強(qiáng)震作用下導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性分析

沈 駿

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

0 引言

導(dǎo)管架作為一種鋼結(jié)構(gòu)，能較好地發(fā)揮其自重輕、塑性變形能力強(qiáng)和延性好的優(yōu)點(diǎn)。由于鋼材的延展性，導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)曾被認(rèn)為能夠抵抗強(qiáng)烈的地震荷載。然而，1994年 1月17日美國加州San Fernando Valley北嶺地震中，陸域及附近海域大約有200多幢鋼框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，1995年1月17日日本兵庫縣南部地區(qū)阪神地震中出現(xiàn)不同程度破壞的鋼結(jié)構(gòu)建筑也高達(dá)988幢。本研究針對海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)，運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS，對受到地震作用的導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角、位移、強(qiáng)度，判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

1 工程概況

本文以渤海某海上風(fēng)電導(dǎo)管架平臺為例，上部結(jié)構(gòu)采用NREL 5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)高度為60 m，下部為四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)為直樁，導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全部采用的DH36鋼圓管，整個(gè)工程處于水深為50 m的海域。4根樁按正方形進(jìn)行布置，導(dǎo)管架分為4層，最頂層尺寸為8 m×8 m，最底層尺寸為12 m×12 m。斜撐以X型布置。每層均布置水平橫撐，導(dǎo)管架斜腿在高程為-44 m處改為垂直于地面的直腿，直至泥底高程-84 m處，其中泥面處高程為-50 m。塔筒底端、導(dǎo)管架基礎(chǔ)頂端的高程為20.15 m，塔筒高度為60 m，塔筒壁厚在30 mm～32 mm之間變化，符合文獻(xiàn)[1]～[3]對于5 MW上部風(fēng)機(jī)塔筒壁厚通常在20 mm～40 mm之間的要求。圖1為海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)從樁和導(dǎo)管獲得它的豎向和側(cè)向支承。導(dǎo)管架模型參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)管架模型參數(shù)

2 輸入地震波

目前，時(shí)程分析時(shí)輸入的地震波一般有典型的地震記錄、人工擬合地震波和擬建場地的實(shí)際地震記錄。如果能夠選用擬建場地的實(shí)際地震記錄，那這將對結(jié)構(gòu)的動力分析是最精確合理的，但由于地震是隨機(jī)發(fā)生的，目前一般情況下擬建場地是很少有實(shí)際地震記錄的，即使能夠查找到本場地過去的地震信息，由于地震隨機(jī)性，也不能準(zhǔn)確預(yù)測未來地震特性。所以目前大多數(shù)工程都是選用同類型場地已有地震波進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

地震波的選取參考文獻(xiàn)[4]中研究海洋環(huán)境下海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時(shí)所輸入的美國1994年位于Sylmar Converter站的Northridge地震波進(jìn)行計(jì)算研究。其PGA(地震動加速度峰值)為6.74 m/s2，圖2為調(diào)幅后Northridge地震波東西、南北向的地震波加速度時(shí)程，即Ansys軟件中的X,Y向，計(jì)算步長取0.005 s，計(jì)算總時(shí)長取40 s。

3 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)基本特性分析

采用ANSYS軟件中的Block Lanczos計(jì)算方法對包含風(fēng)機(jī)塔筒在內(nèi)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型進(jìn)行模態(tài)分析，機(jī)艙和風(fēng)輪簡化為集中質(zhì)量施加在塔筒頂部。在矩陣特征值計(jì)算時(shí)，由于低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)中占主導(dǎo)地位，故本文只列出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)，如表2所示，對應(yīng)振型如圖3所示，避免下部基礎(chǔ)與上部機(jī)艙和風(fēng)輪工作時(shí)產(chǎn)生共振，以保證結(jié)構(gòu)建立的準(zhǔn)確性與安全性。

由表2可見，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一階和二階頻率相同，三階和四階頻率相同，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)是對稱的。對于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，通常應(yīng)該設(shè)計(jì)為較低的自然周期3 s～5 s的范圍內(nèi)，本文中的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)第一、二階頻率為0.289 91，周期在該范圍內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。圖3a)～圖3d)分別展示了不同方向和角度下的振型結(jié)果。由第一、二階振型可見，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中塔筒發(fā)生變形，其余部位變化不明顯，說明塔筒的剛度影響了結(jié)構(gòu)的固有頻率。由第三、四階振型中可見，塔筒上、中、下部發(fā)生了彎曲，連帶著導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均發(fā)生了歪扭的現(xiàn)象，說明塔筒和導(dǎo)管架的剛度較大程度地影響著結(jié)構(gòu)的第三、四階頻率。由第五、六階振型中可見，塔筒的變形不明顯，而底部的導(dǎo)管架基礎(chǔ)發(fā)生了較大的變形，樁基與塔筒連接處有較大變形，說明樁基的剛度對該階頻率影響較大。

目前海上風(fēng)機(jī)機(jī)組的風(fēng)輪多為三葉片式，因此風(fēng)機(jī)與導(dǎo)管架基礎(chǔ)發(fā)生共振的主要激勵頻率是風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的1倍和3倍頻率，在風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)避開該頻率區(qū)間。由表1可知，NREL 5 MW風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速范圍大約是6.9 rpm/min～12.1 rpm/min，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的1倍工作頻率區(qū)間和3倍工作頻率區(qū)間分別為[0.12，0.2]和[0.36，0.6]。德國GL規(guī)范[5]要求激勵頻率與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的自振頻率差別應(yīng)在5%以上，即本文基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的允許頻率應(yīng)該在[0.21～0.342]區(qū)間內(nèi)。本文中導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的第一、二階頻率為0.289 91，在允許頻率區(qū)間之內(nèi)，而且其三階及以上頻率也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開激勵頻率區(qū)間，因此該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)符合頻率要求，不會與風(fēng)機(jī)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)安全。

3.2 地震作用下平臺結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

將地震波輸入海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行時(shí)程分析，采用6倍樁徑法[6]，將樁基在泥面下6倍樁徑深度處進(jìn)行固結(jié)，約束各方向自由度。經(jīng)計(jì)算，地震作用下海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)塔筒頂端(367號節(jié)點(diǎn))和基礎(chǔ)頂端(362號節(jié)點(diǎn))的加速度時(shí)程、速度時(shí)程及其位移時(shí)程曲線分別如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，Northridge地震波輸入的前2.5 s加速度較小，海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也較小。隨著Northridge地震波加速度強(qiáng)度的增強(qiáng)，塔筒頂端的X向位移第一波峰值出現(xiàn)在3.8 s左右，其后位移波峰值逐漸增加，在7.025 s時(shí)塔筒頂端出現(xiàn)X向最大位移為1.23 m，此時(shí)Y向位移為-0.44 m，隨著Northridge地震波加速度強(qiáng)度減弱，7 s后X向位移波峰值逐漸減小，直至平穩(wěn)，20 s后基本穩(wěn)定在0.01 m，并呈現(xiàn)小幅度的波動。與塔筒頂端X向位移相比，Y向塔筒頂端位移規(guī)律與X向位移類似但整體比X向位移偏小，塔筒頂端的Y向位移第一波峰值，也就是Y向最大位移出現(xiàn)在3.745 s為-0.46 m，此時(shí)X向位移為-0.61 m，在4.74 s時(shí)出現(xiàn)Y向塔筒頂端最大正向位移0.34 m，經(jīng)過一段小幅波動后于6.98 s時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)較大的Y向位移波峰值-0.41 m，隨著Northridge地震波加速度強(qiáng)度的減弱，7 s后Y向波峰值逐漸減小，20 s后基本穩(wěn)定在0.02 m，并呈現(xiàn)小幅度的波動。由于施加地震波時(shí)沒有考慮豎向地震波，所以Z向位移響應(yīng)較小，大約為3×10-13m，幾乎可以忽略不計(jì)。本文位移曲線形態(tài)規(guī)律與文獻(xiàn)[7]中相近，開始時(shí)有一段平穩(wěn)期，位移逐漸增大直至最大，而后逐漸變小，也間接驗(yàn)證了本文中的模型。

Northridge地震波X向加速度第一波峰出現(xiàn)在3.31 s，而塔筒頂端X向第一響應(yīng)波峰出現(xiàn)在3.80 s，滯后了0.49 s，Northridge地震波Y向加速度第一波峰出現(xiàn)在3.39 s，而塔筒頂端Y向第一響應(yīng)波峰出現(xiàn)在3.745 s，滯后了0.335 s，這說明結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值與地面加速度峰值相比，存在一定的滯后，與文獻(xiàn)[7]中規(guī)律一致。然而隨著Northridge地震波加速度強(qiáng)度的減弱，平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)仍出現(xiàn)幾次峰值，這說明雖然地面振動減弱，但是頻率接近結(jié)構(gòu)自振頻率情況下，因此結(jié)構(gòu)仍然能在激勵較小的情況下出現(xiàn)響應(yīng)峰值。

與位移變化規(guī)律類似，速度隨時(shí)間變化規(guī)律也是先增加后減弱直至平穩(wěn)。在4.915 s時(shí)塔筒頂端X向達(dá)到最大速度為-2.60 m/s，此時(shí)Y向速度為-0.21 m/s，在塔筒頂端X向位移最大時(shí)，X向速度為0.01 m/s，Y向速度為-0.33 m/s。3.465 s時(shí)塔筒頂端Y向達(dá)到最大速度-1.27 m/s，此時(shí)X向速度為1.47 m/s，在塔筒頂端Y向位移最大時(shí)，X向速度為1.54 m/s，Y向速度為-0.14 m/s。

塔筒頂端X向加速度在3.93 s達(dá)到最大值-10.37 m/s2，此時(shí)Y向加速度為2.71 m/s2，Y向加速度在7 s達(dá)到最大值10.25 m/s2，此時(shí)X向加速度為-7.30 m/s2，其變化規(guī)律與位移類似。受余震的影響，塔頂位移和加速度曲線仍在小幅度范圍內(nèi)波動。位移最大時(shí)，速度已經(jīng)減小至基本為0 m/s，加速度數(shù)值幾乎最大，但之后位移減小，速度變換方向，加速度數(shù)值逐漸減小。該規(guī)律符合牛頓力學(xué)理論，證明模擬結(jié)果是正確的。另外，從圖2中可以看出文中輸入的X向地震波加速度峰值比Y向大，而圖4中X向地震響應(yīng)加速度峰值卻和Y向差不多，這是因?yàn)楸疚闹蠿向和Y向地震波波頻譜特性不一樣。所以結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)加速度不僅僅只與地震動峰值加速度有關(guān)，還與地震波波頻譜特性有著很大的關(guān)系。

由圖4，圖6可見，6.655 s時(shí)基礎(chǔ)頂端(即塔筒底端)X向最大位移為0.09 m，此時(shí)加速度為-6.51 m/s2。6.545 s時(shí)Y向最大位移為-0.10 m，此時(shí)加速度為5.01 m/s2。位移在20 s后穩(wěn)定在0.00 m。基礎(chǔ)頂端X向加速度在3.93 s達(dá)到最大值-10.37 m/s2，此時(shí)X向位移為-0.087 m。基礎(chǔ)頂端Y向加速度在7.185 s達(dá)到最大值-6.28 m/s2，此時(shí)Y向位移為-0.09 m。然后加速度減小，15 s左右基本在0 m/s2附近波動。相比加速度的迅速減小，位移的衰減仍然需要一段時(shí)間，17 s之后幾乎達(dá)到較為穩(wěn)定的幅值。與塔頂位移和加速度相比，基礎(chǔ)頂端的位移和加速度的幅值均有所減小，符合一般的力學(xué)規(guī)律。

從圖7中可以看出，X方向應(yīng)力值最大，Z方向應(yīng)力值最小，von mises應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)的高度變大而減小，除了個(gè)別單元局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，越靠近樁底處，應(yīng)力越大，在樁底處出現(xiàn)最大von mises等效應(yīng)力135 MPa，高度為-57.98 m，滿足材料強(qiáng)度要求。由于X向Northridge地震波相較于Y向程度更大，所以結(jié)構(gòu)任一節(jié)點(diǎn)的X方向應(yīng)力和位移響應(yīng)比Y方向大，Z方向最小。

4 結(jié)語

本文對海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建立了整體模型，并進(jìn)行地震作用下該結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析，主要結(jié)論如下：

1)采用時(shí)程分析法輸入Northridge地震波，對海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)塔筒頂端位移最大，且塔筒頂端X向最大位移在出現(xiàn)7.025 s為1.23 m，此時(shí)Y向位移為-0.44 m，Y向最大位移在出現(xiàn)3.745 s為-0.46 m，此時(shí)X向位移為-0.61 m。位移隨時(shí)間變化呈先增加后來減弱直至平穩(wěn)的規(guī)律，速度和加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律與位移類似，且在20 s時(shí)已經(jīng)保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。與Northridge地震波加速度峰值相比，結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值存在一定的滯后。與塔頂?shù)奈灰坪图铀俣认啾龋A(chǔ)頂端的位移和加速度幅值均有所減小，且在17 s左右開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；

2)輸入的X向地震波加速度峰值比Y向大，而X向地震響應(yīng)加速度峰值卻和Y向差不多，這是因?yàn)楸疚闹蠿向和Y向地震波波頻譜特性不一樣。結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)加速度不僅僅只與地震動峰值加速度有關(guān)，還與地震波波頻譜特性有著很大的關(guān)系；

3)地震作用下導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力較大，Y向和Z向應(yīng)力較小，von mises應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)的高度增大而減小，除了個(gè)別單元局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，越靠近樁底處，應(yīng)力越大，在樁底處出現(xiàn)最大von mises等效應(yīng)力135 MPa，高度為-57.98 m，滿足材料強(qiáng)度要求。由于X向Northridge地震波相較于Y向程度更大，所以結(jié)構(gòu)任一節(jié)點(diǎn)的X方向應(yīng)力和位移響應(yīng)比Y方向大，Z方向最小。