風力發電塔近、遠場地震動響應減震效果分析

王佳龍，馮 娜

（1.湖北建科國際工程有限公司銀川分公司，寧夏 銀川750105；2.銀川能源學院，寧夏 銀川750105）

隨著傳統能源的枯竭和環境問題的日益突出，風能作為一種清潔無污染的可再生能源，受到世界各國越來越多的重視。我國近些年來大力發展新能源，各地建設了一批風力發電塔結構，并于2010年成為世界第一風電裝機大國[1]。現代風力機起源于地震災害較少的歐洲地區，主要在北歐等地震不活躍地區修建，因此在設計中對地震荷載并未給予足夠的重視[2]。而我國有部分風電場位于地震帶上，如位于寧夏西北部賀蘭山麓南端的賀蘭山風電場位于賀蘭山地震帶上。近場地震具有許多顯著不同于遠場地震的特征，其對工程結構的破壞程度更為嚴重[3]。Stamatopoulos[4]認為近場地震動對風力發電塔結構具有顯著影響。Patil[5]認為，近場地震動對1.65MW風力發電塔結構的動力響應影響較明顯。因此，分析風力發電塔結構在近、遠場地震荷載作用下的動力響應，并對其進行震動控制十分必要。相關研究指出[6]，將黏滯流體阻尼器應用于風力發電塔結構能夠有效減小結構的震動響應。本文首先通過有限元分析軟件ABAQUS建立某塔高為78m的2.5MW風電塔有限元模型，然后對該2.5MW風電塔結構進行近、遠場地震荷載作用下的動力響應分析，最后將黏滯流體阻尼器應用于風力發電塔結構，驗證其對風力發電塔結構在地震載荷作用下的減震效果。

1 風電塔結構有限元模型

為分析風力發電塔結構在地震荷載作用下的動力響應，本文以某塔高為78m的2.5MW三槳葉變槳距水平軸風力發電塔為原型，通過通用有限元分析軟件ABAQUS建立該風力發電塔結構的有限元模型。該風電塔由槳葉、機艙、塔架和基礎等構成，葉片和機艙質量分別為38t和65t。由于風電塔塔筒厚度方向的尺寸小于其他維度尺寸的1/30，故塔筒采用殼單元（S4R）模擬，該鋼塔筒材料選用Q345鋼材，Q345鋼彈性模量E=2.06×105N/mm2，密度為7850kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強度取345MPa，屈服后彈性模量取0.01E。由于IEC[7]規范建議停機狀態下的風電塔的結構阻尼比為1%，本文風電塔結構有限元模型采用瑞利阻尼，阻尼比按IEC規范建議取1%。由于本文主要關注風力發電塔結構在地震荷載作用下的動力響應及減震分析，并未考慮SSI效應對風電塔結構動力響應的影響，故在建模過程中將風電塔底部作固接處理。

2 風力發電塔近、遠場地震動響應分析

2.1 近、遠場地震動記錄

近年來，地震的發生及其造成的近場震區的嚴重破壞引起人們對近場地震動的極大關注。較遠場地震動而言，近場地震動具有明顯的大幅值、長周期脈沖作用，高聳的風力發電塔結構自振周期較長，Patil[5]認為，近場地震動對風力發電塔結構的動力響應影響更大。近場地震動的定義通常是指到斷層距離不超過20km場地上的地震動。但關于近場地震動的定義并不統一，Stewart等[8]認為近場地震動斷層距的界限值應取在20~60km之間。目前，從大量文獻研究的結果來看，這一界限值范圍是被趨于認同的。為避免不同震源機制的干擾和影響，本文選擇來自同一地震（1994年美國Northridge地震）記錄地震動記錄對結構進行非線性動力時程分析，選擇美國Northridge地震記錄到的近、遠場地震動記錄各12條（如表1、表2所示）。

2.2 近、遠場地震動響應分析

本文按照結構在8度罕遇地震作用下進行計算分析，根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[9]，近、遠場地震動的峰值加速度均調整為400Gal。通過有限元分析軟件ABAQUS在結構基底施加3向地震動加速度時程（水平主向（X）：水平次向（Z）：豎向（Y）=1:0.85:0.65），計算結構在近、遠場地震荷載作用下的動力響應，并對其進行分析。

本文重點研究風力發電塔結構在近、遠場地震荷載作用下的動力響應，因而對其他因素作相應的簡化：基礎采用固結，不考慮SSI效應對風電塔結構動力響應的影響；暫不考慮行波效應。地震荷載作用下，風力發電塔的最大彎矩和剪力一般出現在結構基底位置；同時由于風輪、轉子等設備正常使用極限狀態的要求，對風電塔結構頂部的位移和加速度也有相應的要求。因此在分析時，重點研究風電塔結構在近、遠場地震荷載作用下，其頂部絕對加速度、頂部相對位移、基底剪力、基底彎矩響應峰值（如表3、表4所示）。

從表3、表4可以看出，近場地震動對該2.5MW風力發電塔結構動力響應的影響比較顯著，在同一地震作用下，遠場地震動作用下響應的平均值僅為同一地震近場地震動作用下響應平均值的35%～60%。由此可見，近場地震動對風力發電塔結構的動力響應有重要影響，應引起相關研究人員注意。

表3 近場地震荷載作用下風力發電塔動力響應

表4 遠場地震荷載作用下風力發電塔動力響應

3 黏滯流體阻尼裝置減震效果分析

由上述分析可知，近場地震動對風力發電塔結構具有較大危害，為保證風電機組的安全，有效途徑之一便是采取震動控制措施。黏滯流體阻尼器其耗能能力較強、無附加剛度、適用性好、維護費低，這些特點使得其在全世界數以百計的工程結構中得以應用，成為應用最為廣泛的震動控制裝置之一。

在結構基底輸入Newhall-W Pico Canyon Rd.臺站記錄到的地震動記錄，調整其峰值加速度為400Gal，其中，水平主向（X）：水平次向（Z）：豎向（Y）=1:0.85:0.65。為評估黏滯流體阻尼裝置對于抑制風力發電塔結構動力響應的有效性，文中定義減震率m（式1），表5給出了風力發電塔結構在有無黏滯流體阻尼器下動力響應的分析結果。

表5 減震效果分析

式中，m-風電塔結構在裝有黏滯流體阻尼裝置的減震率；r-未控風電塔結構響應峰值；rD-受控風電塔結構響應峰值。

表5 可以看出，通過設置黏滯流體阻尼器，可以較明顯地減小風力發電塔結構的動力響應，減震率m可以達到20%以上。說明黏滯流體阻尼器能夠消耗輸入結構的振動能量，確保結構在地震中的安全。

4 結束語

通過對某2.5MW風力發電塔進行建模，對該2.5MW風力發電塔結構在近、遠場地震荷載作用下的動力響應進行了研究，并結合風力發電塔自身特點將黏滯流體阻尼器應用于風力發電塔結構中，并檢驗其有效性。本文主要結論為：近場地震動對風力發電塔結構動力響應的影響比較顯著，在同一地震荷載作用下，遠場地震動的響應的平均值僅為同一地震作用下近場地震動響應平均值的35%～60%。近場地震動風力發電塔結構的動力響應有重要影響，應引起相關研究人員的注意。