地震作用下风机塔筒结构动力响应分析

刘芳平 潘冬冬 刘 灵 付志伟

（江西大唐国际新能源有限公司，南昌 330046）

随着世界经济的快速发展，环境问题也越来越严重，人们逐渐转向清洁无污染的能源，例如，太阳能、风能等。根据近几年的研究发现，风能的利用远远高于其他的能源。我国在风能的利用上起步较晚，但总的来说发展迅速。但是由于我国自主风电研发能力不足，风电都是依赖于进口，导致了我国的风电建设受到限制[1]。风电的支撑体系是风机塔筒，如果缺乏对塔筒的自主研发，一味的依赖于进口，在风机塔筒的实际利用上不考虑实际的情况，将会使得整个风电系统陷入瘫痪，因此研究风机塔筒对我国的风电建设十分有意义。

1 风机塔筒结构主要破坏形式

世界风电建设技术已经十分完善，但是由于我国风电建设起步较晚，风机主要依赖于外国进口，外国一些先进的风电建设技术并没有引进到国内。另外，我国有些企业抢夺风力资源或风电建设期间抢进度，导致风机基础建设存在安全隐患。并且，在风电并网运行期间，设备运维人员管理不到位，飞车引起风机倒塌事件的发生[2]。

风机支撑系统是由风机塔筒和基础组成的。塔筒结构破坏导致风电事故的发生的所占比例最大，约为18.0%，其次是变速箱16.0%，发电机13.0%[3]。因此，塔筒结构的设计对风机支撑系统的研究十分重要。

2 风机塔筒结构地震响应分析

风机地震结构的分析方法主要有三种：一种是考虑各种非线性特性，例如大变形、塑性等，这种是完全法瞬态动力分析；一种是在施加单元荷载时，仅仅施加在自由度上的缩减法瞬态动力分析；一种是采用模态分析所得到结构的不同振型与不同振型下的因子相乘并求和来得到计算结果的模态叠加法瞬态动力分析[4]。其中，完全法的瞬态动力分析是指利用完整的矩形阵来进行计算，这种算法在进行计算的时候可以进一步的对其进行施加，其中包括单元荷载，初始位移。缩减法瞬态动力分析主要是在主自由度的基础上进行计算的，并且在计算的时候只是施加初始的位移，并且不能够像完全法的瞬态动力分析法那样施加一定的荷载。由于在施加的时候只是主自由度的位移，因此得到的结果也只是主自由度的位移。除此之外，还有模态叠加法瞬态动力分析法，这种方法可以加单元的荷载引入到实际的瞬态的动力分析中，在对非线性的分析往往不会考虑那么多，仅仅是考虑对点之间的接触。

2.1 地震波特性分析

在对地震波的特性进行分析的时候，可以采取两种方法，一种就是不断的对地震波的数值进行修改，使得修改的地震波的影响因素的曲线能够与传统意义上的地震波的影响因素的曲线进一步的进行吻合，还有一种是利用地震波的加速度进行分析。在对风机塔筒的结构进行分析的时候，首先需要对地震波进行选取，然后对地震波的特性进行分析。在地震波的选取时，要考虑的因素有：建筑物的抗震设防，地震的基本烈度。

在地震波的选取的时候通常不是随便进行的，而是需要满足一定的条件，具体的条件如下：

（1）在进行风电机构设计的时候所选取的地震波必须要与风机结构的振型周期最为接近，只有这样才能够最真实的反映出风电机构的特性。

（2）在进行地震机构进行设计的时候需要进一步的对地震波的加速度的峰值详细的记录，并根据风机的级别进行有效的设置，这个级别是指抗震的级别，只有两者的加速度的峰值十分的接近，才能够进一步的对不规范的加速度进行有效的调整。

（3）根据风电场的场地的速度也就是剪切的速度以及基础的覆盖风电场的土层的厚度来对风电场的场地进行有效的区分，并对建筑物的周期进行确定，只有从这几个方面来进行风电结构的确立，才能够进一步的确定风机塔筒的结构。

2.2 结构最不利地震波输入方向研究

在风-震组合下，风机的塔筒结构发生变化也与地震波的方向有密切的关系，主要体现在0°方向，在这个方向下风机的塔筒结构加速度的最大值反应最大。除此之外在90°、60°度和30°度方向输入地震波，风机塔筒的加速度也有一定的反应。地震动0°方向输入使结构的位移反应最大，达到1.007m，该值超过了由风荷载起主控作用的结构稳定界限值0.672m，但未超过结构的材料安全界限值1.081m。地震动90°方向输入使结构产生最大应力值，其次是0°方向输入。上述的研究表明，要想在地震作用下保证风机塔筒的结构的稳定安全，必须从30°方向输入，其中对风机塔筒结构造成的影响最大的方向就是地震波与风的作用方向垂直。当地震波与风的作用方向相互垂直的时候，容易使得风机塔筒发生严重的结构损坏，使塔筒开口处顶部位置产生最大应力及最大应变。因此，可以根据该地区最常见的地震波方向以及作用力较大的风向来对风机塔筒进行改善加固，增强风机塔筒的性能，加固风机塔筒薄弱位置[5]。

3 结论

有研究显示从X、Y、Z三个轴的方向输入地震波，最后发现从X方向输入的地震波对风机塔筒的结构影响最大，在此方向上风机塔筒的加速度以及结构变化十分的明显，并且与对地震波载波的大小、位移等有密切的关系。对风机的结构进行改造时，应该根据地震波的输入方向来对风机塔筒进行合理的设计，尽量避免地震波从X方向输入，同时也要加强风机塔筒的性能，进一步提升风机塔筒的抗震功能，从而更好的发挥作用。除此之外，在进行研究的时候还应该对风机塔筒结构的高耸性，柔性结构，土体等进行考虑，也要充分的考虑有风或无风情况下土体对风机塔筒结构的影响。