风电机组结构抗震性能分析

李少朋，孟向阳，许 哲

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

0 前 言

随着传统能源的日趋枯竭，清洁、可再生的风能日益受到关注。但四川省、云贵地区处于喜马拉雅-地中海地震带，地震灾害多发，如果风电机组这种大型设备处于地震多发区域，则有可能受到风力、地震的双重影响，风电机组的安全将受到考验。本文在实际工程地质条件的基础上，建立了相应的有限元模型，利用相关软件分析了塔筒结构在不同地震情况下的特性，对于促进我国风电机组塔筒技术发展具有重要意义。

2009年，贺广零[1]运用了多体动力学原理，对风电机组的高塔地震进行了地震作用动力时程的分析。2012年，戚蓝，刘国威，王海军等[2]在天津大学的水利工程仿真与安全国家重点实验室，研究近海风电筒型基础风机结构的地震动力响应其研究成果即SSI效应会降低结构的自振频率，若考虑地震动作用，则风机模型的水平方向加速度响应最大值在塔架2/3高度处。之后，柳国环，练继建等[3]亦在上述实验室，研究有限域投射人工边界和地震动输入模式对风电结构体系的动力响应，对给出的三种模式进行计算分析。2015年，李洪斌[4]针对海上风机在波浪和地震联合作用下的结构响应进行了研究，结果显示二者联合作用并不等于两者单独作用下的线性叠加。2016年，解朝朋[5]在研究塔楼结构的抗震性能时，也提出必须充分分析上部的结构与地基土的之间的相互作用的观点。

本文通过大型三维有限元软件ANASYS建立了三维实体模型，对风电机组混凝土塔筒结构进行了力学性能有限元分析，得到结构节点的加速度、位移以及应力规律，分析塔筒的破坏机理以及提出设计建议。该结果为今后的风力发电机组塔筒结构抗震设计具有良好的参考意义。

1 计算方法

选取最佳节点，研究其在基本地震动和罕遇地震动荷载下的变化趋势，利用相关软件绘制其加速度、位移以及应力时程曲线进行细致的分析。

2 工程实例

2.1 工程模型

为研究在不同地震等级下的混凝土塔筒的地震动荷载响应分析，结合风场资料以及现有规定条件，决定以西北某风电机组为例。其塔筒、基座等为钢筋混凝土，地基材料主要为岩石，考虑门洞的影响，对模型做出相应合理的简化，模型结构尺寸、风电机组相关材料力学参数以及工程地质参考资料如表1所示。

表1 模型主要结构的尺寸 单位：m

2.2 工况选择

在对风机模型进行地震动加速度加载时，只对地基施加约束，而不考虑其他的荷载，因而可以排除其他多余荷载对风机塔筒的影响。为方便对比参照，故考虑基本地震动工况、罕遇地震动工况下的动力荷载响应分析。

3 混凝土塔筒的地震动荷载响应分析

3.1 基本地震动工况下动力荷载响应分析

为简化分析过程，以位移分析与应力分析为主。其中塔筒顶端选取的节点，高度为90 m；塔筒中部选取的节点，高度为55 m；塔筒底部选取的，节点高度为15 m。

1)三向位移分析。选取塔筒顶、中、底三个节点为分析对象，并提取各个节点的时程曲线，如图1所示。提取塔顶筒端、中部、底部的三轴方向位移时程曲线的峰值，如表2所示。

图1 基本地震动塔筒三向位移时程曲线图

表2 基本地震动工况塔筒三轴方向位移时程曲线峰值 单位：mm

分析表2，可初步得出结论：三向地震波加载在混凝土塔筒时，塔筒X、Y、Z轴方向上位移时程曲线峰值均随高度的增加而增加，同时Z轴方向的位移峰值远远小于X、Y轴方向的位移峰值。

2)应力分析。选取塔筒顶端、中部、底部同样的三个节点为分析对象，并分别提取各个节点的主拉应力、主压应力时程曲线，提取塔顶三个节点的应力时程曲线的峰值，可初步得到结论：三向地震波加载在混凝土塔筒时，塔筒主拉应力、主压应力时程曲线峰值均随高度的增加而减小，且该三个节点的拉、压应力皆满足混凝土强度要求。

3.2 罕遇地震动工况下动力荷载响应分析

选取塔筒顶端、中部、底部同样的三个节点为研究对象，并分别分析各个节点位移及应力时程曲线。根据先前步骤可一次获得实验数据，初步分析可得主要结论：三向地震波加载在混凝土塔筒时，塔筒主拉应力、主压应力时程曲线峰值均随高度的增加而减小，且该三个节点的拉、压应力皆不满足混凝土强度要求。

主拉应力云图见图2，可发现主拉应力值最大处为12.8 MPa，应力集中处同样为门洞附近、塔筒与基座的连接处。查询C35混凝土的抗拉，可知其设计值分别为1.57 MPa，即知该风电机组遭遇罕遇地震作用时，风机塔筒很可能会遭受破坏。

图2 罕遇地震动工况风机应力时程曲线峰值时刻的主压应力云图

3.3 两种地震动工况下动力荷载对比分析

1)位移对比分析。根据两种工况下所具有共同点与不同点，可初步得出结论：罕遇工况下造成的位移确实远大于基本地震工况下的位移；罕遇工况下的塔筒底部位移更大，可见底部吸收了更多的地震能量。

2)应力对比分析。两种工况下的共同之处在于：①塔筒整体的主拉应力、主压应力时程曲线峰值均随高度的增加而减小；②三个节点振动曲线走向一致，但底端振幅最大，中部振幅次之，顶端振幅微不可见；③应力集中处均位于塔筒门洞处附近或塔筒与基座的交界处。

两种工况下的不同亦相当明显：①不管是主拉应力还是主压应力，不管是塔筒哪个部位的节点，罕遇地震工况下的应力峰值远远大于基本地震工况下的应力峰值，近乎增大了10倍；②考虑C35混凝土的强度，基本地震工况下塔筒满足抗拉、抗压强度，而罕遇地震工况下塔筒不满足抗拉、抗压强度。

4 结 论

本文针对风电机组塔筒与基座的地震动荷载的响应分析，分别考虑基本地震工况与罕遇地震工况下的荷载响应分析，选择了塔筒顶端、中部及底部的不同节点，分别读取其加速度、位移及应力时程曲线图，并进行对比分析。

1)两种地震工况下的应力集中处均位于塔筒门洞附近或塔筒与基座的交界处，可见塔筒门洞需要进行加固，同时塔筒与基座的交界处能够增大应力强度。

2)与基本地震工况相比，罕遇工况下的塔筒底部位移增大明显，且主拉应力及主压应力急速增大，可见底部吸收了更多的地震能量，故当风电机组遭遇罕遇工况时，底部最先破坏。

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