响水风电基础地震动参数选取及抗震性能分析＊

曾 迪

(中国水利水电科学研究院,北京 100048)

0 引言

响水风电场工程场址在响水县东北部沿海滩涂地区,场区呈狭长条状分布,地势较平坦,高程在2.2～2.6 m(黄海高程)之间。风电场拟安装134台单机容量1.5 MW的风力发电机,总装机容量201 MW,是国内目前单体较大的风电项目。根据《中国地震动参数区划图》[1]本风电场地震动峰值加速度为0.05 g,相当于地震基本烈度Ⅵ度区,设计地震分组为第二组。根据《建筑抗震设计规范》[2]和场地土层分布,本工程场地土属软弱场地土,建筑场地类别为Ⅳ类,属对抗震不利地段。本风电场地震动峰值加速度不大,但Ⅳ类场地对抗震不利,因此有必要对基础抗震性能进行验算。

本文首先选取不同地震动参数进行了对比计算,然后针对在多遇地震和基本烈度地震两种情况下,综合考虑波浪力、风荷载的联合作用,对风电基础进行抗震验算。

1 工程概述

1.1 风机基础结构

响水风电基础方案采用群桩式高桩承台方案。承台为现浇混凝土。风机基础采用8根直径为1.40 m(壁厚22 mm)的钢管桩作为基桩,桩长约为66.5 m,桩尖进入密实状粉砂层,底端高程约为-64.00 m,顶端高程1.80 m。其中8根钢管桩在承台底部沿10 m直径的圆周均匀分布,斜度为7∶1,管桩埋入承台深度2.0 m。承台底高程设在-0.2 m。承台设钢底模和侧模,再现浇C40高性能混凝土圆柱形承台结构,承台直径14.00 m,厚度3.0～4.5 m,顶高程为4.30 m。直径4.3 m的风机塔筒连接钢管位于承台中心,底端埋入承台混凝土中,塔架与承台之间的连接钢管埋入混凝土中3.5 m,以保证与承台的固端连接。平台高程为8.5 m。

对桩基础的模拟主要采用梁单元。整体模型如图1所示。

图1 有限元模型

1.2 地质条件

根据钻探揭露,场址区勘探深度范围内均为第四系滨海相、海陆交互相粉土、粉砂及粘性土,其中上部为第四系全新统冲海相粉土海相淤泥质软土,下部为晚更新世滨海相沉积物。勘探深度内场区土按沉积次序、物质组成及工程特性,可分为9大层12个亚层。土层中的桩和土之间用弹簧来模拟,水平抗力系数的比例系数m的取值变化对计算有影响,从偏于安全角度考虑,对响水风电抗震性能分析时,m取下限值[3]。

2 地震动参数选择的影响

2.1 选取的地震波

为了对比不同地震动参数作用下的风电基础的动力性能,本节研究的方法采用动力时程方法。在响水风电场工程场地所在区域地震活动性及地震构造分析的基础上,对响水风电场工程场地进行了概率地震危险性分析。可生成的人工地震波为50年超越概率10%的有效峰值加速度(EPA)和最大峰值加速度(PGA)和根据土层特性生成的地震波(简称土层波)。另外根据Ⅳ类场地条件选取了50年超越概率10%的天津波和EL-centro地震波[5]。

响水风电结构属于长周期的高柔结构,本节选取的地震波如图2所示。

图2 计算采用的不同地震波

2.2 计算结果对比

采用不同地震波对结构进行计算,其动力响应对比见图3。

图3 不同地震波的动力响应沿桩身分布

对响水风电基础,用不同的设计地震动参数进行对比计算,计算表明不同地震波的选取对计算结果影响较大。有效峰值加速度计算比最大峰值加速度计算结果略大。实际强震记录EL-centro波计算结果和最大峰值加速度比较接近,天津波的计算结果比EL-centro波大较多。对于Ⅳ类场地,根据土层特性反演的土层波其计算值最大的,说明对于软土场地上的风电结构考虑土层特性后,地震作用放大较多。因此,根据风电场场区地形地貌、区域地质条件确定的地震动参数,考虑土层特性后,地震作用放大较多,采用土层波进行抗震设计是偏于安全的。

3 响水风电基础抗震性能分析

3.1 荷载

3.1.1 地震荷载

目前还没有专门针对风电结构的抗震设计规范。其抗震设计可参照的规范有《建筑抗震设计规范》、《高耸结构设计规范》[4]。查看《高耸结构设计规范》地震作用和抗震验算部分可见,该规范和《建筑抗震设计规范》的条文基本上是一致的,但基于高耸结构特性进行了部分简化处理。因此本节主要参照《建筑抗震设计规范》对地震效应进行定义。

为了分析风电基础的抗震性能,分别计算的了小震、中震情况下的结构响应。小震采用的是采用50年超越概率为63%规范谱进行计算。为了和反应谱计算结果进行对比,还采用了相同超越概率的人工土层波,以及天津波和EL-centro地震波时程。

为了计算基本烈度地震时的地震影响,即50年超越概率为10%的地震影响,采用了相同超越概率的土层波时程。另外根据Ⅳ类场地条件选取了1976年宁河天津地震波和1979年EL-centro地震波。现行《建筑抗震设计规范》没有相应的反应谱,这部分没有进行相应的反应谱计算。

3.1.2 波浪力和风荷载

本工程风机基础抗震设计考虑的荷载主要包括自重、风机荷载、波浪力、风荷载、地震力等。波浪力和风荷载的基本资料见表1,计算基于《港口工程桩基规范》[6]。

表1 响水近海风电场波浪要素

基本风压采用0.55 kN/m2。

风荷载及荷载组合系数根据《建筑结构荷载规范》[7]来确定。

3.2 自振特性

响水风电结构属于长周期的高柔结构,表2列出前5阶振型。

表2 前5阶振型计算结果

3.3 结构响应

地震和风、浪荷载综合作用的响应结果参见表3至表7。

表3 墩台处转角计算结果

表4 泥面处位移最大值计算结果

表5 基桩最大等效主应力计算表

表6 基桩最大轴压力计算表

表7 基桩最大剪力表

计算结果表明:

(1)50年超越概率为63%的多遇地震作用下,风电基础满足“小震不坏”的抗震要求。

(2)多遇地震时,规范反应谱的计算结果和时程计算结果比较接近,在弹性小震阶段,采用反应谱分析和时程分析对结果变化不大,时程分析可有效校核反应谱计算结果。

(3)50年超越概率为10%的地震作用下,结构的应力、内力及其墩台处位移均满足抗震要求。可满足“中震可修”的强度要求。但对于泥面处位移,天津波和土层波都超过了10 mm的限制要求,最大值分别为12.06 mm和18.50 mm。泥面位移控制是抗震设计的主要目标。

(4)土层波的计算结果最大,主要因为软土对高柔结构的地震作用起了放大作用,采用土层波进行抗震校核偏于安全。

4 结语

综上所述,可见:根据风电场区地形地貌、区域地质条件确定的地震动参数,考虑土层特性后,地震作用放大较多,采用土层波进行抗震设计是偏于安全的。

综合考虑波浪力和风荷载等荷载后,动静综合计算结果表明,响水风电场可满足现行建筑抗震设计规范“小震不坏,中震可修”的抗震要求。采用基本烈度地震校核时,由于软土基础对位移的放大较大,泥面位移控制是抗震设计的主要目标。

[1] GB 18306-2001中国地震动参数区划图[S].北京:中国标准出版社,2001.

[2] GB 50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3] JGJ94-94建筑桩基技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[4] GB 50135-2006高耸结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2007.

[5] 翟海,谢礼立.抗震结构最不利设计地震动研究[J].土木工程学报,2005,38(12):51-58.

[6] JTJ 254-98港口工程桩基规范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[7] GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.