基于IDA的鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒地震易損性分析

摘要：為研究鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒的抗震性能，基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，先依據(jù)推覆分析結(jié)果確定塔筒的5種損傷狀態(tài)限值，然后分別以截面曲率和考慮高階振型的復(fù)合地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)IM1Iamp;2E作為結(jié)構(gòu)需求參數(shù)和地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，接著選取20條地震動(dòng)記錄進(jìn)行塔筒的增量動(dòng)力分析，建立塔筒的地震易損性曲線，并對(duì)塔筒的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：混合塔筒模型的損傷程度與地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)呈正相關(guān)，其抗震性能可滿足Ⅶ度（0.15 g）地震作用下的抗震要求，但在Ⅷ度罕遇地震作用下及處于更高烈度區(qū)的風(fēng)電塔筒應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專門(mén)的抗震設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電塔筒；增量動(dòng)力分析；高階振型；結(jié)構(gòu)需求；地震易損性

中圖分類號(hào)：TU317文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2024）04-0627-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0050

0引言

風(fēng)電是重要的可再生能源，2022年全球新增風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)77.6 GW，風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)906 GW，比2021年增長(zhǎng)9%（Global Wind Energy Council，2023）。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處在高速發(fā)展階段，總裝機(jī)容量和新增裝機(jī)容量均處于世界前列。值得注意的是，我國(guó)雖然是地震多發(fā)國(guó)，但在高烈度地區(qū)，對(duì)風(fēng)電設(shè)備的建設(shè)也有著相當(dāng)大的需求，因此，風(fēng)電塔筒的地震風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)上部機(jī)艙及葉片的重量比較大，在地震作用下塔筒可能會(huì)發(fā)生過(guò)大變形，經(jīng)濟(jì)損失不可估量，因此，研究塔筒的地震響應(yīng)并開(kāi)展地震易損性分析具有重要意義。

近年來(lái)，各種類型風(fēng)電塔筒的地震易損性問(wèn)題開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Patil等（2016）針對(duì)一座風(fēng)機(jī)鋼塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震易損性分析，指出了整體屈曲、基礎(chǔ)傾覆、首次屈服、永久變形4種極限狀態(tài)，其中基礎(chǔ)傾覆最為關(guān)鍵且近場(chǎng)地震更容易引起風(fēng)機(jī)的破壞。曹雨奇等（2018）以水平位移角作為損傷指標(biāo)，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒進(jìn)行地震易損性分析，分析了該類型塔筒在Ⅶ度多遇地震條件下的損傷情況。王浩（2020）和梁睿（2019）分別對(duì)鋼-混凝土混合塔筒及混凝土塔筒進(jìn)行振動(dòng)損傷機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)在地震動(dòng)作用下，塔筒的損傷范圍從塔筒底部逐漸向上延伸，損傷程度最大的區(qū)域集中在塔筒底部與基礎(chǔ)相接處的位置。戴靠山等（2018）開(kāi)展了某風(fēng)力發(fā)電塔架縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，指出塔筒在地震作用下會(huì)產(chǎn)生高階振型效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)地震易損性分析的關(guān)鍵在于地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的選擇，目前人們對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)地震易損性的研究中常選用譜加速度Sa、峰值加速度PGA。葉列平（2009）的研究表明，Sa不太適用于多自由度結(jié)構(gòu)的抗震分析，而PGA僅適用于短周期結(jié)構(gòu)，無(wú)法較好地反映中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。風(fēng)電塔筒較為細(xì)長(zhǎng)，是典型的中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，為使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，本文采用張超和申彥利（2017）提出的考慮了結(jié)構(gòu)高階振型效應(yīng)的復(fù)合參數(shù)IM1Iamp;2E作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，運(yùn)用OpenSees分析軟件建立鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，基于推覆分析確定各損傷狀態(tài)的限值，以截面曲率作為結(jié)構(gòu)需求參數(shù)，選取20條真實(shí)的地震動(dòng)記錄進(jìn)行塔筒的增量動(dòng)力分析，建立塔筒的地震易損性曲線并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，以期為鋼-混凝土混合塔筒的抗震設(shè)計(jì)以及抗震加固提供參考。

1工程研究對(duì)象

為研究地震作用下鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒的抗震性能，本文選取建于Ⅶ度設(shè)防區(qū)的某鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒（圖1）為研究對(duì)象。風(fēng)電塔所在地的設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。該塔總高度為121.5 m，下部為80 m的混凝土塔筒，上部為40 m的鋼筒，兩者中間為高度1.5 m的鋼混過(guò)渡段，塔筒上方機(jī)艙及葉片的總質(zhì)量為215 t。混凝土筒段底部直徑為6 m，頂部直徑為4 m，鋼筒段底部直徑為3.5 m，頂部直徑為2.6 m，筒身壁厚沿高度均勻變化，各筒段截面形式為均勻漸變形式。

2數(shù)值模型建立

鋼-混凝土混合塔筒的計(jì)算使用OpenSees進(jìn)行建模，建模中將風(fēng)電塔簡(jiǎn)化為底部固結(jié)的單懸臂結(jié)構(gòu)，塔筒上部機(jī)艙及葉片的質(zhì)量簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量施加于塔筒頂部，筒身的分布質(zhì)量等效為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。風(fēng)電塔筒尺寸示意圖及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.1單元及纖維劃分

眾多學(xué)者在橋梁高墩的研究中使用纖維梁柱單元進(jìn)行建模。曹雨奇等（2018）在體外預(yù)應(yīng)力混凝土風(fēng)力發(fā)電塔的研究中指出纖維梁柱單元建模技術(shù)可在相似結(jié)構(gòu)的分析中使用。為確保模型的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)前人的建模理論，使用基于位移的纖維梁柱單元模擬筒身，沿高度方向每5 m劃分一個(gè)單元，其中鋼混過(guò)渡段單獨(dú)設(shè)置一個(gè)單元，其長(zhǎng)度為1.5 m，每個(gè)單元設(shè)置兩個(gè)積分截面；單元截面使用纖維截面進(jìn)行模擬，混凝土筒段沿圓周方向劃分120個(gè)纖維，徑向劃分6個(gè)，共計(jì)720個(gè)纖維；鋼筒段和過(guò)渡段沿圓周方向劃分120個(gè)纖維，徑向劃分1個(gè)，共計(jì)120個(gè)纖維；混凝土筒段的縱向鋼筋根據(jù)內(nèi)外圈鋼筋的數(shù)目、截面面積以及位置建立相應(yīng)的纖維，如圖3所示。

2.2材料本構(gòu)參數(shù)

混凝土段纖維截面根據(jù)約束條件分為保護(hù)層混凝土和核心區(qū)混凝土，其材料強(qiáng)度等級(jí)為C60，選用OpenSees材料庫(kù)中的Concrete 02材料進(jìn)行模擬，其本構(gòu)參數(shù)選擇Kent-Scott-Park模型（Scott et al，1982）計(jì)算，該模型考慮了箍筋約束對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。混凝土筒段鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，鋼筒段鋼材為Q345鋼，兩者用材料庫(kù)中的Steel 02材料進(jìn)行模擬，本構(gòu)參數(shù)選用Giuffre-Menegotto-Piano模型（Menegotto，Pinto，1973）進(jìn)行計(jì)算。兩種模型的本構(gòu)關(guān)系如圖4a、b所示，ε₀為混凝土峰值應(yīng)變，ε_u為混凝土極限壓應(yīng)變，f_c為混凝土抗壓強(qiáng)度，f_cu為極限抗壓強(qiáng)度，E_c為混凝土彈性模量，E_tc為受拉軟化剛度，λ為卸載剛度比，f_t為抗拉強(qiáng)度，f_y為屈服強(qiáng)度，E為彈性模量，E_p為屈服后的模量，各參數(shù)具體值見(jiàn)表1、2。

2.3Pushover分析及損傷極限狀態(tài)的確定

結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)是用來(lái)定義結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的物理量，它代表著結(jié)構(gòu)的抗震能力。在地震易損性研究中常用的損傷指標(biāo)有位移指標(biāo)、曲率指標(biāo)等。多數(shù)橋梁高墩的研究表明（梁智垚，2007；肖明洋，2013；趙志宏，2021；石巖等，2022），高墩在地震作用下會(huì)產(chǎn)生高階振型效應(yīng)，此時(shí)墩頂位移與控制截面曲率不再滿足對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果采用位移損傷指標(biāo)進(jìn)行地震易損性分析則會(huì)有較大誤差，此時(shí)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)不能通過(guò)位移指標(biāo)表現(xiàn)。而風(fēng)電塔筒與高墩類似，具有周期長(zhǎng)、柔度大的特性，位移指標(biāo)不能充分體現(xiàn)塔筒的損傷狀態(tài)。從材料角度來(lái)看，材料應(yīng)變可以充分反應(yīng)結(jié)構(gòu)的彈塑性損傷狀態(tài)，但其計(jì)算量龐大，需要分析結(jié)構(gòu)中每根纖維的響應(yīng)；為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文選用可以體現(xiàn)應(yīng)變關(guān)系的截面曲率作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)。相關(guān)研究（王浩，2020；丁立勇，2018）表明，在地震作用下塔筒基底位置的損傷程度最大，因此，本文選取塔筒底截面作為控制截面進(jìn)行地震易損性分析。

對(duì)模型進(jìn)行推覆分析（Pushover分析）得到基底剪力與頂點(diǎn)位移曲線如圖5a所示。Pushover分析采用頂點(diǎn)位移加載模式，當(dāng)加載至傾覆時(shí)，分析塔筒的變形和應(yīng)力應(yīng)變可知，筒身底部位置處變形最為顯著，鋼筒段及鋼混過(guò)渡段不會(huì)發(fā)生屈曲破壞，由此可知，塔筒的脆弱部位在底部。根據(jù)基底剪力與頂點(diǎn)位移曲線的特性，提取出4個(gè)性能點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)4種極限狀態(tài)LSi，同時(shí)參考《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分》（GB/T 24335—2009）中的定義將塔筒的損傷狀態(tài)劃分為完好、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、完全破壞5種損傷狀態(tài)，各極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的曲率值見(jiàn)圖5b，各損傷狀態(tài)描述見(jiàn)表3。

3易損性分析中主要參數(shù)確定及處理

3.1地震波選取

對(duì)于增量動(dòng)力分析而言，地震波的選擇對(duì)模擬結(jié)果有較大影響。為使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，本文根據(jù)地震波的峰值、頻譜特性、持時(shí)三種特性，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010），從美國(guó)太平洋地震工程研究中心（PEER）強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)中選取80條地震波記錄，根據(jù)各主要振型周期內(nèi)加速度值相差不超過(guò)20%的原則（謝豐蔚，2015），從中挑選出20條與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相匹配的地震波記錄（表4）做譜分析，其反應(yīng)譜曲線如圖6所示。

3.2地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的確定

目前結(jié)構(gòu)地震易損性分析中大多采用地面峰值加速度PGA和譜加速度Sa，其中PGA的應(yīng)用最為廣泛。葉列平等（2009）的研究指出，在中長(zhǎng)周期范圍，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與PGA的相關(guān)程度較小，PGA無(wú)法較好地模擬中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，

4風(fēng)電塔筒的地震易損性分析

4.1地震易損性曲線建立

5結(jié)論

本文基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，以復(fù)合參數(shù)IM1Iamp;2E作為地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，以截面曲率作為損傷指標(biāo)，用增量動(dòng)力分析方法建立了塔筒在20條地震波作用下的易損性曲線，根據(jù)易損性分析結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）塔筒的損傷程度與地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)呈正相關(guān)態(tài)勢(shì)，在相同地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)下，塔筒發(fā)生輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全破壞的概率依次減小。

（2）該風(fēng)電塔所在區(qū)域地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)IM1Iamp;2E值為0.25，塔筒輕微損傷的概率為89%，發(fā)生中等損傷的概率為11%，其它損傷狀態(tài)概率基本為0，可以滿足該地區(qū)抗震設(shè)防要求。

（3）在Ⅷ度罕遇地震（0.4 g）作用下塔筒會(huì)發(fā)生一定程度的損傷，對(duì)于高烈度地區(qū)的風(fēng)電塔，建議綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及經(jīng)濟(jì)效益，合理選擇抗震設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

曹雨奇，陽(yáng)榮昌，劉慧群，等.2018.體外預(yù)應(yīng)力混凝土風(fēng)力發(fā)電塔地震易損性分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），46（11）：1501-1507.

Cao Y Q，Yang R C，Liu H Q，et al.2018.Seismic fragility analysis for external prestressed concrete wind tower［J］.Journal of Tongji University（Natural Science），46（11）：1501-1507.（in Chinese）

戴靠山，毛振西，趙志，等.2018.不同頻譜特性地震動(dòng)下某風(fēng)電塔響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，50（3）：125-133.

Dai K S，Mao Z X，Zhao Z，et al.2018.Shaking table test study on seismic responses of a wind turbine under ground motions with different spectral characteristics［J］.Advanced Engineering Sciences，50（3）：125-133.（in Chinese）

丁立勇.2018.基于IEM效應(yīng)的混凝土塔筒動(dòng)態(tài)損傷機(jī)理研究［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué).

Ding L Y.2018.Study on dynamic damage mechanism of concrete tower based on IEM effect［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

梁睿.2019.風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒受力機(jī)理及模型試驗(yàn)研究［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué).

Liang R.2019.Research on the mechanism of stress and model test of concrete tower of wind turbine［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

梁智垚.2007.非規(guī)則高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)理論研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué).

Liang Z Y.2007.Study on seismic design theory of irregular girder bridges with high piers［D］.Shanghai：Tongji University.（in Chinese）

石巖，張智超，李軍，等.2022.考慮內(nèi)力狀態(tài)的大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震易損性分析［J］.地震研究，45（1）：8-16.

Shi Y，Zhang Z Ch，LI J，et al.2022.Seismic fragility of the long-span，continuous，rigid-frame bridge with high-rise pier involving the state of the internal force［J］.Journal of Seismological Research，45（1）：8-16.

王浩.2020.鋼-混凝土組合塔筒振動(dòng)損傷機(jī)理研究［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué).

Wang H.2020.Research on Vibration damage Mechanism of Steel-concrete composite tower［D］.Zhengzhou：North China University of Water Resources and Electric Power.（in Chinese）

肖明洋.2013.高墩混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震易損性分析［D］.成都：西南交通大學(xué).

Xiao M Y.2013.Seismic vulnerability analysis for concrete continuous rigid bridge with high piers［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University.（in Chinese）

謝豐蔚.2015.地震動(dòng)記錄選擇和調(diào)幅方法的研究及評(píng)價(jià)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).

Xie F W.2015.Study and evaluation on selecting and scaling of ground motions［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology.（in Chinese）

葉列平，馬千里，繆志偉.2009.結(jié)構(gòu)抗震分析用地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，29（4）：9-22.

Ye L P，Ma Q L，Miao Z W.2009.Study on earthquake intensities for seismic analysis of structural［J］.Earthquake Engineering and Engineering Dynamics，29（4）：9-22.（in Chinese）

張超，申彥利.2017.高墩抗震性能評(píng)估的適用地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，37（1）：9-16.

Zhang C，Shen Y L.2017.Research on appropriate intensity measure of tall pier seismic performance estimation［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，37（1）：9-16.（in Chinese）

趙志宏.2021.橋梁高墩地震易損性分析的適用損傷指標(biāo)研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué).

Zhao Z H.2021.Research on damage lndex for seismic fragility analysis of high bridge pier［D］.Handan：Hebei University of Engineering.（in Chinese）

GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

GB 50011—2010，Code for seismic design of buildings［S］.（in Chinese）

GB/T 24335—2009，建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分［S］.

GB/T 24335—2009，Classification of buildings for earthquake damage［S］.（in Chinese）

Choi E，DesRoches R，Nielson B.2003.Seismic fragility of typical bridges in moderate seismic zones［J］.Engineering Structures，26（2）：187-199.

Global Wind Energy Council.2003.Global Wind Energy Report 2023［R］.

Menegotto M，Pinto P E.1973.Method of analysis of cyclically loaded RC plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under normal force and bending［R］.Preliminary Report IABSE.

Patil A，Jung S，Kwon O S.2016.Structural performance of a parked wind turbine tower subjected to strong ground motions［J］.Engineering Structures，120：92-102.

Scott B D，Park R，Priestley M J N.1982.Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates［J］.Aci Structural Journal，79（1）：13-27.

Wen Y K，Ellingwood B R，Veneziano D，et al.2003.Uncertainty modeling in earthquake engineering（white paper）［R］.ProjectFD-2 Report.Mid-America Earthquake Center，University of Illinois at Urbana-Champaign，Urbana，Illinois.

Seismic Vulnerability Analysis of Steel-concrete Hybrid Wind Turbine

Tower Based on Incremental Dynamic Analysis

SHEN Yanli1，2，CHENG Jianhu1，ZHANG Weijie1

（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，Hebei，China）

（2.Hebei Provincel Prefabricated Structure Technology Innovation Center，Handan 056038，Hebei，China）

Abstract

Based on the theory of the elastic-plastic fiber-beam-column element，a two-dimensional numerical model of a steel-concrete hybrid wind turbine tower is established to study the towers aseismic performance.The limit values of five damage states of the tower are determined according to the results from the pushover analysis，then the sectional curvature is used as the structural demand parameter，and IM1Iamp;2E，which considers the higher order modes，is used as the composite ground motion intensity parameter.Twenty ground motion records are selected for the incremental dynamic analysis of the tower to establish the seismic vulnerability curves of the tower for the evaluation of the seismic performance of the tower.The results show that the hybrid tower model can meet the aseismic requirements for an Intensity Ⅶ（0.15 g）earthquake，and a special aseismic design should be taken into account when the tower is under the action of rare earthquakes（Intensity Ⅷ or over）or when the tower is located in the higher intensity areas.

Keywords：wind turbine tower；incremental dynamic analysis；higher order modes；structural demand；seismic vulnerability