近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究

陈俊岭　阳荣昌　马人乐

（同济大学 建筑工程系，上海 200092） 摘 要：为研究近断层地震滑冲效应脉冲对大功率风力发电塔架结构的影响及应对措施，以丹麦某3 MW风力发电塔为原型制作缩尺模型并设计相应滚球减振器进行模拟地震振动台试验研究，考察其非线性动力响应及振动控制装置的有效性.选取具有滑冲效应脉冲的1999年ChiChi地震TCU052台站记录及其过滤修正记录作为输入，对比分析不同输入下无控制装置时模型的响应并建立试验模型的有限元模型对比数值计算结果和试验结果；考察设置滚球减振器后模型在有滑冲效应脉冲记录下的响应，对比分析了在总重相等时单个滚球和多个滚球布置方案下减振器的减振效果.研究表明：近断层地震滑冲效应脉冲使得结构响应明显增大，建造在地震带上的大功率风电机组设计时宜考虑其不利影响；设置滚球减振器可有效减小塔架结构响应均方差30%～40%，且多个滚球布置方案优于单个滚球.

关键词：风力发电塔；滑冲效应；振动台试验；振动控制

中图分类号：TK83； TU359 文献标识码：AExperimental Study of the Seismic Response and Vibration

Control of Wind Turbine Tower Considering NearFault

Ground Motion with Fling Step

CHEN Junling， YANG Rongchang， MA Renle

（Dept of Building Engineering， Tongji Univ， Shanghai 200092， China） Abstract：Shaking table tests of a 1∶20 scale model of a 3 MW wind turbine tower were carried out under the excitation of nearfault ground motion with fling step. Rollingball vibration absorbers were designed to mitigate the tower's dynamic response. A record with fling step from 1999 ChiChi earthquake at TCU052 station was chosen and the record without fling step was obtained by filtering the former record through a 4th order Butterworth filter. The nonlinear dynamic responses of the model without absorber were studied and compared with the results from finite element analysis. Then， the effectiveness of oneball vibration absorber and multiball vibration absorber with the same total weight was examined under the excitation of the record with fling step. The results show that the nearfault ground motion with fling step greatly magnifies the tower's responses. It should be noted that this effect cannot be neglected when a wind turbine tower is designed and constructed in seismic zones. The ball vibration absorbers can reduce the standard deviations of dynamic responses to about 60%～70% of those without absorber. The performance of the multiball vibration absorber is superior to that of oneball vibration absorber.

Key words：wind turbine tower； effect of fling step； shaking table test； vibration control

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在能源危机的大背景下，风能作为一种绿色能源正得到世界各国的重视，并被开发利用.为获得更大的电力生产能力，风力机的尺寸和重量都不断大幅度增加，需要采用更高的支撑塔架把机舱和叶轮等部件举得更高.风力发电塔作为高耸结构，其受力特点与一般建筑结构不同，水平荷载通常起控制作用.由于风电业发达的北欧地区为非地震多发区，因此很多研究人员针对风力发电塔的风致响应问题开展了大量研究.近些年来，随着风电行业的发展，不少风电场位于地震动活跃区域，因此，研究人员开始采用数值分析和试验手段针对风力发电塔结构的地震响应进行研究.德国《Guideline for the Certification of Wind Turbine》规范＼[1＼]和日本《风力发电设备支持物构造设计指针及解说》（2010）＼[2＼]均指出在设计位于地震动活跃地区的风力发电塔时应考虑地震作用的影响.Bazeos等＼[3＼]以某450 kW水平轴风力发电塔为原型，考虑土与结构相互作用建立有限元模型，用时程分析法计算其在地震作用下的响应，指出精细模型和简化模型计算结果很相近.Lavassas等＼[4＼]则基于某1 MW风力发电塔采用反应谱法计算了该结构在地震作用下的效应，并通过在基础和塔筒之间设置接触单元来考虑土与结构相互作用.Prowell等＼[5＼]通过足尺模型振动台试验和梁柱单元有限元模型考察了某65 kW小型风力发电塔的抗震性能，指出其动力响应以一阶振型为主.贺广零等＼[6＼]通过建立“桨叶

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塔体

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基础”整体模型研究了地震作用下土与结构相互作用对风力发电塔结构响应的影响，发现考虑土与结构相互作用时会放大结构响应.

由此可见，已有的关于风力发电塔结构地震响应的研究多集中于远场地震，而我国有部分风电场位于地震带上，如福建省东山风电场和河北省张北风电场.近断层地震具有许多显著不同于远场地震的特征，其对工程结构的破坏程度更为严重 ＼[7＼].风力发电塔结构作为高柔结构体系，顶部有较大的集中质量，结构周期相对较长，近断层地震作用的影响更应引起研究人员的注意.目前，对风力发电塔架的计算模型可分为2种：一为带有叶片、机舱等设备的整体模型；一为将叶片和机舱简化为塔顶集中质量的简化模型.根据Prowell等＼[5＼]的分析，当研究重点为风力发电塔架的特性时，采用塔顶集中质量的简化模型和带有叶片、机舱的整体模型计算所得一阶自振特性几乎没有差别，且塔架响应以一阶振型为主.因此，本文以丹麦某3 MW机组为原型，将叶片、机舱的重量集中在塔顶，按实际塔架高度的1/20制作了缩尺模型，研究塔架结构在有滑冲效应近断层地震作用下的动力响应，同时设计滚球振动控制装置研究其控制效率.

湖南大学学报（自然科学版） 2013年

第8期 陈俊岭等：近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究

1 近断层地震滑冲效应

近断层地震通常指距离断层20～60 km区域场地的地震动＼[7＼]，是一种因断层快速滑动使地震剪切波沿着断层传播引起的地面运动.震源机制、断层破裂方向、断裂面相对滑动方向以及场地条件等因素的影响使得近断层地震地面运动具有两大明显区别于远场地震地面运动的突出特点，即滑冲效应和向前方向性效应.滑冲效应是指断层上下两盘由于相对运动使得地震动的速度时程中出现单方向半脉冲进而导致地面出现阶跃式不可恢复位移的特性，一般激起结构体系的基本振型响应；当满足破裂前峰朝向场地传播和断层面上的滑动方向指向场地时，断层破裂就会发生向前方向性效应，向前方向性效应一般激起高阶振型的响应＼[8＼].一般认为滑冲效应对长周期结构的影响大于向前方向性效应＼[7＼]，大功率风力发电塔架为高柔结构体系，结构周期相对较长，因此本文重点研究滑冲效应对其动力响应的影响.

本文中滑冲效应脉冲模型采用文献＼[9＼]中typeA模型，见式（1）～（3）.

ag，A（t）=ωpVp2sin （ωpt），

（1）

Vg，A（t）=Vp2-Vp2cos （ωpt），

（2）

dg，A（t）=Vp2t-Vp2ωpsin （ωpt）.

（3）

式中： 0≤t≤Tp，Tp為脉冲周期；ωp表示脉冲圆频率，ωp=2