2016）針對一座風機鋼塔筒結構進行了地震易損性分析，指出了整體屈曲、基礎傾覆、首次屈服、永久變形4種極限狀態，其中基礎傾覆最為關鍵且近場地震更容易引起風機的破壞。曹雨奇等（2018）以水平位移角作為損傷指標，對體外預應力混凝土塔筒進行地震易損性分析，分析了該類型塔筒在Ⅶ度多遇地震條件下的損傷情況。王浩（2020）和梁睿（2019）分別對鋼-混凝土混合塔筒及混凝土塔筒進行振動損傷機理研究，發現在地震動作用下，塔筒的損傷范圍從塔筒底部逐漸向上延伸，損傷程度最大的區域集中在塔筒底部與基礎相接處的位置。戴靠山等（2018）開展了某風力發電塔架縮尺模型振動臺試驗，指出塔筒在地震作用下會產生高階振型效應。

結構地震易損性分析的關鍵在于地震動強度參數的選擇，目前人們對風電塔結構地震易損性的研究中常選用譜加速度Sa、峰值加速度PGA。葉列平（2009）的研究表明，Sa不太適用于多自由度結構的抗震分析，而PGA僅適用于短周期結構，無法較好地反映中長周期結構的地震響應。風電塔筒較為細長，是典型的中長周期結構，為使模擬結果更加精準，本文采用張超和申彥利（2017）提出的考慮了結構高階振型效應的復合參數IM1Iamp;2E作為地震動強度參數，運用OpenSees分析軟件建立鋼-混凝土混合風電塔筒二維數值模型，基于推覆分析確定各損傷狀態的限值，以截面曲率作為結構需求參數，選取20條真實的地震動記錄進行塔筒的增量動力分析，建立塔筒的地震易損性曲線并對其進行評估，以期為鋼-混凝土混合塔筒的抗震設計以及抗震加固提供參考。

1工程研究對象

為研究地震作用下鋼-混凝土混合風電塔筒的抗震性能，本文選取建于Ⅶ度設防區的某鋼-混凝土混合風電塔筒（圖1）為研究對象。風電塔所在地的設計基本地震加速度為0.15 g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。該塔總高度為121.5 m，下部為80 m的混凝土塔筒，上部為40 m的鋼筒，兩者中間為高度1.5 m的鋼混過渡段，塔筒上方機艙及葉片的總質量為215 t。混凝土筒段底部直徑為6 m，頂部直徑為4 m，鋼筒段底部直徑為3.5 m，頂部直徑為2.6 m，筒身壁厚沿高度均勻變化，各筒段截面形式為均勻漸變形式。

2數值模型建立

鋼-混凝土混合塔筒的計算使用OpenSees進行建模，建模中將風電塔簡化為底部固結的單懸臂結構，塔筒上部機艙及葉片的質量簡化為集中質量施加于塔筒頂部，筒身的分布質量等效為節點質量。風電塔筒尺寸示意圖及計算簡圖如圖2所示。

2.1單元及纖維劃分

眾多學者在橋梁高墩的研究中使用纖維梁柱單元進行建模。曹雨奇等（2018）在體外預應力混凝土風力發電塔的研究中指出纖維梁柱單元建模技術可在相似結構的分析中使用。為確保模型的準確性，本文根據前人的建模理論，使用基于位移的纖維梁柱單元模擬筒身，沿高度方向每5 m劃分一個單元，其中鋼混過渡段單獨設置一個單元，其長度為1.5 m，每個單元設置兩個積分截面；單元截面使用纖維截面進行模擬，混凝土筒段沿圓周方向劃分120個纖維，徑向劃分6個，共計720個纖維；鋼筒段和過渡段沿圓周方向劃分120個纖維，徑向劃分1個，共計120個纖維；混凝土筒段的縱向鋼筋根據內外圈鋼筋的數目、截面面積以及位置建立相應的纖維，如圖3所示。

2.2材料本構參數

混凝土段纖維截面根據約束條件分為保護層混凝土和核心區混凝土，其材料強度等級為C60，選用OpenSees材料庫中的Concrete 02材料進行模擬，其本構參數選擇Kent-Scott-Park模型（Scott et al，1982）計算，該模型考慮了箍筋約束對混凝土強度的增強作用。混凝土筒段鋼筋的強度等級為HRB400，鋼筒段鋼材為Q345鋼，兩者用材料庫中的Steel 02材料進行模擬，本構參數選用Giuffre-Menegotto-Piano模型（Menegotto，Pinto，1973）進行計算。兩種模型的本構關系如圖4a、b所示，ε₀為混凝土峰值應變，ε_u為混凝土極限壓應變，f_c為混凝土抗壓強度，f_cu為極限抗壓強度，E_c為混凝土彈性模量，E_tc為受拉軟化剛度，λ為卸載剛度比，f_t為抗拉強度，f_y為屈服強度，E為彈性模量，E_p為屈服后的模量，各參數具體值見表1、2。

2.3Pushover分析及損傷極限狀態的確定

結構的損傷指標是用來定義結構損傷狀態的物理量，它代表著結構的抗震能力。在地震易損性研究中常用的損傷指標有位移指標、曲率指標等。多數橋梁高墩的研究表明（梁智垚，2007；肖明洋，2013；趙志宏，2021；石巖等，2022），高墩在地震作用下會產生高階振型效應，此時墩頂位移與控制截面曲率不再滿足對應關系，如果采用位移損傷指標進行地震易損性分析則會有較大誤差，此時結構的損傷狀態不能通過位移指標表現。而風電塔筒與高墩類似，具有周期長、柔度大的特性，位移指標不能充分體現塔筒的損傷狀態。從材料角度來看，材料應變可以充分反應結構的彈塑性損傷狀態，但其計算量龐大，需要分析結構中每根纖維的響應；為簡化計算，本文選用可以體現應變關系的截面曲率作為結構損傷指標。相關研究（王浩，2020；丁立勇，2018）表明，在地震作用下塔筒基底位置的損傷程度最大，因此，本文選取塔筒底截面作為控制截面進行地震易損性分析。

對模型進行推覆分析（Pushover分析）得到基底剪力與頂點位移曲線如圖5a所示。Pushover分析采用頂點位移加載模式，當加載至傾覆時，分析塔筒的變形和應力應變可知，筒身底部位置處變形最為顯著，鋼筒段及鋼混過渡段不會發生屈曲破壞，由此可知，塔筒的脆弱部位在底部。根據基底剪力與頂點位移曲線的特性，提取出4個性能點分別對應4種極限狀態LSi，同時參考《建（構）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335—2009）中的定義將塔筒的損傷狀態劃分為完好、輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷、完全破壞5種損傷狀態，各極限狀態對應的曲率值見圖5b，各損傷狀態描述見表3。

3易損性分析中主要參數確定及處理

3.1地震波選取

對于增量動力分析而言，地震波的選擇對模擬結果有較大影響。為使模擬結果更加精準，本文根據地震波的峰值、頻譜特性、持時三種特性，結合《建筑抗震設計規范》（GB 50010—2010），從美國太平洋地震工程研究中心（PEER）強震數據庫中選取80條地震波記錄，根據各主要振型周期內加速度值相差不超過20%的原則（謝豐蔚，2015），從中挑選出20條與設計反應譜相匹配的地震波記錄（表4）做譜分析，其反應譜曲線如圖6所示。

3.2地震動強度參數的確定

目前結構地震易損性分析中大多采用地面峰值加速度PGA和譜加速度Sa，其中PGA的應用最為廣泛。葉列平等（2009）的研究指出，在中長周期范圍，結構地震響應與PGA的相關程度較小，PGA無法較好地模擬中長周期結構的地震響應，

4風電塔筒的地震易損性分析

4.1地震易損性曲線建立

5結論

本文基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土風電塔筒二維數值模型，以復合參數IM1Iamp;2E作為地震動強度指標，以截面曲率作為損傷指標，用增量動力分析方法建立了塔筒在20條地震波作用下的易損性曲線，根據易損性分析結果得出如下結論：

（1）塔筒的損傷程度與地震動強度參數呈正相關態勢，在相同地震動強度參數下，塔筒發生輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷和完全破壞的概率依次減小。

（2）該風電塔所在區域地震動強度參數IM1Iamp;2E值為0.25，塔筒輕微損傷的概率為89%，發生中等損傷的概率為11%，其它損傷狀態概率基本為0，可以滿足該地區抗震設防要求。

（3）在Ⅷ度罕遇地震（0.4 g）作用下塔筒會發生一定程度的損傷，對于高烈度地區的風電塔，建議綜合考慮經濟成本及經濟效益，合理選擇抗震設計。

參考文獻：

曹雨奇，陽榮昌，劉慧群，等.2018.體外預應力混凝土風力發電塔地震易損性分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），46（11）：1501-1507.

Cao Y Q，Yang R C，Liu H Q，et al.2018.Seismic fragility analysis for external prestressed concrete wind tower［J］.Journal of Tongji University（Natural Science），46（11）：1501-1507.（in Chinese）

戴靠山，毛振西，趙志，等.2018.不同頻譜特性地震動下某風電塔響應振動臺試驗研究［J］.工程科學與技術，50（3）：125-133.

Dai K S，Mao Z X，Zhao Z，et al.2018.Shaking table test study on seismic responses of a wind turbine under ground motions with different spectral characteristics［J］.Advanced Engineering Sciences，50（3）：125-133.（in Chinese）

丁立勇.2018.基于IEM效應的混凝土塔筒動態損傷機理研究［D］.鄭州：華北水利水電大學.

Ding L Y.2018.Study on dynamic damage mechanism of concrete tower based on IEM effect［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

梁睿.2019.風電機組混凝土塔筒受力機理及模型試驗研究［D］.鄭州：華北水利水電大學.

Liang R.2019.Research on the mechanism of stress and model test of concrete tower of wind turbine［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

梁智垚.2007.非規則高墩橋梁抗震設計理論研究［D］.上海：同濟大學.

Liang Z Y.2007.Study on seismic design theory of irregular girder bridges with high piers［D］.Shanghai：Tongji University.（in Chinese）

石巖，張智超，李軍，等.2022.考慮內力狀態的大跨高墩連續剛構橋地震易損性分析［J］.地震研究，45（1）：8-16.

Shi Y，Zhang Z Ch，LI J，et al.2022.Seismic fragility of the long-span，continuous，rigid-frame bridge with high-rise pier involving the state of the internal force［J］.Journal of Seismological Research，45（1）：8-16.

王浩.2020.鋼-混凝土組合塔筒振動損傷機理研究［D］.鄭州：華北水利水電大學.

Wang H.2020.Research on Vibration damage Mechanism of Steel-concrete composite tower［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

肖明洋.2013.高墩混凝土連續剛構橋地震易損性分析［D］.成都：西南交通大學.

Xiao M Y.2013.Seismic vulnerability analysis for concrete continuous rigid bridge with high piers［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University.（in Chinese）

謝豐蔚.2015.地震動記錄選擇和調幅方法的研究及評價［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學.

Xie F W.2015.Study and evaluation on selecting and scaling of ground motions［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology.（in Chinese）

葉列平，馬千里，繆志偉.2009.結構抗震分析用地震動強度指標的研究［J］.地震工程與工程振動，29（4）：9-22.

Ye L P，Ma Q L，Miao Z W.2009.Study on earthquake intensities for seismic analysis of structural［J］.Earthquake Engineering and Engineering Dynamics，29（4）：9-22.（in Chinese）

張超，申彥利.2017.高墩抗震性能評估的適用地震動強度參數研究［J］.防災減災工程學報，37（1）：9-16.

Zhang C，Shen Y L.2017.Research on appropriate intensity measure of tall pier seismic performance estimation［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，37（1）：9-16.（in Chinese）

趙志宏.2021.橋梁高墩地震易損性分析的適用損傷指標研究［D］.邯鄲：河北工程大學.

Zhao Z H.2021.Research on damage lndex for seismic fragility analysis of high bridge pier［D］.Handan：Hebei University of Engineering.（in Chinese）

GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

GB 50011—2010，Code for seismic design of buildings［S］.（in Chinese）

GB/T 24335—2009，建（構）筑物地震破壞等級劃分［S］.

GB/T 24335—2009，Classification of buildings for earthquake damage［S］.（in Chinese）

Choi E，DesRoches R，Nielson B.2003.Seismic fragility of typical bridges in moderate seismic zones［J］.Engineering Structures，26（2）：187-199.

Global Wind Energy Council.2003.Global Wind Energy Report 2023［R］.

Menegotto M，Pinto P E.1973.Method of analysis of cyclically loaded RC plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under normal force and bending［R］.Preliminary Report IABSE.

Patil A，Jung S，Kwon O S.2016.Structural performance of a parked wind turbine tower subjected to strong ground motions［J］.Engineering Structures，120：92-102.

Scott B D，Park R，Priestley M J N.1982.Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates［J］.Aci Structural Journal，79（1）：13-27.

Wen Y K，Ellingwood B R，Veneziano D，et al.2003.Uncertainty modeling in earthquake engineering（white paper）［R］.ProjectFD-2 Report.Mid-America Earthquake Center，University of Illinois at Urbana-Champaign，Urbana，Illinois.

Seismic Vulnerability Analysis of Steel-concrete Hybrid Wind Turbine

Tower Based on Incremental Dynamic Analysis

SHEN Yanli1，2，CHENG Jianhu1，ZHANG Weijie1

（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，Hebei，China）

（2.Hebei Provincel Prefabricated Structure Technology Innovation Center，Handan 056038，Hebei，China）

Abstract

Based on the theory of the elastic-plastic fiber-beam-column element，a two-dimensional numerical model of a steel-concrete hybrid wind turbine tower is established to study the towers aseismic performance.The limit values of five damage states of the tower are determined according to the results from the pushover analysis，then the sectional curvature is used as the structural demand parameter，and IM1Iamp;2E，which considers the higher order modes，is used as the composite ground motion intensity parameter.Twenty ground motion records are selected for the incremental dynamic analysis of the tower to establish the seismic vulnerability curves of the tower for the evaluation of the seismic performance of the tower.The results show that the hybrid tower model can meet the aseismic requirements for an Intensity Ⅶ（0.15 g）earthquake，and a special aseismic design should be taken into account when the tower is under the action of rare earthquakes（Intensity Ⅷ or over）or when the tower is located in the higher intensity areas.

Keywords：wind turbine tower；incremental dynamic analysis；higher order modes；structural demand；seismic vulnerability