近斷層地震滑沖效應(yīng)下風(fēng)力發(fā)電塔動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)控制試驗(yàn)研究

陳俊嶺　陽(yáng)榮昌　馬人樂(lè)

（同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092） 摘 要：為研究近斷層地震滑沖效應(yīng)脈沖對(duì)大功率風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)的影響及應(yīng)對(duì)措施，以丹麥某3 MW風(fēng)力發(fā)電塔為原型制作縮尺模型并設(shè)計(jì)相應(yīng)滾球減振器進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，考察其非線性動(dòng)力響應(yīng)及振動(dòng)控制裝置的有效性.選取具有滑沖效應(yīng)脈沖的1999年ChiChi地震TCU052臺(tái)站記錄及其過(guò)濾修正記錄作為輸入，對(duì)比分析不同輸入下無(wú)控制裝置時(shí)模型的響應(yīng)并建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊Ｐ蛯?duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果；考察設(shè)置滾球減振器后模型在有滑沖效應(yīng)脈沖記錄下的響應(yīng)，對(duì)比分析了在總重相等時(shí)單個(gè)滾球和多個(gè)滾球布置方案下減振器的減振效果.研究表明：近斷層地震滑沖效應(yīng)脈沖使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯增大，建造在地震帶上的大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮其不利影響；設(shè)置滾球減振器可有效減小塔架結(jié)構(gòu)響應(yīng)均方差30%～40%，且多個(gè)滾球布置方案優(yōu)于單個(gè)滾球.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電塔；滑沖效應(yīng)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TK83； TU359 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

--------------------------------------------------------------------------------

在能源危機(jī)的大背景下，風(fēng)能作為一種綠色能源正得到世界各國(guó)的重視，并被開(kāi)發(fā)利用.為獲得更大的電力生產(chǎn)能力，風(fēng)力機(jī)的尺寸和重量都不斷大幅度增加，需要采用更高的支撐塔架把機(jī)艙和葉輪等部件舉得更高.風(fēng)力發(fā)電塔作為高聳結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)與一般建筑結(jié)構(gòu)不同，水平荷載通常起控制作用.由于風(fēng)電業(yè)發(fā)達(dá)的北歐地區(qū)為非地震多發(fā)區(qū)，因此很多研究人員針對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔的風(fēng)致響應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展了大量研究.近些年來(lái)，隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，不少風(fēng)電場(chǎng)位于地震動(dòng)活躍區(qū)域，因此，研究人員開(kāi)始采用數(shù)值分析和試驗(yàn)手段針對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行研究.德國(guó)《Guideline for the Certification of Wind Turbine》規(guī)范＼[1＼]和日本《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備支持物構(gòu)造設(shè)計(jì)指針及解說(shuō)》（2010）＼[2＼]均指出在設(shè)計(jì)位于地震動(dòng)活躍地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電塔時(shí)應(yīng)考慮地震作用的影響.Bazeos等＼[3＼]以某450 kW水平軸風(fēng)力發(fā)電塔為原型，考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用建立有限元模型，用時(shí)程分析法計(jì)算其在地震作用下的響應(yīng)，指出精細(xì)模型和簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果很相近.Lavassas等＼[4＼]則基于某1 MW風(fēng)力發(fā)電塔采用反應(yīng)譜法計(jì)算了該結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)，并通過(guò)在基礎(chǔ)和塔筒之間設(shè)置接觸單元來(lái)考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用.Prowell等＼[5＼]通過(guò)足尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和梁柱單元有限元模型考察了某65 kW小型風(fēng)力發(fā)電塔的抗震性能，指出其動(dòng)力響應(yīng)以一階振型為主.賀廣零等＼[6＼]通過(guò)建立“槳葉

--------------------------------------------------------------------------------

塔體

--------------------------------------------------------------------------------

基礎(chǔ)”整體模型研究了地震作用下土與結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)會(huì)放大結(jié)構(gòu)響應(yīng).

由此可見(jiàn)，已有的關(guān)于風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究多集中于遠(yuǎn)場(chǎng)地震，而我國(guó)有部分風(fēng)電場(chǎng)位于地震帶上，如福建省東山風(fēng)電場(chǎng)和河北省張北風(fēng)電場(chǎng).近斷層地震具有許多顯著不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震的特征，其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞程度更為嚴(yán)重 ＼[7＼].風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)作為高柔結(jié)構(gòu)體系，頂部有較大的集中質(zhì)量，結(jié)構(gòu)周期相對(duì)較長(zhǎng)，近斷層地震作用的影響更應(yīng)引起研究人員的注意.目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔架的計(jì)算模型可分為2種：一為帶有葉片、機(jī)艙等設(shè)備的整體模型；一為將葉片和機(jī)艙簡(jiǎn)化為塔頂集中質(zhì)量的簡(jiǎn)化模型.根據(jù)Prowell等＼[5＼]的分析，當(dāng)研究重點(diǎn)為風(fēng)力發(fā)電塔架的特性時(shí)，采用塔頂集中質(zhì)量的簡(jiǎn)化模型和帶有葉片、機(jī)艙的整體模型計(jì)算所得一階自振特性幾乎沒(méi)有差別，且塔架響應(yīng)以一階振型為主.因此，本文以丹麥某3 MW機(jī)組為原型，將葉片、機(jī)艙的重量集中在塔頂，按實(shí)際塔架高度的1/20制作了縮尺模型，研究塔架結(jié)構(gòu)在有滑沖效應(yīng)近斷層地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)設(shè)計(jì)滾球振動(dòng)控制裝置研究其控制效率.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2013年

第8期 陳俊嶺等：近斷層地震滑沖效應(yīng)下風(fēng)力發(fā)電塔動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)控制試驗(yàn)研究

1 近斷層地震滑沖效應(yīng)

近斷層地震通常指距離斷層20～60 km區(qū)域場(chǎng)地的地震動(dòng)＼[7＼]，是一種因斷層快速滑動(dòng)使地震剪切波沿著斷層傳播引起的地面運(yùn)動(dòng).震源機(jī)制、斷層破裂方向、斷裂面相對(duì)滑動(dòng)方向以及場(chǎng)地條件等因素的影響使得近斷層地震地面運(yùn)動(dòng)具有兩大明顯區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)地震地面運(yùn)動(dòng)的突出特點(diǎn)，即滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng).滑沖效應(yīng)是指斷層上下兩盤由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得地震動(dòng)的速度時(shí)程中出現(xiàn)單方向半脈沖進(jìn)而導(dǎo)致地面出現(xiàn)階躍式不可恢復(fù)位移的特性，一般激起結(jié)構(gòu)體系的基本振型響應(yīng)；當(dāng)滿足破裂前峰朝向場(chǎng)地傳播和斷層面上的滑動(dòng)方向指向場(chǎng)地時(shí)，斷層破裂就會(huì)發(fā)生向前方向性效應(yīng)，向前方向性效應(yīng)一般激起高階振型的響應(yīng)＼[8＼].一般認(rèn)為滑沖效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的影響大于向前方向性效應(yīng)＼[7＼]，大功率風(fēng)力發(fā)電塔架為高柔結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)周期相對(duì)較長(zhǎng)，因此本文重點(diǎn)研究滑沖效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)的影響.

本文中滑沖效應(yīng)脈沖模型采用文獻(xiàn)＼[9＼]中typeA模型，見(jiàn)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為脈沖周期；ωp表示脈沖圓頻率，ωp=2