基于电涡流-调谐质量阻尼器的海上风电筒型基础结构减振研究

2019-10-21练继建董霄峰王海军

振动与冲击 2019年19期

练继建，赵悦，练冲，董霄峰，王海军

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

海上风能资源虽然具有清洁、可再生、蕴藏丰富等优点，但是与陆上风能开发相比，其资源开发也同时存在成本高、运行维护困难等问题[1]。根据国际可再生能源署发布的报告预测，2025年的海上风电成本可能比2015年下降35%，海上风电的竞争力将逐步提升[2]，将成为我国电力行业未来发展的重要方向之一。

海上风电结构在复杂环境荷载作用下，结构振动明显，疲劳损伤现象时有发生。目前，减小结构振动方法主要有两种，即增强结构水平刚度和增加减振器。由于前者存在工程量巨大、成本过高的缺陷，因此增加减振器方法是一种高效低成本解决此类问题的有效途径。根据是否需要外界能源输入，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制[3]。被动控制阻尼器，如调谐质量阻尼器(Turned Mass Damper, TMD)和调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper, TLD)在工程中均有着广泛应用。传统TMD结构作为一种被动控制阻尼器，具有形式简单、安装方便等特点。同时，也存在液压或气压阻尼器易出现漏油或漏气问题、调节困难、结构需要定期维护等缺点[4]。与之相比，电涡流阻尼器(Eddy Current Damper，ECD)作为一种新型阻尼器，具有不接触被控结构、不需要粘滞阻尼液体密封和便于控制等优点，因此，研究其在高耸结构、大跨度桥梁、输电塔、海洋平台等工程中的应用具有现实意义与工程价值[5-7]。近年来，结合ECD与TMD组合而成的EC-TMD(Eddy Current-Tuned Mass Damper)兼顾了ECD和TMD优势，充分发挥ECD非接触阻尼和TMD自振频率可调的特点，在理论和工程应用方面都得到了较快发展。陈政清等[8-9]采用三维有限元模型和试验方法为准确设计和评估ECD的阻尼特性提供依据。汪志昊等[10-11]对摆式电涡流TMD构造理论分析和模型试验研究，重点研究了磁场吸引力和永磁铁布置对振动频率和等效阻尼系数影响。张琪等[12]通过附加EC-TMD的框架结构振动台试验，考察了该装置对高层建筑结构的减振控制效果。陈政清等[13]探索了EC-TMD在钢-混凝土组合楼盖振动控制可行性。雷旭等[14]将新型EC-TMD应用于大跨度钢拱桥吊杆减振中，并进行了风洞试验、理论分析和现场实测评估等。Lu等[15]通过小比尺、中比尺试验和数值模型方法，分析在超高层建筑—上海中心塔中使用新型的EC-TMD，提高该结构的抗风和抗震能力分别达45%～60%和5%～15%。

目前，学者重点关注两种类型的EC-TMD，即水平电涡流-调谐质量阻尼器(Horizontal Eddy Current-Tuned Mass Damper，HEC-TMD)和摆式电涡流-调谐质量阻尼器(Pendulum Eddy Current-Tuned Mass Damper，PEC-TMD)。然而，在应用中发现这两种EC-TMD都存在数值模拟过程中电涡流阻尼表达困难的问题。同时，新型EC-TMD在海上风电结构减振中的应用鲜有研究。因此基于上述原因，本文开展EC-TMD在海上风电筒型基础结构减振可行性的研究。首先基于ECD减振机理提出两种EC-TMD结构形式，分别介绍其用于实际工程的设计参数，其次提出将EC-TMD结构转化为传统TMD结构的计算方法，以便在数值模拟中表达，最后将EC-TMD结构应用于江苏响水海上风电复合筒型基础结构实际工程模拟中，分析其在极端风荷载作用下的减振效果，从而阐明了EC-TMD在海上风电结构减振应用的可行性与优越性。

1 EC-TMD结构体系转化为TMD结构体系

ECD利用电涡流减振是通过导体板切割磁场产生电涡流阻力来实现的。为了方便表达，在单自由度结构顶部位置设置减振器(见图1)。其动力平衡方程可表示为

(1)

对式(1)中第2式除以md，简化可得

(2)

式中:ξd和ωd分别为减振器结构的阻尼比和自振频率。

图1 主结构与减振器动力学示意图

图2给出了HEC-TMD和PEC-TMD构造简图，HEC-TMD主要由质量块、弹簧、永磁铁和导体板构成；而PEC-TMD主要由质量块、钢缆、永磁体和导体板构成。两种ECD减振器的阻尼比ξd表达式相同，而频率ωd不同[16]。两种不同的减振器ξd和ωd可分别表示为：

HEC-TMD

(3)

PEC-TMD

(4)

式中:cd，md，kd，ωd，σ，δ，S和B均参见前式变量说明；L和g分别为PEC-TMD结构的钢缆长度和重力加速度。通过式(3)和式(4)可知，两种新型HEC-TMD和PEC-TMD在阻尼比和频率方面与经典TMD结构具有类似的表达式。因此，通过等效变量的方法可以将这两种EC-TMD在数值模拟过程中进行合理设置，有效避免了复杂的电磁相互耦合过程模拟。同时需要注意的是，推导过程是在理想假设的前提下进行的，如果磁场分布不均匀或磁场范围超出导体板面积导致磁感应强度变化剧烈，出现强非线性电涡流阻尼力。那么，此处的线性黏弹性阻尼将不再成立。因此，需要保证导体板面积要大于磁场范围，同时磁铁与导体板平行相对运动。

(a) HEC-TMD示意图

(b) PEC-TMD示意图

图2 EC-TMD结构形式

Fig.2 EC-TMD structure forms

2 海上风电复合筒型基础结构原型观测

以江苏响水海上风电场复合筒型基础风机为研究对象，构造参数如表1所列，该基础形式承载能力高、抗疲劳能力强，近年来得到逐渐推广[17]。同时，针对响水海上风电筒型基础结构开展振动原型观测，风机塔筒顶部布置有三向振动位移传感器，如图3所示。图中①、②和③分别为海上风电结构、振动位移传感器和复合筒型基础。

表1 响水风电场海上风电结构参数

图3 海上风电筒型基础结构振动监测

图4给出了现场原型观测获得停机状态下塔筒顶部振动位移数据频谱，其所对应主频为0.35 Hz，该频率是观测海上风电复合筒型基础结构的1阶自振频率。采用半功率带宽法计算结构阻尼比[18]，公式为

(5)

式中:ξ为阻尼比；f1和f2分别为在频谱图中共振峰值0.707 倍与原曲线交线对应横坐标值。由图4可知，停机状态下，该海上风电筒型基础结构的阻尼比取为2.06%。

图4 停机工况频谱图

3 EC-TMD在海上风电筒型基础结构中应用

3.1 数值模拟

利用大型有限元分析软件ABAQUS[19]建立详细的三维有限元模型和EC-TMD,如图5所示。塔筒和筒型基础使用3D壳单元模拟，预应力过渡段和土体使用3D实体单元模拟，预应力钢绞线使用桁架单元模拟。上部结构等效为质量块，塔筒高78.5 m，建模中塔筒采用弹性模型，复合筒型基础分为下部钢筒、混凝土顶板及预应力混凝土过渡段，底部筒体直径为30 m，筒裙高为10 m，结构阻尼采用Rayleigh阻尼。数值模型中土体与筒型基础使用接触对模拟相互作用，其中切向摩擦系数取为0.3，法向设置为硬接触。模拟过程中采用无限元边界[20]以避免边界效应对计算结果的影响。详细的现场地勘土层参数见表2。

(a) 有限元-无限元整体模型

(b) 局部模型与两种EC-TMD结构

图5 海上风电结构数值模型和EC-TMD结构

Fig.5 Numerical model of offshore wind turbine and EC-TMD structures

表2 现场地勘土层参数

利用ABAQUS中索斯法(Lanczos)和无质量地基对数值模型进行模态分析，获得前2阶自振频率、振型和模态质量见表3所列(忽略对称模态)。考虑1阶模态是风电结构在环境荷载激励下体现的主要模态，对比数值模拟1阶自振频率与实测值0.35 Hz非常接近，说明所建立数值模型与实际工程等效，可用于后续研究。

表3 数值模型前2阶模态信息

图6 海上风电结构前2阶模态

3.2 EC-TMD参数与极端风荷载

利用Warburton公式[21]对EC-TMD结构进行频率比和阻尼比优化。表4给出了EC-TMD结构参数与配置，其中EC材料为采用紫铜(T1)作为导体铜板材料、永磁体为钕铁硼(Nd2Fe14B)，并假设这些材料在使用期内参数保持不变。将EC-TMD结构布置在塔筒顶部第一层平台，模拟归纳不同EC-TMD参数和形式下塔筒顶部减振效果。

表4 EC-TMD结构参数

(b) HEC-TMD和PEC-TMD参数配置

对于海上风电结构，极端风荷载是设计的关键控制因素之一。本工程极端设计平均分别取工况1：参考风速vref=37.5 m/s，湍流强度I15=0.14和工况2：参考风速vref=42.5 m/s，湍流强度I15=0.16；选择Kaimal谱作为脉动风速谱[22]。风荷载施加在三段塔筒中部和等效质量块中心，风荷载计算方法详见文献[23]。因此，计算可以得到极端风荷载合力时程曲线,如图7所示。

图7 极端风荷载时程曲线(合力)

3.3 数值模拟结果

以工况2计算结果为例，塔筒顶部振动位移和加速度曲线,如图8所示。从图8可知，加减振器后加速度曲线均位于无减振器曲线以下。0～10 s和60～80 s，由于减振器迟滞和惯性效应，有减振器结果略大于无减振器结果。其余时刻，减振器与主结构发生相对运动，EC-TMD减振器充分发挥减振作用，效果明显且两种EC-TMD结构减振效果相似。工况1和2减振效果对比振动位移和加速度均方根见表5。位移幅度可减小21%～33%。同时，考虑不同的质量比结计算结果进行对比，EC-TMD减振效果相差7%～11%左右。由此可知，EC-TMD在海上风电筒型基础结构减振控制中具有良好的表现，为海上风电结构减振提供了一个新的思路。