风力发电塔近、远场地震动响应减震效果分析

王佳龙，冯 娜

（1.湖北建科国际工程有限公司银川分公司，宁夏 银川750105；2.银川能源学院，宁夏 银川750105）

随着传统能源的枯竭和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁无污染的可再生能源，受到世界各国越来越多的重视。我国近些年来大力发展新能源，各地建设了一批风力发电塔结构，并于2010年成为世界第一风电装机大国[1]。现代风力机起源于地震灾害较少的欧洲地区，主要在北欧等地震不活跃地区修建，因此在设计中对地震荷载并未给予足够的重视[2]。而我国有部分风电场位于地震带上，如位于宁夏西北部贺兰山麓南端的贺兰山风电场位于贺兰山地震带上。近场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[3]。Stamatopoulos[4]认为近场地震动对风力发电塔结构具有显著影响。Patil[5]认为，近场地震动对1.65MW风力发电塔结构的动力响应影响较明显。因此，分析风力发电塔结构在近、远场地震荷载作用下的动力响应，并对其进行震动控制十分必要。相关研究指出[6]，将黏滞流体阻尼器应用于风力发电塔结构能够有效减小结构的震动响应。本文首先通过有限元分析软件ABAQUS建立某塔高为78m的2.5MW风电塔有限元模型，然后对该2.5MW风电塔结构进行近、远场地震荷载作用下的动力响应分析，最后将黏滞流体阻尼器应用于风力发电塔结构，验证其对风力发电塔结构在地震载荷作用下的减震效果。

1 风电塔结构有限元模型

为分析风力发电塔结构在地震荷载作用下的动力响应，本文以某塔高为78m的2.5MW三桨叶变桨距水平轴风力发电塔为原型，通过通用有限元分析软件ABAQUS建立该风力发电塔结构的有限元模型。该风电塔由桨叶、机舱、塔架和基础等构成，叶片和机舱质量分别为38t和65t。由于风电塔塔筒厚度方向的尺寸小于其他维度尺寸的1/30，故塔筒采用壳单元（S4R）模拟，该钢塔筒材料选用Q345钢材，Q345钢弹性模量E=2.06×105N/mm2，密度为7850kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服强度取345MPa，屈服后弹性模量取0.01E。由于IEC[7]规范建议停机状态下的风电塔的结构阻尼比为1%，本文风电塔结构有限元模型采用瑞利阻尼，阻尼比按IEC规范建议取1%。由于本文主要关注风力发电塔结构在地震荷载作用下的动力响应及减震分析，并未考虑SSI效应对风电塔结构动力响应的影响，故在建模过程中将风电塔底部作固接处理。

2 风力发电塔近、远场地震动响应分析

2.1 近、远场地震动记录

近年来，地震的发生及其造成的近场震区的严重破坏引起人们对近场地震动的极大关注。较远场地震动而言，近场地震动具有明显的大幅值、长周期脉冲作用，高耸的风力发电塔结构自振周期较长，Patil[5]认为，近场地震动对风力发电塔结构的动力响应影响更大。近场地震动的定义通常是指到断层距离不超过20km场地上的地震动。但关于近场地震动的定义并不统一，Stewart等[8]认为近场地震动断层距的界限值应取在20~60km之间。目前，从大量文献研究的结果来看，这一界限值范围是被趋于认同的。为避免不同震源机制的干扰和影响，本文选择来自同一地震（1994年美国Northridge地震）记录地震动记录对结构进行非线性动力时程分析，选择美国Northridge地震记录到的近、远场地震动记录各12条（如表1、表2所示）。

2.2 近、远场地震动响应分析

本文按照结构在8度罕遇地震作用下进行计算分析，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[9]，近、远场地震动的峰值加速度均调整为400Gal。通过有限元分析软件ABAQUS在结构基底施加3向地震动加速度时程（水平主向（X）：水平次向（Z）：竖向（Y）=1:0.85:0.65），计算结构在近、远场地震荷载作用下的动力响应，并对其进行分析。

本文重点研究风力发电塔结构在近、远场地震荷载作用下的动力响应，因而对其他因素作相应的简化：基础采用固结，不考虑SSI效应对风电塔结构动力响应的影响；暂不考虑行波效应。地震荷载作用下，风力发电塔的最大弯矩和剪力一般出现在结构基底位置；同时由于风轮、转子等设备正常使用极限状态的要求，对风电塔结构顶部的位移和加速度也有相应的要求。因此在分析时，重点研究风电塔结构在近、远场地震荷载作用下，其顶部绝对加速度、顶部相对位移、基底剪力、基底弯矩响应峰值（如表3、表4所示）。

从表3、表4可以看出，近场地震动对该2.5MW风力发电塔结构动力响应的影响比较显著，在同一地震作用下，远场地震动作用下响应的平均值仅为同一地震近场地震动作用下响应平均值的35%～60%。由此可见，近场地震动对风力发电塔结构的动力响应有重要影响，应引起相关研究人员注意。

表3 近场地震荷载作用下风力发电塔动力响应

表4 远场地震荷载作用下风力发电塔动力响应

3 黏滞流体阻尼装置减震效果分析

由上述分析可知，近场地震动对风力发电塔结构具有较大危害，为保证风电机组的安全，有效途径之一便是采取震动控制措施。黏滞流体阻尼器其耗能能力较强、无附加刚度、适用性好、维护费低，这些特点使得其在全世界数以百计的工程结构中得以应用，成为应用最为广泛的震动控制装置之一。

在结构基底输入Newhall-W Pico Canyon Rd.台站记录到的地震动记录，调整其峰值加速度为400Gal，其中，水平主向（X）：水平次向（Z）：竖向（Y）=1:0.85:0.65。为评估黏滞流体阻尼装置对于抑制风力发电塔结构动力响应的有效性，文中定义减震率m（式1），表5给出了风力发电塔结构在有无黏滞流体阻尼器下动力响应的分析结果。

表5 减震效果分析

式中，m-风电塔结构在装有黏滞流体阻尼装置的减震率；r-未控风电塔结构响应峰值；rD-受控风电塔结构响应峰值。

表5 可以看出，通过设置黏滞流体阻尼器，可以较明显地减小风力发电塔结构的动力响应，减震率m可以达到20%以上。说明黏滞流体阻尼器能够消耗输入结构的振动能量，确保结构在地震中的安全。

4 结束语

通过对某2.5MW风力发电塔进行建模，对该2.5MW风力发电塔结构在近、远场地震荷载作用下的动力响应进行了研究，并结合风力发电塔自身特点将黏滞流体阻尼器应用于风力发电塔结构中，并检验其有效性。本文主要结论为：近场地震动对风力发电塔结构动力响应的影响比较显著，在同一地震荷载作用下，远场地震动的响应的平均值仅为同一地震作用下近场地震动响应平均值的35%～60%。近场地震动风力发电塔结构的动力响应有重要影响，应引起相关研究人员的注意。