風(fēng)力發(fā)電高熱系統(tǒng)地震動力響應(yīng)分析

人們使用風(fēng)力可以追溯到3000年前。當時，古人使用風(fēng)力船和谷倉。但是,現(xiàn)代商業(yè)風(fēng)力發(fā)電機只是在1970年石油危機后因能源供應(yīng)安全及多元化的壓力而逐漸出現(xiàn)。之后,隨著世界可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心,風(fēng)能技術(shù)作為成熟的可再生能源技術(shù)之一獲得了飛速發(fā)展。為了更有效地利用風(fēng)能,現(xiàn)代風(fēng)力機傾向于采用更高的單機容量和離地距離,工作環(huán)境也由陸地遷往海洋。相應(yīng)地,對風(fēng)力機支撐結(jié)構(gòu)(塔體和基礎(chǔ))的要求也更加嚴格,從而對研究者和工程師提出了更大的挑戰(zhàn)。此外,現(xiàn)代商業(yè)風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)起源于北歐,那里并非為地震活躍地區(qū),因此在設(shè)計中更關(guān)注風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的風(fēng)荷載動力響應(yīng)。然而,隨著愈來愈多的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)在地震活躍地區(qū)興建,因此有必要對其在地震作用下的破壞及倒塌做合理的分析。已有部分研究者對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)建模及動力分析進行了研究。例如:1981年,Lobitz提出了風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的質(zhì)量-阻尼-彈簧模型,將槳葉和塔體都離散為多自由度質(zhì)點系,然后借助通用軟件Nastran進行了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載動力時程分析。2002年,Bazeos等對前人的模型進行改進,將塔體分三段建模,尺寸由上而下逐漸增大,而每段則具有相同的尺寸,段與段之間設(shè)漸進過渡段。Bazeos等進行了地震荷載動力時程分析,并初步考慮了土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI)的影響,最終認為土-結(jié)構(gòu)相互作用對整個系統(tǒng)結(jié)果有顯著的影響。但是Bazeos等的分析仍然局限于粗糙的質(zhì)量-阻尼-彈簧模型。2003年,Lavassas等提出了另一個考慮SSI效應(yīng)的有限元模型,通過在基礎(chǔ)和土體之間設(shè)置接觸單元來模擬SSI影響。令人遺憾的是,Lavassas等只進行了靜力分析而未涉及動力分析,故其結(jié)論“是否考慮SSI效應(yīng)對系統(tǒng)結(jié)果影響不大”說服力不夠。2004年,Murtagh等提出了一種基于剪力傳遞的槳葉和塔體耦合有限元模型,明確了槳葉和塔體的耦合機制,并對結(jié)構(gòu)進行了風(fēng)荷載動力時程分析。但是,Murtagh等在考慮槳葉和塔體耦合時忽略了二者之間的彎矩、扭矩和軸力的傳遞,同時,Murtagh等也未考慮SSI效應(yīng)。從上述研究不難發(fā)現(xiàn),已有學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)“槳葉-塔體”或者“塔體-基礎(chǔ)”有限元建模進行了探索。然而,迄今為止還很少有學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進行“槳葉-塔體-基礎(chǔ)”一體化建模的研究,尤其缺乏在一體化建模基礎(chǔ)上進行的地震作用動力時程分析。此外,Bazeos等和Lavassas等關(guān)于SSI效應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的影響不一致的結(jié)論使得這個問題有待進一步研究?；诖?本文首先對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進行了“槳葉-塔體-基礎(chǔ)”一體化建模;然后對其進行了地震作用動力時程分析;最后就SSI效應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的影響進行了評價。1建立地震動自然過程模型地震時,由震源產(chǎn)生的地震波是一個隨時間變化的地震過程。這一過程經(jīng)過地球介質(zhì)的傳播,其波形將發(fā)生復(fù)雜的變化。對于給定的場地,地表面及地表面以下一定范圍內(nèi)各點的地震動可以用地震動位移、地震動速度或地震動加速度時間過程表示。通常,對于近場強地震動記錄,實際觀測的是地震動加速度過程,因此,地震動模型通常是指地震加速度模型。大量實際地震觀測結(jié)果表明:地震動加速度時間過程具有典型的非平穩(wěn)性質(zhì)。對于非平穩(wěn)隨機激勵模型,按照經(jīng)典的相關(guān)函數(shù)或功率譜密度方法建模是相當困難的,其結(jié)果也具有明顯的近似性。經(jīng)典的隨機過程建模理論,在本質(zhì)上是采用現(xiàn)象學(xué)的方式進行模型構(gòu)建,由于不觸及研究對象的物理背景,這類建模原則帶來了一系列的局限性:1)這種數(shù)值特征意義上的建模,必然難以描述隨機過程的細部特征與結(jié)構(gòu);2)為了使譜結(jié)構(gòu)建模得以實施,引入平穩(wěn)過程的概念和各態(tài)歷經(jīng)假定;3)隨機過程與其樣本描述之間的關(guān)系是不清晰的,在構(gòu)成隨機過程背景的樣本集合與隨機過程理論描述之間,缺乏自然、明確的邏輯橋梁。換句話說:在現(xiàn)象學(xué)的建模途徑中,找不到兩者之間的一一對應(yīng)關(guān)系。因此,按照上述建模途徑,很難正確解決隨機動力系統(tǒng)分析的一系列問題,例如:結(jié)構(gòu)非線性隨機響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)動力可靠性評價等。然而,將動力激勵的物理背景引入到隨機系統(tǒng)研究中來,建立基于物理的隨機過程(場)模型,有助于克服上述局限性,也有助于解決隨機動力系統(tǒng)研究中的一系列難題?；谶@一思想,應(yīng)用隨機Fourier函數(shù)xF(ω),可以從對地震動發(fā)生機制的物理理解建立地震動隨機激勵模型[6―7]:式中:隨機過程X(t)是樣本x(t)的集合;η為影響隨機激勵發(fā)展過程且具有物理意義的隨機變量或隨機向量。從地震地面運動的傳播過程考察,地震動過程主要受地震震級、地震波傳播途徑、場地條件等因素影響。由于這些因素為不可控制因素,導(dǎo)致觀測到的地震動過程具有顯著的隨機性特征。如果暫不考慮地表震級與傳播途徑的影響,而把考察對象放在具體場地的地震動傳播機制方面,則可以建立起地表地震動與基巖輸入地震動、場地固有周期以及場地等效阻尼比之間的物理關(guān)系。不失一般性,將實際工程場地模擬為等價單自由度體系(圖1),則此體系在一維地震動輸入時的動力方程可以表示為:式中分別為地表處一點的絕對加速度、絕對速度和絕對位移;ωg、ξg分別為等價單自由度體系的頻率與阻尼比分別為基巖輸入地震動速度與位移。對式(2)兩邊取Fourier變換,可得:因此,頻域傳遞函數(shù)可由下式表達:又存在關(guān)系式:則在頻域范圍內(nèi),線性單自由度體系的地震加速度反應(yīng)可以表示為:式中為輸入地震動加速度。引入上述隨機Fourier譜的概念,式(6)可轉(zhuǎn)化為:式中η0為輸入隨機變量。gF(η0,ω)可以根據(jù)震源物理機制、地震動衰減關(guān)系確定,也可以根據(jù)基巖地震動記錄統(tǒng)計給出。對于工程地震動,可以假定地震動輸入能量密度具有如下形式:式中0F為輸入Fourier譜的幅值。根據(jù)532條地震動加速度記錄,假定各變量服從對數(shù)正態(tài)分布,采用基于系統(tǒng)特征值的建模準則,識別給出的各變量均值如表1所示。2結(jié)構(gòu)的基本特征和有限模型2.1槳葉結(jié)構(gòu)及塔底結(jié)構(gòu)本文模型原型是1.25MW三槳葉變槳距風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)。從整體上看,該系統(tǒng)由三片旋轉(zhuǎn)槳葉、機艙、塔體和基礎(chǔ)構(gòu)成。三片旋轉(zhuǎn)槳葉均勻匯集于輪轂,并通過機艙與塔體剛接(見圖2)。三片槳葉均為矩形橫截面的懸臂結(jié)構(gòu)。風(fēng)輪直徑為64.35m,槳葉寬度1.5m,深度0.3m。在分析過程中,不妨將機艙及其內(nèi)部構(gòu)件視為一個整體,質(zhì)量為52000kg。鋼塔高66.35m,塔底直徑3.9m,塔底厚度0.02m,塔頂直徑2.55m,塔頂厚度0.012m,彈性模量2.1×1011N/m2,密度7850kg/m3。塔底采用了10m×10m×1.80m的鋼筋混凝土圓截面筏基?；A(chǔ)之下土體的泊松比0.3,比重21kN/m3,剪切模量520MPa。2.2土體結(jié)構(gòu)模型采用大型通用軟件ANSYS對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進行有限元建模。因槳葉和塔體一個方向的尺寸與另外兩個方向的尺寸相差較大,同時槳葉在工作狀態(tài)下具有顯著的應(yīng)力剛化現(xiàn)象,故槳葉和塔體都采用了能較好體現(xiàn)這些特征的八節(jié)點殼體單元(SHELL91)。在整體分析過程中,我們并不關(guān)注機艙及其內(nèi)部構(gòu)件的細部特征,因此機艙及其內(nèi)部構(gòu)件可視為一個整體,可借助梁單元(BEAM189)來模擬。基礎(chǔ)則采用鋼筋混凝土實體單元(SOLID65)建立。不同構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸、所采用的單元類型不一樣,為了避免構(gòu)件之間出現(xiàn)滑移,采用多點約束單元(MPC184)來實現(xiàn)不同單元之間的連接。風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化有限元模型如圖2所示,一共劃分了1098個單元。為了準確評價SSI效應(yīng)對系統(tǒng)動力特征的影響,本文用兩種方法對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進行了有限元建模。第一種方法不考慮SSI效應(yīng),即認為塔底基礎(chǔ)與周圍土體固接(圖3(a));第二種方法則考慮了SSI效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力特征的影響(圖3(b))。Wolf和Richart認為,SSI效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力特征的影響可以通過在土體和基礎(chǔ)之間引入一系列離散的彈簧和阻尼器來實現(xiàn)。對第一種有限元模型進行修正,在土體-基礎(chǔ)之間納入一系列離散的彈簧和阻尼器,即構(gòu)成考慮SSI效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)有限元模型。表2給出了彈簧參數(shù)計算結(jié)果,相應(yīng)的計算公式為[9―10]:式中:KX、KY、KR分別為水平向、垂直向和轉(zhuǎn)動剛度;CX、CY、CR分別為水平向、垂直向和轉(zhuǎn)動阻尼;G、ν分別為土體剪切模量、泊松比;a為基礎(chǔ)尺寸半徑。3地震動力響應(yīng)分析3.1采用的ssi法為了確定結(jié)構(gòu)動力特征和有限元建模的有效性,并為其后的動力學(xué)分析做準備,本文首先對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進行了模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的方法較多,常見的方法有BlockLanczos、Subspace、PowerDynamics、Reduced法等,本文則采用了廣泛使用的BlockLanczos法對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。從表3可以看出,考慮SSI效應(yīng)會明顯降低結(jié)構(gòu)頻率。考慮SSI效應(yīng)的前六階模態(tài)頻率分別是不考慮SSI效應(yīng)相應(yīng)值的39%、88%、71%、89%、59%和74%,其主要原因為考慮SSI效應(yīng)使結(jié)構(gòu)自振頻率滯后。3.2基本特征與動力響應(yīng)分析以IV類場地為例,當隨機地震動物理模型(7)中諸參數(shù)取均值時,將生成均值參數(shù)地震波。圖4為8度罕遇條件下的均值參數(shù)地震動加速度時程,峰值為0.51g,持時為20.48s。顯然,該地震波具有較好的非平穩(wěn)特性。將合成地震波作用到結(jié)構(gòu)上,相應(yīng)前面兩種不同的建模方式,本文分別進行了地震作用動力時程分析?；谌菰S應(yīng)力、極限承載力和性能設(shè)計3個層次,分別給出了結(jié)構(gòu)基底彎曲應(yīng)力、基底內(nèi)力(彎矩、剪力)和塔頂位移響應(yīng),分別如圖5―圖8所示。對計算結(jié)果進行分析,不難得出以下結(jié)論:1)地震作用對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的影響不容忽視。在考慮SSI效應(yīng)時,最大基底彎曲應(yīng)力為106.0MPa(屈服應(yīng)力345MPa);最大基底彎矩為21.9×103kN?m;最大基底剪力為154.0kN;塔頂最大位移可達0.54m(槳葉與塔頂之間的距離為2.4m),占塔體高度的8.1%,而對相同模型進行風(fēng)荷載動力時程分析(相應(yīng)的當?shù)鼗撅L(fēng)速為14m/s),相同位置的最大位移是0.55m。因此,在地震活躍地區(qū),地震作用對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)影響顯著,主觀上認為風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的控制荷載是風(fēng)荷載而忽略地震作用是不正確的。2)由對比分析可以看出,SSI效應(yīng)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有一定影響。一方面,對給出的所有結(jié)構(gòu)響應(yīng)而言,考慮SSI效應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)一定程度上放大。其主要是因為考慮SSI效應(yīng)后結(jié)構(gòu)的約束有所減弱的緣故。約束減弱必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變?nèi)?使得結(jié)構(gòu)自振周期更接近激勵周期,從而促使響應(yīng)有所增大。另一方面,結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大的幅度并不大(彎曲應(yīng)力的增幅為11.6%,基底彎矩為11.6%,基底剪力為19.7%,塔頂位移為15.5%)。對于本文給出的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)而言,地基相對剛而結(jié)構(gòu)相對柔,結(jié)構(gòu)只把少量的能量傳遞給地基,故土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響并不顯著?？偠灾?考慮SSI效應(yīng)會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)小幅度放大,不考慮SSI效應(yīng)是偏于不安全的。因此,在風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)地震動力響應(yīng)分析中應(yīng)該考慮SSI效應(yīng)。3)各種動力響應(yīng)的初始值為非零值。風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)塔頂質(zhì)塊(槳葉、機艙及其內(nèi)部構(gòu)件、輪轂等)與支撐結(jié)構(gòu)(塔體、基礎(chǔ)等)的質(zhì)量中心存在一定的偏差。因為重力的緣故,使得各種動力響應(yīng)的初始值不為零。同時,由重力導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力、基底彎矩、基底剪力和塔頂位移分別為51.3MPa、10.6×103kN?m、0.25kN和0.23m,分別占最大值的48.4%、48.4%、0.2%和42.6%,故重力引起的應(yīng)力、