鋼-混凝土組合式風力發電塔筒不同環境下地震響應

張 磊，張 璇，王 皓，靳瀚杰，劉昕冉

（邯鄲市地震監測中心, 河北 邯鄲 056000）

1 引言

當前，中國天然能源消費中約84.1%是化石能源，在生產建設領域實行節能減排最強有力的方法就是發展非水新清潔能源，所以除海上風電站的建設之外，理應對中國陸上風資源豐富地區如西北山地地區進行更多的風能開發。此外，中國平原風電的發展也趨飽和，將有越來越多的風電項目被設立在高原山地地區。山地環境下風電塔筒結構的地震性能越來越引起行業關注。

Ishihara[1]等研究表明超高風力發電塔結構屬于高柔體系，其地震影響在高階振型中較為明顯；Prowell[2]等通過振動臺地震動試驗一定比例下的風力發電鋼塔架模型，驗證了此結構擁有阻尼較低的特點且數值模擬方法對于此結構分析的可行性；姚悅[3]通過建立裝配式鋼-混凝土混合塔架有限元模型，分析了混凝土段高度、預應力大小、鋼塔筒壁厚等因素對塔架承載力的影響，結果表明混合塔架破壞模式為鋼塔筒發生屈曲破壞；Jennifer[4]等研究了預應力混凝塔架的受力性能，塔筒結構采用工程上常用的錐形塔筒，并與150 m 的錐形鋼塔筒相比，結果表明預應力塔筒有更好的性能，且造價更低、更適用于大型風力機塔架結構形式；畢繼紅[5]等研究表明預應力混凝土風電塔筒與傳統鋼塔筒對比，抗震優勢更為明顯；周瑞權[6]等指出鋼-混凝土組合式風力發電塔筒可以有效解決塔筒與風機共振的問題；戴靠山[7]等采用ABAQUS 軟件建立風電塔精細化有限元模型，采用動力時程法研究風電塔在風和地震這兩種荷載作用下的動力響應，結果表明強震作用下，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生倒塌破壞；趙志[8]等構建鋼塔筒模型探究其在不同頻譜特性地震動下塔筒的損傷分析，指出不同條件下的震動波會使塔筒破壞位置也同樣發生變化。山地地震對風電塔筒的地震響應影響研究尚不多見。

本文以某140 m 高風電機組功率為2.0 MW 的鋼-混凝土組合式風力發電塔架為參照，運用非線性時程分析法對其進行地震響應分析，探究此塔筒在平原地震和山地地震作用下的響應，并研究山地地震與平原地震對鋼-混凝土組合式風電塔筒結構的影響差異。

2 有限元模型的建立

某風電場風電機組采用140 m 鋼-混凝土組合式塔架，上部風機結構總重為168.6 t，鋼-混凝土組合式塔架主體結構分為2 部分；上半部塔筒主要材料為Q345 純鋼塔筒其高為117 m，塔筒底端內徑為4.31 m、頂端為3.05 m，塔壁沿厚度由45 mm 高度逐漸變為25 mm；下半部塔筒主要材料為C60 鋼筋混凝土結構其高為21.60 m。結構總高度為140 m，鋼筋混凝土部分底端內徑為7.2 m、頂端為3.9 m，厚度從400 mm 逐步漸變為300 mm。鋼-混凝土組合過渡段參考許斌[9]等人給出的一種優化后的過渡段，研究表明此過渡段有更好的性能，并用此連接段將鋼塔筒和混凝土塔段通過法蘭連接在一起。對塔筒結構進行細致化建模，利用有限元軟件建模，具體圖形及尺寸如圖1；過渡段三視圖以及剖面圖如圖2 所示。用六面體實體單元賦予鋼筒部分、過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尺寸（單位：mm）Fig. 1 Tower finite element model and detailed dimensions

圖2 過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，考慮到風葉的精密化模型和將風機結構看作集中質量的簡化模型在地震時間序列分析結果存在一些差異，本文中的研究實例為已建成鋼-混凝土組合式塔架，此塔架并無公開的風葉和風機數據。Murtagh[10]等通過研究發現，上部結構以及風葉的體積、形狀等因素對塔筒震動特性只有細微的影響。本文重點為組合式風力發電塔架的地震響應分析，不考慮荷載作用下風葉轉動對塔筒的受力影響，故未將風葉等納入建模范圍內。因此，選擇采用一個偏心質量點代替上部風機結構并采取剛性耦合的方式與頂部連接[11]。此模型中偏心質量點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力響應，故不考慮上部結構與土的相互作用，塔架底部直接與地面剛接（圖1）。對于此種組合式塔筒，鋼塔筒和混凝土連接處由于混凝土與鋼的屬性差異較大，其剛度變化也會較大以影響結構響應，因此需要精細建模塔筒過渡段、鋼絞線法蘭等結構。本文主要研究山地地震下塔架結構的響應分析，故不考慮樁土作用以及下部基礎對于塔筒的影響，因此假設結構底部為固定約束?；炷敛糠植捎?C60 混凝土，物理參數見表1。

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

根據文獻[12-13]計算該結構的塑性損傷，并選用有限元軟件中混凝土塑性損傷（CDP）功能進行分析，該模型能考慮反復拉壓荷載作用下造成的混凝土損傷導致永久性的性能改變和混凝土的拉壓損傷。選用極限強度標準值為1860 MPa 且張拉預應力為1280 MPa 的鋼絞線，其橫截面積為181.3664 mm2。由于預應力鋼絞線并未達到屈服應力，故用線彈性模型構建鋼絞線。塔筒鋼材料部分選用HRB400 和Q345 鋼筋且為理想彈塑性模型，鋼材的物理參數見表2。

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

3 山地地震動作用下的風電塔筒結構地震響應分析

3.1 地震動的選擇

為深度了解山地震動與平原地震對于鋼-混凝土組合式塔架地震作用的影響，挑選相同場地環境下不同地區的地震動，8 度罕遇地震作用下二級場地環境的規范反應譜，從美國太平洋中心數據庫（Pacific Earthquake Engineering Research Center）中挑選3 條地震波作用于組合式塔架并對進行非線性時程分析。地震波選擇參數：矩震級為7.5～8.5 之間，震中距在20～100 km 之間，地震主震動時間控制在25～45 s 之間（結構自振周期的 5～10 倍之間）。各條地震波的加速度反應譜與規范反應譜對比情況如圖3 所示。由圖中所示實際波的影響系數較為離散，但與規范譜在統計意義上較為吻合。并根據測站和地震發生地區選擇一條更為貼近中國山地地震動的地震波。

圖3 周期地震動反應譜Fig. 3 Periodic ground motion response spectrum

3.2 非線性動力響應分析

為更細致地分析對比塔筒各階段水平側移和加速度時程曲線，選擇塔筒鋼段3 個等分點作參考。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移時程圖，并分別選擇其最大水平側移值做對比（圖7）。

圖4 平原地震波1 下塔筒水平側移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移值對比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移為98.8 mm，均小于1/100 的塔筒總高度，說明塔筒具有足夠的抗側剛度儲備。山地地震波作用下鋼塔筒段水平側移增長系數略高于平原地震波作用下的水平側移增長，分別高出平原地震波1 號32%和平原地震波2 號21%，這表明塔體上半段對于山地地震反應較為敏感，在山地塔筒設計中需要予以重點考慮。3 條地震波下的塔筒加速度時程和各節點加速度最大值，即過渡段、鋼塔筒81.5 m、110.75 m 和塔頂處加速度最大值的對比如圖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。對比3 條加速度折線的增長趨勢可看出，相對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。證明此塔筒可能會由于山地地震作用導致塔筒中上部分發生損傷可能性較大，因此在山地風電項目實際工程設計和建造中應提前考慮。

4 結論

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

1）塔筒各段的水平側移隨高度增長而增大，山地地震作用下鋼-混凝土組合式塔筒的水平側移增長系數略高于平原地震下的水平側移增長速度，分別為32%和21%，說明山地風電塔筒結構在地震作用下可能存在塔筒水平側移增長過快的風險。

2）山地地震作用下鋼-混凝土組合式塔筒的加速度各點均高于平原地震下的加速度值，對于塔筒結構各處的荷載和損傷也更大，山地風電項目工程設計中需要對鋼-混凝土組合式塔筒的地震響應做出對策。

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也較大，說明山地地震波相較于平原地震波對風電塔筒結構的加速度相應影響更為顯著，深入探究山地地震作用下的塔筒響應是迫切且有必要的。