基础存在裂缝的风机塔振动测试与分析

贾行建，杨学山，何先龙，佘天莉

（中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080）

基础存在裂缝的风机塔振动测试与分析

贾行建，杨学山，何先龙，佘天莉

（中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080）

风机塔混凝土基础常存在开裂、不均匀沉降现象，严重时会导致塔筒倒塌。相比不均匀沉降，开裂程度特别是非表层的开裂难以直接测量，也难以准确评估其影响。对基础存在裂缝的风机塔开展振动测试与分析：首先选择一座基础出现开裂的风机塔和一座作为参考的同类型同场地的风机塔，同时开展振动测试；然后分析两座风机塔的振动特性；最后通过对比固有频率、振动强度等振动特性，发现相同测试工况下基础出现裂缝的风机塔的振动特性相比作为参考的风机塔，前三阶固有频率值虽然相差不大，但是其第3阶和第1阶的FFT幅值比远大于作为参考的风机塔；其加速度最大值在微风时与作为参考的风机塔相差不大，但是在风力较大或机舱偏航冲击工况下明显大于作为参考的风机塔。测试结果表明：塔筒加速度振动强度对基础裂缝比较敏感，而固有频率值不敏感，但是其高阶的FFT幅值对基础裂缝比较敏感。测试结果可为基于风机塔振动特性的变化快速评估基础裂缝的严重程度及分析此类型故障对风机塔运营安全的影响提供一定的参考。

振动与波；风机塔；振动特性；混凝土基础裂缝；故障检测

近年来由于我国对于新能源的迫切需求，风力发电在我国很多地区都已经大面积使用，风机塔的安全性检测也受到的广泛关注[1–7]，风机塔的基础不仅承受塔体的重力载荷，而且承受风机在风中摇摆带来的巨大倾覆力矩。塔筒高50 m～100 m，而其底部直径不到高度的1/10，是典型的高耸结构，其顶端自由且承受机舱和风轮的重力和气动载荷，底端固定在混凝土基础上，随着风力的变化很容易发生振动[2]，带给基础的拉力和压力也是不断变化的，风载荷导致的持续剧烈振动可能使结构应力过大形成疲劳裂纹[3–4]，有研究结果表明[5]，塔筒屈服区域集中在塔筒底端约4 m高度范围内，塔筒底端与基础预埋环处为最不利位置，所以正常的风机塔基础是风机安全运行的保障。

风机塔基础裂缝病害是风电场存在的普遍现象，经常出现因为部分风机组基础摇摆过大而致使整个风机无法正常使用甚至倒塌等严重工程问题。在2006年的桑美台风中，某风电场机组5台倒塌，其中3台塔筒被折断，2台刚完成吊装的750 kW风机连同基础被拔出；又如某风电场的一台850 kW风机在12 m/s的额定风速下正常工作72小时后，突然倒塌，基础被连根拔起[5–6]；2013年4月初，福建沿海某风电场多个风机运行出现异常，风机基础环与混凝土基础之间存在较大的间隙[3]；有研究表明[7]，即使正常运行的风机在极端工况下，风机塔基础也会因为存在较大的拉应力而产生裂缝；本次测试的江苏盐城的某风电场也因为混凝土基础存在裂缝而迫使风机停止运行。

分析风机塔基础产生开裂的原因可知，即使正常运行的风机塔基础也会由于巨大的倾覆力矩以及拉压力的作用从而产生初始的微小裂缝，这对于绝大多数的风机是可以接受的，存在裂缝就容易长时间受雨水侵蚀，进而裂缝会扩大，使风机塔产生摇摆，出现摇摆如果没有及时检测出来并且加以处理，部分风机塔基础强度刚度不符合规范要求，导致混凝土基础压溃，摇摆继续扩大，形成恶性循环[3–4]，桩基整体抗倾覆能力或单桩抗拔能力不足，再加上风力条件难以把握，结构本身存在问题导致风脉动容易引起结构共振[8–9]，最终造成风机塔倒塌的严重后果。

而基础开裂程度尤其是非表层开裂的检测是非常困难的，裂缝的深度检测需要挖开基础的表层，如图1中右图所示。这又会增加结构的破坏程度。风机塔由于裂缝的扩大会产生剧烈摇摆[4]，根据振动信号进行检测与诊断是目前风电管理的主要手段[10]。如果能够通过振动特性的变化尽早发现问题，评估裂缝对风机塔正常运行的影响程度，有助于避免严重事故的发生。

本文通过对比混凝土基础有明显开裂的风机和正常运行的风机在3种工况下的振动情况，来分析风机基础出现明显裂缝后振动特性的变化。众所周知风机塔的振动能量主要集中在1阶固有频率上[2,11]，绘制典型振动的自功率谱图可以发现，基础有裂缝的风机塔振动的1阶固有频率及对应阻尼比与正常运行的风机相比相差不明显，固有频率值变化也不大，但是问题风机在基础出现裂缝后第3阶固有频率相对于第1阶固有频率对振动的贡献很大；绘制振动加速度时程图可以发现，在同样环境中手动偏航工况下问题风机的振动加速度甚至能比对比风机高出158.41%，裂缝造成的影响在振动强度上表现很明显。

1 风机塔测试情况

在江苏盐城某陆地风电场，检测发现某风机塔的基础沿着塔筒壁出现一圈裂缝，如图1所示，塔筒内部在混凝土基座的表面也有沿直径方向的裂缝，为了对比此问题风机的运行情况，诊断其能否继续安全运行，选择离其距离最近的完好风机作为参考，测试其振动情况。

图1 混凝土基础裂缝现场测试照片

为了能更好反映实际情况，本次测试中在问题风机上布置5个测点，对比风机上布置3个测点，每个测点放置一台QZ2013型水平双分量的力平衡加速度计，加速度计沿着东西向（主风向）和南北向布置。具体测点位置如表1所示。

表1 两台风机测点位置说明

测点1都布置在风机塔上端，目的是测量风机塔的最大振动情况；另外问题风机的5号测点布置在风机塔底部的混凝土基础上，4号测点布置在离地面1 m处的塔筒壁上，便于对比地面和近地面处风机塔振动情况；此外，对比风机的3号测点布置在混凝土基础上，2号测点布置在近地面一米处的塔筒壁上，与问题风机布置位置相同，测试结果更具可比性。

表2 风机振动测试工况

风机塔测试分为3个工况，具体见表2，为了详细记录两座风机塔的振动情况，各个工况都持续记录了一段时间，两座风机塔测试时间同步。测试环境风速为7m/s～10 m/s。

测试采用的数据采集仪是北京腾晟桥康科技有限公司生产的G01NET-2型同步动态数据采集仪，其AD数为24位。传感器也是采用此公司生产的QZ2013型力平衡加速度计，其有效频带为0～200 Hz。

2 振动特性分析

现场测试采集得到两座风机塔的振动数据，对所得数据进行时域的加速度特性分析和频域的自功率谱分析，从而比较两座风机塔在相近的环境同样工况下的振动差异。

2.1 两座风机塔振动时域特性对比

风机塔属于高耸建筑物[11–14]，具有振动频率低、顶部振动位移大的特性，其顶部振动加速度的大小主要由外部荷载作用力和风机塔自身的抗振能力决定。风机塔的基础和塔筒有间隙，表明风机塔与基础承台之间未能良好连接，理论上会降低风机塔整体的抗振能力。因此本文分析三种工况下的风机塔典型加速度时程图见图2至图7，统计在不同工况下各传感器测得的最大振动加速度值，如表3至表5所示，通过对比发现两台风机塔振动加速度有巨大差异。

图2 风速7 m/s～10 m/s时停机工况下对比风机顶端测点主风向振动时程图

由图2至图7及表3至表5可以看出，两座风机在偏航时瞬时加速度相对于停机状态下都很大，对比风机可达到停机状态下最大加速度的30倍，问题风机可达到停机状态下的40倍；问题风机塔在同等条件下的最大加速度值都大于对比风机塔，手动偏航时最为明显，问题风机塔偏航时1号传感器测得南北向的振动加速度甚至比对比风机塔高出1.6倍。4号传感器测得的1 m处东西向振动加速度是对比风机同等位置的3.3倍。5号传感器测得的混凝土基础的南北向振动加速度是对比风机混凝土基础振动加速度的6.5倍。

图3 风速7 m/s～10 m/s时停机工况下问题风机顶端测点主风向振动时程图

图4 转动工况下对比风机顶端测点主风向振动时程图

图5 转动工况下问题风机顶端测点主风向振动时程图

图6 手动偏航工况下对比风机顶端测点主风向振动时程图

图7 手动偏航工况下问题风机顶端测点主风向振动时程图

表3 风机停机工况下各测点加速度最大值

表4 风机转动工况下各测点加速度最大值

表5 风机手动偏航工况下各测点加速度最大值

混凝土通常是带裂纹工作的[15]，如果混凝土基础的强度和刚度设计不符合规范要求而且振动太过激烈，会导致风机塔混凝土基础出现拉断或者压溃，从而形成可见裂缝，裂缝的产生又会使风机塔的振动特性发生改变，由表3至表5分析可知基础出现裂缝的风机塔振动加速度会明显增大。

2.2 两座风机塔振动频域特性对比

风机塔的主要振动能量集中在塔筒的第1阶固有频率处[2,11,14]，其它固有频率处非常不突出。对采集到的振动数据进行自功率谱平均分析（平均窗为20 480×64），得到振动的自功率谱图如图8至图10。统计其振动的前3阶固有频率，基于半功率谱细化法计算出固有频率点的阻尼比如表6所示。

由表6可以看出，问题风机的第1阶固有频率、第1阶阻尼比相对于对比风机稍微减小，但是差距不大，第1阶固有频率仅仅减少了2.4%左右。其对应的阻尼比减少11%，基础出现裂缝的风机塔的第2阶和第3阶固有频率值比正常风机高11%左右，差距也不是很大，另外阻尼比计算和测量都存在较大误差，所以仅能作为风机振动特性的参考。

表6 风机塔的第1阶固有频率及第1阶阻尼比

从图8至图10的自功率谱图中可以看出，对比风机的第1阶固有频率大概为0.41 Hz，振动主要发生在第1阶固有频率处，其他频率的振动能量较小；而问题风机的第1阶固有频率大概为0.40 Hz，在第1阶固有频率处振动产生能量很大，但是在1.32 Hz处振动也是非常明显的，甚至主要振动能量集中在1.32 Hz，由表6可知1.32 Hz为问题风机的第3阶固有频率。对比图9和图10可以发现问题风机在第3阶固有频率处的能量是对比风机在第3阶固有频率处能量的30倍以上，再对比图8和图10可以看出，正常风机的第3阶固有频率处振动能量不到第1阶固有频率处振动能量的0.5%，而问题风机的第3阶固有频率处能量是第1阶固有频率处能量的60%以上，甚至可以达到2倍以上。以上分析可以发现基础出现裂缝的风机塔的振动能量不再集中在第1阶固有频率处。

图8 对比风机典型自功率谱图

图9 对比风机典型自功率谱图频率大于0.6 Hz部分

图10 问题风机典型自功率谱图

3 结语

在横向脉动风载荷的作用下风机塔容易产生振动，带给基础巨大的拉压力和倾覆力距，混凝土基础裂缝是风机塔普遍存在的现象，也是威胁风机塔安全运行的重要病害之一，裂缝的深度测量需要挖开基础表面，这可能会对结构产生进一步的破坏，而裂缝对风机塔安全运行的影响程度也难以快速评估。本文在相同时间段内测试基础有裂缝的风机塔和相同区域内完好无损风机塔振动之后，通过对比三种工况下两座风机塔的振动特性，发现基础裂缝和风机塔振动特性之间存在以下关系：

（1）两座风机塔的第1阶固有频率都为0.4 Hz左右，而高阶固有频率值差距也不大，说明裂缝对固有频率值影响不明显。

（2）基础存在裂缝的风机塔第3阶和其第1阶的FFT幅值的比值超过60%，而完好风机塔第3阶和其第1阶的FFT幅值的比值不足0.05%，说明基础存在裂缝的风机塔高阶固有频率对振动的贡献明显增大。

（3）基础存在裂缝的风机塔在3种工况下振动都比对比风机塔剧烈，手动偏航冲击下最明显，顶端振动加速度可以达到对比风机的2.6倍。

综合以上结论表明：风机塔的基础开裂会在振动信号中得到明显反映，裂缝会使风机塔的加速度幅值明显增大，造成剧烈摇摆；固有频率值对基础的开裂不敏感，但是其高阶的FFT幅值会有明显增大。测试结果可以为快速评估基础裂缝的严重程度以及对风机塔安全运行的影响程度提供一定参考。

[1]阎石，牛健，于君元，等.风力发电机塔架结构减振控制研究综述[J].防灾减灾工程学报，2016，36(1)：75-83.

[2]刘贻雄.大型风力机塔筒结构动力学与稳定性分析[D].兰州：兰州理工大学，2012.

[3]马人乐，黄冬平.风电结构亚健康状态研究[J].特种结构，2014，31(4)：1-4.

[4]吕伟荣，朱峰，张家志，等.风机基础损伤破坏发展机理研究[C].全国结构工程学术会议，2015.

[5]章子华，周易，诸葛萍.台风作用下大型风电结构的破坏模式研究[J].振动与冲击，2014，33(14)：143-148.

[6]孔德伟.风机基础钢环与混凝土锚固机理分析与试验[D].湖南：湖南科技大学，2012.

[7]张立英.风机基础结构数值模拟及优化设计研究[D].天津：天津大学，2009.

[8]戴靠山，王英，黄益超，等.风力发电塔结构抗风抗震、健康检测和振动控制研究综述[J].特种结构，2015，32(3)：91-100.

[9]章子华，王振宇，刘国华.风电场脉动风模拟及风机塔架动力响应研究[J].太阳能学报，2011，32(7)：992-998.

[10]娄海英.风机振动检测与监控系统分析[D].北京：北京交通大学，2008.

[11]何先龙，佘天莉，徐兵，等.基于塔筒振动特性识别的风机塔螺栓松动的研究[J].振动与冲击，2016，35(14)：112-118.

[12]陈鑫，李爱群，王咏，等.自立式高耸结构风振动控制方法研究[J].振动与冲击，2015，24(7)：149-155.

[13]CHOU JUI SHENG,TU WAN TING.Failure analysis and risk management of a collapsed large wind turbine tower[J].Engineering Failure Analysis,2011,18(1):295-313.

[14]陈鑫，李爱群，王洪，等.自立式高耸钢结构黏滞阻尼减振技术及其设计方法[J].建筑结构学报，2016，37(6)：78-84.

[15]张华，郭继鑫，傅玉珍，等.冲击作用下混凝土裂纹扩展试验研究及数值模拟[J].振动与冲击，2016，35(17)：107-112.

Vibration Test andAnalysis of Wind Turbine Towers with Cracks in Concrete Foundations

JIA Xing-jian,YANG Xue-shan,HE Xian-long,SHE Tian-li
（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China EarthquakeAdministration Bureau,Harbin 150080,China）

The phenomena of cracking and uneven settlement are often found in the foundations of the wind turbine towers which may cause the towers to collapse.Compared with the uneven settlement,it is difficult to measure the cracks especially the internal cracks in the foundations directly.It is also difficult to evaluate the influence of the cracks on the safety of the towers.In this study,the vibration test and analysis are carried out on the wind turbine towers with cracked foundations.First of all,the vibration test is carried out on two wind turbine towers of the same type in the same site.One tower has cracks in the concrete foundation and the other as a reference is intact.Then,the vibration characteristics of the two wind turbine towers are analyzed.Finally,the natural frequencies,vibration intensities and some other vibration characteristics of the two towers are compared.It is found that the first three-order natural frequencies of the two towers only have small differences but the FFT amplitude ratio of the first order and the third order of the tower with cracked foundation is much larger than that of the reference tower.The difference of maximum acceleration values of the two towers in breeze condition is small.But under the larger wind or the engine room yawing condition,the maximum acceleration value of the failure wind turbine tower is significantly greater than that of the reference tower.The test results show that,the vibration intensity of the tower is sensitive to the foundation cracks and the natural frequency is less sensitive,but the high order FFT amplitude is sensitive to the foundation cracks.Test results can provide a reference to quickly evaluate the seriousness of foundation cracks and the influence of this type of defects on the safety of wind turbine tower operation.

vibration and wave;wind turbine tower;vibration characteristics;cracks in concrete foundation;fault detection

U467.4+92

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.033

1006-1355(2017)06-0163-05+205

2017-04-05

中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（2017B02）；国家自然科学基金青年基金资助项目（51508536）

贾行建（1993-），男，湖北省襄阳市人，硕士研究生，主要从事测试计量技术及仪器的研究。

何先龙，男，副研究员。E-mail:524245186@qq.com