預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

現(xiàn)在，世界上可源危機和環(huán)境問題促進了可能源能源等可大規(guī)模開發(fā)利用。為了實現(xiàn)中國風(fēng)力發(fā)展的目標(biāo)，宮靖遠。地震荷載對高聳結(jié)構(gòu)的破壞通常是非常嚴(yán)重的,且由于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架質(zhì)量大,慣性力較大,對其抗震更為不利,故對風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析是很有必要的.Bazeos等由于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架具有穩(wěn)定性能好、抗腐蝕性能強、維修費用低、節(jié)約鋼材和現(xiàn)場加工方便等優(yōu)點,且隨著風(fēng)力發(fā)電機向單機大容量和海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架將有更為廣闊的前景.相對于鋼結(jié)構(gòu),混凝土高聳結(jié)構(gòu)的抗震性能較差,為此,針對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架,筆者在地震響應(yīng)分析中討論了工作用洞口的設(shè)置對塔架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,探討了不同的地震波入射角時塔架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng).結(jié)果表明,該塔架具有較好的抗震性能.1預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架有限元模型計算模型為2,MW的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架,高65,m,由22個不同橫截面積和不同壁厚的預(yù)制混凝土構(gòu)件組成,采用后張法使得預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土形成整體.該塔架參數(shù)如表1所示.利用ANSYS軟件建立預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架的有限元模型.塔架的實體部分使用C80混凝土,采用Solid65單元來模擬,普通鋼筋采用等效彈性模量的方法施加在混凝土單元上.塔架的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元來模擬,截面尺寸為11.84,cm2塔架模態(tài)分析大型風(fēng)力發(fā)電機多使用柔性塔架,其一階固有頻率一般比較接近葉輪激勵頻率,而高階固有頻率遠遠大于葉輪激勵頻率,不會同葉輪發(fā)生共振;因此進行模態(tài)分析時主要考慮的是塔架的一階固有頻率.由文獻[8]知,風(fēng)機有3個漿葉,由于掃掠面上部和下部的平均風(fēng)速不同,每轉(zhuǎn)1周塔架受激振動3次.本文中2,MW風(fēng)力發(fā)電機葉輪的標(biāo)定工作轉(zhuǎn)速為16.6,r/min,頻率為0.277,Hz,則作用在塔身上的軸向推力的頻率為0.831,Hz.采用上述塔架模型進行模態(tài)分析,結(jié)果如表3和圖2和圖3所示.由計算結(jié)果可見,塔架前兩階固有頻率為0.561Hz,這是由于塔架在沒有開洞的情況下,兩個主方向的質(zhì)量分布是相同的.前兩階模態(tài)的固有頻率均在0.277~0.831,Hz的安全頻率范圍之內(nèi),故所設(shè)計的塔架為“柔塔”.3地震響應(yīng)分析3.1地震波的輸入在地震響應(yīng)分析中,選取了認(rèn)可度較高的ELCentro波作為自由場地的基巖輸入為便于將數(shù)值分析結(jié)果與規(guī)范的設(shè)計值進行比較分析,對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架的地震波輸入乘以擴大系數(shù)1.35,即輸入地震波的幅值水平調(diào)整為2.43,m/s3.2塔架應(yīng)力分析地震波為EL2.43波.30節(jié)點位于距塔頂1/3處,60節(jié)點位于距基底1/3處,而90節(jié)點位于塔架的基底以上0.7,m處.圖6是塔架不同高度處的位移時程分析圖,可以看出,塔架頂端的位移幅值為20,cm,同一塔架位置越高的點,水平位移越大;且各高度處節(jié)點的位移時程變化規(guī)律基本一致.圖7是塔架不同高度處的豎向應(yīng)力時程分析圖,從圖中可以得出,塔架各高度處均未出現(xiàn)拉應(yīng)力;同一塔架位置越低的點,豎向壓應(yīng)力值越大,在基底出現(xiàn)最大壓應(yīng)力24,MPa,計算結(jié)果表明塔架截面按照變截面來設(shè)計是合理的.圖8是塔架30節(jié)點處水平位移頻譜圖和豎向應(yīng)力頻譜圖,從圖中可以得出,30節(jié)點高度處的水平位移幅值和豎向應(yīng)力幅值均發(fā)生在一階固有頻率處.地震波的施加也引起了塔架的高階振型,但仍以一階振型為主.3.3豎向應(yīng)力值與設(shè)計規(guī)范的比較根據(jù)文獻[10],可以求出塔架各分部的豎向應(yīng)力,并編制了優(yōu)化塔架設(shè)計模型的excel表格,主要的設(shè)計參數(shù)如下所述.(1)塔架剪力垂直方向的分布系數(shù)式中:z(2)塔架彎矩垂直方向的分布系數(shù)按照設(shè)計規(guī)范,地震時塔架各段截面內(nèi)的剪力值與彎矩值為式中:k(3)由塔架各段截面內(nèi)的軸力、彎矩和預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的豎向應(yīng)力值為式中:σ(4)不同塔架高度處,與地震波傳入方向平行的塔架對稱側(cè)的豎向應(yīng)力設(shè)計值為通過有限元仿真分析,可以得到時間點11.78,s時(最不利情況下),不同塔架高度處,與地震波傳入方向平行的塔架對稱側(cè)的豎向應(yīng)力有限元值.圖9為有限元值與按照設(shè)計規(guī)范得到的設(shè)計值的比較分析.塔架的有限元值在設(shè)計值的包絡(luò)線范圍內(nèi),可以說明日本的設(shè)計規(guī)范是偏安全的.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架沿高度方向未出現(xiàn)拉應(yīng)力,塔架的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在基底處,未超過35,MPa,滿足規(guī)范的要求.3.4工作用洞設(shè)置的影響在塔架結(jié)構(gòu)的底端往往設(shè)置工作用洞口,便于對發(fā)電設(shè)備等進行定期安全檢查.筆者根據(jù)文獻[10],設(shè)計了塔架的開洞尺寸,如圖10所示.塔架開洞的底端位于基礎(chǔ)以上2.25,m處,由于塔架底部開洞會對塔架的強度產(chǎn)生不利的影響,采用了貼補強鋼板的形式來加強洞口處.圖11為時間點10.78,s時(最不利情況下),工作用洞口設(shè)置后,塔架底部的豎向應(yīng)力分布圖和補強鋼板的Vonmiss應(yīng)力分布圖.計算結(jié)果表明,整個塔架的應(yīng)力最大值發(fā)生在開洞附近的個別微小區(qū)域,外露的預(yù)應(yīng)力鋼筋周圍產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.開洞后塔架結(jié)構(gòu)的最大豎向應(yīng)力值為33.2,MPa,補強鋼板的VonMiss應(yīng)力最大值為124,MPa,均滿足規(guī)范的要求.圖12和圖13分別為開洞對塔頂?shù)奈灰茣r程和基底的豎向應(yīng)力時程的影響圖.從圖中可以得出,開洞之后對塔架頂端的位移值影響很小,這表明工作用洞口的設(shè)置對塔架整體剛度的影響甚微.另外,工作用洞口的設(shè)置對未開洞一側(cè)的豎向應(yīng)力值影響較小,而對開洞一側(cè)的局部豎向應(yīng)力值影響比較大.在5,s之后,豎向應(yīng)力值能夠穩(wěn)定的變化,變化的周期與一階固有周期一致.開洞之后,塔架未開洞側(cè)和開洞側(cè)的豎向應(yīng)力值圍繞某一平均值呈對稱變化,未開洞一側(cè)豎向應(yīng)力值的平均值和幅值有所提高,而開洞一側(cè)豎向應(yīng)力值的平均值和幅值有所下降.3.5地震波向非正流波方向的影響圖14為沿不同方向輸入地震波,研究ELCentro波的不同入射角對塔架地震響應(yīng)的影響.考慮到塔架結(jié)構(gòu)的對稱性和地震波輸入方向上的相位差,當(dāng)從0°~360°輸入地震波時,可以等同為從0°~180°輸入地震波.θ為地震波輸入方向與洞口垂直向的夾角,不同方向輸入地震波時,即θ=0°、θ=30°、θ=45°、θ=60°、θ=90°、θ=120°、θ=135°、θ=150°和θ=180°.由圖14可知,當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎敕较蚝投纯诖怪毕虺?°或者180°夾角時,地震對塔架結(jié)構(gòu)影響最大.這是因為受開洞的影響,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架結(jié)構(gòu)沿開洞方向上剛度會下降;開洞會使洞口附近產(chǎn)生應(yīng)力集中;再加上當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎敕较蚝投纯诖怪毕虺?°或者180°夾角時,塔架在沿開洞方向上,其基底處的豎向應(yīng)力值最大.所以當(dāng)入射角為0°或者180°時,地震波對塔架結(jié)構(gòu)的影響最大.另外,由圖14還可得出,不同入射角地震作用時塔架結(jié)構(gòu)的抗震性能均是安全的.隨著θ值變大,開洞側(cè)和未開洞側(cè)的豎向應(yīng)力值的幅值均呈下降趨勢,而平均值保持穩(wěn)定.將圖13(a)與(b)曲線對比可知,未開洞一側(cè)的豎向應(yīng)力幅值大于開洞一側(cè)的幅值.4塔架結(jié)構(gòu)的幾何變參數(shù)分析本文采用數(shù)值模擬仿真技術(shù),對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架進行了模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析,討論了相關(guān)參數(shù)對地震響應(yīng)分析的影響.(1)塔架的一、二階固有頻率在安全頻率范圍之內(nèi),三階以后各階遠離標(biāo)定工作轉(zhuǎn)速,因此可以避免由葉輪脈動激勵的共振響應(yīng).(2)塔架結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力的有限元分析值,在設(shè)計指南得出值的包絡(luò)線范圍內(nèi),說明運用日本土木學(xué)會的設(shè)計指南進行設(shè)計是合理的.該設(shè)計指南提倡的方法不涉及復(fù)雜的有限元分析,具有便于工程人員進行實際設(shè)計工作的優(yōu)點,但其結(jié)果有過于安全的傾向.為了達到經(jīng)濟設(shè)計的目的,建議在條件允許的情況下采用本文提出的有限元分析方法.其簡單流程為對按照規(guī)范設(shè)計得出的塔架模型進行幾何變參數(shù)的有限元計算,并對計算結(jié)果進行分析,總結(jié)規(guī)律,進而實現(xiàn)對塔架的優(yōu)化設(shè)計.(3)塔架各高度處均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,在基底出現(xiàn)最大壓應(yīng)力;同一塔架位置越高的點,水平位移值越大,豎向壓應(yīng)力值越小,表明塔架截面按照變