張 磊，張 璇，王 皓，靳瀚杰，劉昕冉

（邯鄲市地震監(jiān)測(cè)中心, 河北 邯鄲 056000）

1 引言

當(dāng)前，中國(guó)天然能源消費(fèi)中約84.1%是化石能源，在生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域?qū)嵭泄?jié)能減排最強(qiáng)有力的方法就是發(fā)展非水新清潔能源，所以除海上風(fēng)電站的建設(shè)之外，理應(yīng)對(duì)中國(guó)陸上風(fēng)資源豐富地區(qū)如西北山地地區(qū)進(jìn)行更多的風(fēng)能開(kāi)發(fā)。此外，中國(guó)平原風(fēng)電的發(fā)展也趨飽和，將有越來(lái)越多的風(fēng)電項(xiàng)目被設(shè)立在高原山地地區(qū)。山地環(huán)境下風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的地震性能越來(lái)越引起行業(yè)關(guān)注。

Ishihara[1]等研究表明超高風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)屬于高柔體系，其地震影響在高階振型中較為明顯；Prowell[2]等通過(guò)振動(dòng)臺(tái)地震動(dòng)試驗(yàn)一定比例下的風(fēng)力發(fā)電鋼塔架模型，驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)擁有阻尼較低的特點(diǎn)且數(shù)值模擬方法對(duì)于此結(jié)構(gòu)分析的可行性；姚悅[3]通過(guò)建立裝配式鋼-混凝土混合塔架有限元模型，分析了混凝土段高度、預(yù)應(yīng)力大小、鋼塔筒壁厚等因素對(duì)塔架承載力的影響，結(jié)果表明混合塔架破壞模式為鋼塔筒發(fā)生屈曲破壞；Jennifer[4]等研究了預(yù)應(yīng)力混凝塔架的受力性能，塔筒結(jié)構(gòu)采用工程上常用的錐形塔筒，并與150 m 的錐形鋼塔筒相比，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力塔筒有更好的性能，且造價(jià)更低、更適用于大型風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)形式；畢繼紅[5]等研究表明預(yù)應(yīng)力混凝土風(fēng)電塔筒與傳統(tǒng)鋼塔筒對(duì)比，抗震優(yōu)勢(shì)更為明顯；周瑞權(quán)[6]等指出鋼-混凝土組合式風(fēng)力發(fā)電塔筒可以有效解決塔筒與風(fēng)機(jī)共振的問(wèn)題；戴靠山[7]等采用ABAQUS 軟件建立風(fēng)電塔精細(xì)化有限元模型，采用動(dòng)力時(shí)程法研究風(fēng)電塔在風(fēng)和地震這兩種荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明強(qiáng)震作用下，塔筒受高階振型控制，在塔筒上部容易形成全截面塑性鉸而發(fā)生倒塌破壞；趙志[8]等構(gòu)建鋼塔筒模型探究其在不同頻譜特性地震動(dòng)下塔筒的損傷分析，指出不同條件下的震動(dòng)波會(huì)使塔筒破壞位置也同樣發(fā)生變化。山地地震對(duì)風(fēng)電塔筒的地震響應(yīng)影響研究尚不多見(jiàn)。

本文以某140 m 高風(fēng)電機(jī)組功率為2.0 MW 的鋼-混凝土組合式風(fēng)力發(fā)電塔架為參照，運(yùn)用非線性時(shí)程分析法對(duì)其進(jìn)行地震響應(yīng)分析，探究此塔筒在平原地震和山地地震作用下的響應(yīng)，并研究山地地震與平原地震對(duì)鋼-混凝土組合式風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的影響差異。

2 有限元模型的建立

某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組采用140 m 鋼-混凝土組合式塔架，上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)總重為168.6 t，鋼-混凝土組合式塔架主體結(jié)構(gòu)分為2 部分；上半部塔筒主要材料為Q345 純鋼塔筒其高為117 m，塔筒底端內(nèi)徑為4.31 m、頂端為3.05 m，塔壁沿厚度由45 mm 高度逐漸變?yōu)?5 mm；下半部塔筒主要材料為C60 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)其高為21.60 m。結(jié)構(gòu)總高度為140 m，鋼筋混凝土部分底端內(nèi)徑為7.2 m、頂端為3.9 m，厚度從400 mm 逐步漸變?yōu)?00 mm。鋼-混凝土組合過(guò)渡段參考許斌[9]等人給出的一種優(yōu)化后的過(guò)渡段，研究表明此過(guò)渡段有更好的性能，并用此連接段將鋼塔筒和混凝土塔段通過(guò)法蘭連接在一起。對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致化建模，利用有限元軟件建模，具體圖形及尺寸如圖1；過(guò)渡段三視圖以及剖面圖如圖2 所示。用六面體實(shí)體單元賦予鋼筒部分、過(guò)渡段法蘭和混凝土塔筒屬性，用三維桿單元賦予普通鋼筋與其他線性鋼材屬性。

圖1 塔架有限元模型以及詳細(xì)尺寸（單位：mm）Fig. 1 Tower finite element model and detailed dimensions

圖2 過(guò)渡段三視圖及剖面圖尺寸（單位：mm）Fig. 2 Three views and section dimensions of the transition section

Ishihara[1]等研究表明，考慮到風(fēng)葉的精密化模型和將風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)看作集中質(zhì)量的簡(jiǎn)化模型在地震時(shí)間序列分析結(jié)果存在一些差異，本文中的研究實(shí)例為已建成鋼-混凝土組合式塔架，此塔架并無(wú)公開(kāi)的風(fēng)葉和風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)。Murtagh[10]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)以及風(fēng)葉的體積、形狀等因素對(duì)塔筒震動(dòng)特性只有細(xì)微的影響。本文重點(diǎn)為組合式風(fēng)力發(fā)電塔架的地震響應(yīng)分析，不考慮荷載作用下風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)塔筒的受力影響，故未將風(fēng)葉等納入建模范圍內(nèi)。因此，選擇采用一個(gè)偏心質(zhì)量點(diǎn)代替上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)并采取剛性耦合的方式與頂部連接[11]。此模型中偏心質(zhì)量點(diǎn)位于塔筒頂端斜上方，距塔筒中線偏心2.38 m。且本文主要研究塔筒在山地地震下的動(dòng)力響應(yīng)，故不考慮上部結(jié)構(gòu)與土的相互作用，塔架底部直接與地面剛接（圖1）。對(duì)于此種組合式塔筒，鋼塔筒和混凝土連接處由于混凝土與鋼的屬性差異較大，其剛度變化也會(huì)較大以影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此需要精細(xì)建模塔筒過(guò)渡段、鋼絞線法蘭等結(jié)構(gòu)。本文主要研究山地地震下塔架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，故不考慮樁土作用以及下部基礎(chǔ)對(duì)于塔筒的影響，因此假設(shè)結(jié)構(gòu)底部為固定約束?；炷敛糠植捎?C60 混凝土，物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of concrete

根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]計(jì)算該結(jié)構(gòu)的塑性損傷，并選用有限元軟件中混凝土塑性損傷（CDP）功能進(jìn)行分析，該模型能考慮反復(fù)拉壓荷載作用下造成的混凝土損傷導(dǎo)致永久性的性能改變和混凝土的拉壓損傷。選用極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa 且張拉預(yù)應(yīng)力為1280 MPa 的鋼絞線，其橫截面積為181.3664 mm2。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線并未達(dá)到屈服應(yīng)力，故用線彈性模型構(gòu)建鋼絞線。塔筒鋼材料部分選用HRB400 和Q345 鋼筋且為理想彈塑性模型，鋼材的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼材物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of steel

3 山地地震動(dòng)作用下的風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

3.1 地震動(dòng)的選擇

為深度了解山地震動(dòng)與平原地震對(duì)于鋼-混凝土組合式塔架地震作用的影響，挑選相同場(chǎng)地環(huán)境下不同地區(qū)的地震動(dòng)，8 度罕遇地震作用下二級(jí)場(chǎng)地環(huán)境的規(guī)范反應(yīng)譜，從美國(guó)太平洋中心數(shù)據(jù)庫(kù)（Pacific Earthquake Engineering Research Center）中挑選3 條地震波作用于組合式塔架并對(duì)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。地震波選擇參數(shù)：矩震級(jí)為7.5～8.5 之間，震中距在20～100 km 之間，地震主震動(dòng)時(shí)間控制在25～45 s 之間（結(jié)構(gòu)自振周期的 5～10 倍之間）。各條地震波的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比情況如圖3 所示。由圖中所示實(shí)際波的影響系數(shù)較為離散，但與規(guī)范譜在統(tǒng)計(jì)意義上較為吻合。并根據(jù)測(cè)站和地震發(fā)生地區(qū)選擇一條更為貼近中國(guó)山地地震動(dòng)的地震波。

圖3 周期地震動(dòng)反應(yīng)譜Fig. 3 Periodic ground motion response spectrum

3.2 非線性動(dòng)力響應(yīng)分析

為更細(xì)致地分析對(duì)比塔筒各階段水平側(cè)移和加速度時(shí)程曲線，選擇塔筒鋼段3 個(gè)等分點(diǎn)作參考。圖4～6 為3 條地震波下塔筒81.5 m 處、110.75 m 處以及塔筒頂部水平側(cè)移時(shí)程圖，并分別選擇其最大水平側(cè)移值做對(duì)比（圖7）。

圖4 平原地震波1 下塔筒水平側(cè)移Fig. 4 Horizontal and lateral movement of tower under plain Seismic wave 1

圖5 平原地震波2 下塔筒水平側(cè)移Fig. 5 Horizontal and lateral movement of tower under plain Seismic wave 2

圖6 山地地震波下塔筒水平側(cè)移Fig. 6 Horizontal and lateral movement of tower under mountain Seismic wave

圖7 地震波下塔筒最大水平側(cè)移值對(duì)比Fig. 7 Comparison of maximum tower horizontal and lateral movement under Seismic wave

從圖7 中可看出，在平原地震波作用下塔筒最大水平側(cè)移分別為116.5 mm 和67.3 mm，山地地震波作用下塔筒最大水平側(cè)移為98.8 mm，均小于1/100 的塔筒總高度，說(shuō)明塔筒具有足夠的抗側(cè)剛度儲(chǔ)備。山地地震波作用下鋼塔筒段水平側(cè)移增長(zhǎng)系數(shù)略高于平原地震波作用下的水平側(cè)移增長(zhǎng)，分別高出平原地震波1 號(hào)32%和平原地震波2 號(hào)21%，這表明塔體上半段對(duì)于山地地震反應(yīng)較為敏感，在山地塔筒設(shè)計(jì)中需要予以重點(diǎn)考慮。3 條地震波下的塔筒加速度時(shí)程和各節(jié)點(diǎn)加速度最大值，即過(guò)渡段、鋼塔筒81.5 m、110.75 m 和塔頂處加速度最大值的對(duì)比如圖8 所示：

圖8 地震作用下塔筒各段加速度最大值Fig. 8 Maximum acceleration of each section of the tower under earthquake action

由圖8 看出，山地地震波作用下塔筒各處的加速度值均大于平原地震波下的加速度值。對(duì)比3 條加速度折線的增長(zhǎng)趨勢(shì)可看出，相對(duì)于平原地震波作用下塔筒在山地地震波影響下塔筒110.75 m 處的加速度最大值小于81.5 m 處的加速度最大值。證明此塔筒可能會(huì)由于山地地震作用導(dǎo)致塔筒中上部分發(fā)生損傷可能性較大，因此在山地風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)際工程設(shè)計(jì)和建造中應(yīng)提前考慮。

4 結(jié)論

本文參考140 m、2.0 MW 鋼-混凝土組合式風(fēng)電塔筒，采用有限元分析軟件建立了風(fēng)電塔筒的精細(xì)化數(shù)值模型，使用非線性時(shí)程分析法探究了鋼-混凝土組合式風(fēng)電塔筒在平原地震和山地地震作用下的地震響應(yīng)分析。

1）塔筒各段的水平側(cè)移隨高度增長(zhǎng)而增大，山地地震作用下鋼-混凝土組合式塔筒的水平側(cè)移增長(zhǎng)系數(shù)略高于平原地震下的水平側(cè)移增長(zhǎng)速度，分別為32%和21%，說(shuō)明山地風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)在地震作用下可能存在塔筒水平側(cè)移增長(zhǎng)過(guò)快的風(fēng)險(xiǎn)。

2）山地地震作用下鋼-混凝土組合式塔筒的加速度各點(diǎn)均高于平原地震下的加速度值，對(duì)于塔筒結(jié)構(gòu)各處的荷載和損傷也更大，山地風(fēng)電項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中需要對(duì)鋼-混凝土組合式塔筒的地震響應(yīng)做出對(duì)策。

3）山地地震作用下鋼-混凝土組合式塔筒加速度在110.75 m 處低于81.5 m 處，山地地震作用下鋼塔筒中上部的響應(yīng)也較大，說(shuō)明山地地震波相較于平原地震波對(duì)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的加速度相應(yīng)影響更為顯著，深入探究山地地震作用下的塔筒響應(yīng)是迫切且有必要的。