響水風(fēng)電基礎(chǔ)地震動(dòng)參數(shù)選取及抗震性能分析＊

曾 迪

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048)

0 引言

響水風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)址在響水縣東北部沿海灘涂地區(qū),場(chǎng)區(qū)呈狹長(zhǎng)條狀分布,地勢(shì)較平坦,高程在2.2～2.6 m(黃海高程)之間。風(fēng)電場(chǎng)擬安裝134臺(tái)單機(jī)容量1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī),總裝機(jī)容量201 MW,是國(guó)內(nèi)目前單體較大的風(fēng)電項(xiàng)目。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[1]本風(fēng)電場(chǎng)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度區(qū),設(shè)計(jì)地震分組為第二組。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和場(chǎng)地土層分布,本工程場(chǎng)地土屬軟弱場(chǎng)地土,建筑場(chǎng)地類別為Ⅳ類,屬對(duì)抗震不利地段。本風(fēng)電場(chǎng)地震動(dòng)峰值加速度不大,但Ⅳ類場(chǎng)地對(duì)抗震不利,因此有必要對(duì)基礎(chǔ)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算。

本文首先選取不同地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,然后針對(duì)在多遇地震和基本烈度地震兩種情況下,綜合考慮波浪力、風(fēng)荷載的聯(lián)合作用,對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

1 工程概述

1.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

響水風(fēng)電基礎(chǔ)方案采用群樁式高樁承臺(tái)方案。承臺(tái)為現(xiàn)澆混凝土。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用8根直徑為1.40 m(壁厚22 mm)的鋼管樁作為基樁,樁長(zhǎng)約為66.5 m,樁尖進(jìn)入密實(shí)狀粉砂層,底端高程約為-64.00 m,頂端高程1.80 m。其中8根鋼管樁在承臺(tái)底部沿10 m直徑的圓周均勻分布,斜度為7∶1,管樁埋入承臺(tái)深度2.0 m。承臺(tái)底高程設(shè)在-0.2 m。承臺(tái)設(shè)鋼底模和側(cè)模,再現(xiàn)澆C40高性能混凝土圓柱形承臺(tái)結(jié)構(gòu),承臺(tái)直徑14.00 m,厚度3.0～4.5 m,頂高程為4.30 m。直徑4.3 m的風(fēng)機(jī)塔筒連接鋼管位于承臺(tái)中心,底端埋入承臺(tái)混凝土中,塔架與承臺(tái)之間的連接鋼管埋入混凝土中3.5 m,以保證與承臺(tái)的固端連接。平臺(tái)高程為8.5 m。

對(duì)樁基礎(chǔ)的模擬主要采用梁?jiǎn)卧Ｕw模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露,場(chǎng)址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)均為第四系濱海相、海陸交互相粉土、粉砂及粘性土,其中上部為第四系全新統(tǒng)沖海相粉土海相淤泥質(zhì)軟土,下部為晚更新世濱海相沉積物。勘探深度內(nèi)場(chǎng)區(qū)土按沉積次序、物質(zhì)組成及工程特性,可分為9大層12個(gè)亞層。土層中的樁和土之間用彈簧來(lái)模擬,水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值變化對(duì)計(jì)算有影響,從偏于安全角度考慮,對(duì)響水風(fēng)電抗震性能分析時(shí),m取下限值[3]。

2 地震動(dòng)參數(shù)選擇的影響

2.1 選取的地震波

為了對(duì)比不同地震動(dòng)參數(shù)作用下的風(fēng)電基礎(chǔ)的動(dòng)力性能,本節(jié)研究的方法采用動(dòng)力時(shí)程方法。在響水風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)地所在區(qū)域地震活動(dòng)性及地震構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上,對(duì)響水風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)地進(jìn)行了概率地震危險(xiǎn)性分析。可生成的人工地震波為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)和根據(jù)土層特性生成的地震波(簡(jiǎn)稱土層波)。另外根據(jù)Ⅳ類場(chǎng)地條件選取了50年超越概率10%的天津波和EL-centro地震波[5]。

響水風(fēng)電結(jié)構(gòu)屬于長(zhǎng)周期的高柔結(jié)構(gòu),本節(jié)選取的地震波如圖2所示。

圖2 計(jì)算采用的不同地震波

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用不同地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,其動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 不同地震波的動(dòng)力響應(yīng)沿樁身分布

對(duì)響水風(fēng)電基礎(chǔ),用不同的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,計(jì)算表明不同地震波的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。有效峰值加速度計(jì)算比最大峰值加速度計(jì)算結(jié)果略大。實(shí)際強(qiáng)震記錄EL-centro波計(jì)算結(jié)果和最大峰值加速度比較接近,天津波的計(jì)算結(jié)果比EL-centro波大較多。對(duì)于Ⅳ類場(chǎng)地,根據(jù)土層特性反演的土層波其計(jì)算值最大的,說(shuō)明對(duì)于軟土場(chǎng)地上的風(fēng)電結(jié)構(gòu)考慮土層特性后,地震作用放大較多。因此,根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)地形地貌、區(qū)域地質(zhì)條件確定的地震動(dòng)參數(shù),考慮土層特性后,地震作用放大較多,采用土層波進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是偏于安全的。

3 響水風(fēng)電基礎(chǔ)抗震性能分析

3.1 荷載

3.1.1 地震荷載

目前還沒(méi)有專門針對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。其抗震設(shè)計(jì)可參照的規(guī)范有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。查看《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》地震作用和抗震驗(yàn)算部分可見(jiàn),該規(guī)范和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的條文基本上是一致的,但基于高聳結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化處理。因此本節(jié)主要參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地震效應(yīng)進(jìn)行定義。

為了分析風(fēng)電基礎(chǔ)的抗震性能,分別計(jì)算的了小震、中震情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。小震采用的是采用50年超越概率為63%規(guī)范譜進(jìn)行計(jì)算。為了和反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,還采用了相同超越概率的人工土層波,以及天津波和EL-centro地震波時(shí)程。

為了計(jì)算基本烈度地震時(shí)的地震影響,即50年超越概率為10%的地震影響,采用了相同超越概率的土層波時(shí)程。另外根據(jù)Ⅳ類場(chǎng)地條件選取了1976年寧河天津地震波和1979年EL-centro地震波。現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》沒(méi)有相應(yīng)的反應(yīng)譜,這部分沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)譜計(jì)算。

3.1.2 波浪力和風(fēng)荷載

本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)考慮的荷載主要包括自重、風(fēng)機(jī)荷載、波浪力、風(fēng)荷載、地震力等。波浪力和風(fēng)荷載的基本資料見(jiàn)表1,計(jì)算基于《港口工程樁基規(guī)范》[6]。

表1 響水近海風(fēng)電場(chǎng)波浪要素

基本風(fēng)壓采用0.55 kN/m2。

風(fēng)荷載及荷載組合系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]來(lái)確定。

3.2 自振特性

響水風(fēng)電結(jié)構(gòu)屬于長(zhǎng)周期的高柔結(jié)構(gòu),表2列出前5階振型。

表2 前5階振型計(jì)算結(jié)果

3.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

地震和風(fēng)、浪荷載綜合作用的響應(yīng)結(jié)果參見(jiàn)表3至表7。

表3 墩臺(tái)處轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果

表4 泥面處位移最大值計(jì)算結(jié)果

表5 基樁最大等效主應(yīng)力計(jì)算表

表6 基樁最大軸壓力計(jì)算表

表7 基樁最大剪力表

計(jì)算結(jié)果表明:

(1)50年超越概率為63%的多遇地震作用下,風(fēng)電基礎(chǔ)滿足“小震不壞”的抗震要求。

(2)多遇地震時(shí),規(guī)范反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果和時(shí)程計(jì)算結(jié)果比較接近,在彈性小震階段,采用反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析對(duì)結(jié)果變化不大,時(shí)程分析可有效校核反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。

(3)50年超越概率為10%的地震作用下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、內(nèi)力及其墩臺(tái)處位移均滿足抗震要求。可滿足“中震可修”的強(qiáng)度要求。但對(duì)于泥面處位移,天津波和土層波都超過(guò)了10 mm的限制要求,最大值分別為12.06 mm和18.50 mm。泥面位移控制是抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

(4)土層波的計(jì)算結(jié)果最大,主要因?yàn)檐浲翆?duì)高柔結(jié)構(gòu)的地震作用起了放大作用,采用土層波進(jìn)行抗震校核偏于安全。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,可見(jiàn):根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)地形地貌、區(qū)域地質(zhì)條件確定的地震動(dòng)參數(shù),考慮土層特性后,地震作用放大較多,采用土層波進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是偏于安全的。

綜合考慮波浪力和風(fēng)荷載等荷載后,動(dòng)靜綜合計(jì)算結(jié)果表明,響水風(fēng)電場(chǎng)可滿足現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范“小震不壞,中震可修”的抗震要求。采用基本烈度地震校核時(shí),由于軟土基礎(chǔ)對(duì)位移的放大較大,泥面位移控制是抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

[1] GB 18306-2001中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[2] GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

[3] JGJ94-94建筑樁基技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[4] GB 50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.

[5] 翟海,謝禮立.抗震結(jié)構(gòu)最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(12):51-58.

[6] JTJ 254-98港口工程樁基規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[7] GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.