文 | 李書(shū)文,祝磊,姚小芹,楊洪源
水平軸風(fēng)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒反應(yīng)譜分析*
文 | 李書(shū)文,祝磊,姚小芹,楊洪源
風(fēng)電機(jī)組的塔架支撐機(jī)艙和葉輪,是風(fēng)電機(jī)組的骨架,它為葉輪提供所必須的高度,既承擔(dān)風(fēng)電機(jī)組的全部重量,又直接影響風(fēng)電機(jī)組的工作可靠性和性能。因此了解風(fēng)電機(jī)組塔架在工作時(shí)的應(yīng)力、位移和振型是塔架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái),隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量逐漸增大,塔頂葉輪和機(jī)艙的重量也逐漸增大,這就要求塔架的結(jié)構(gòu)尺寸和重量也越來(lái)越大?,F(xiàn)在主流的鋼結(jié)構(gòu)塔架不僅用鋼量大,在施工方面也相當(dāng)困難。因此,一些研究人員開(kāi)始把精力投放在鋼筋混凝土塔架上。
中國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家之一,而且眾多風(fēng)電場(chǎng)分布在地震高烈度區(qū)。風(fēng)電機(jī)組的葉輪葉片位于塔筒頂部,剛度較小,在地震力作用下易產(chǎn)生端部的“鞭梢效應(yīng)”,不利于葉片安全運(yùn)行,而塔架頂部支撐機(jī)艙和葉輪,結(jié)構(gòu)上頭重腳輕,也不利于抗震。因此在風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)時(shí),考慮地震作用的影響至關(guān)重要。
近年來(lái),不少研究人員研究了風(fēng)電機(jī)組塔筒的動(dòng)力特性。棚邉隆進(jìn)行了 600kW 大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)與地震作用的組合荷載的動(dòng)力分析。祝磊用SAP2000計(jì)算了停機(jī)狀態(tài)下7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的地震反應(yīng)譜響應(yīng),提出了鋼筒塔架的剪力和彎矩計(jì)算公式,并研究了葉片的彎矩分布規(guī)律。張斌用ANSYS建立了某1MW風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒模型,研究了其抗風(fēng)、抗震特性。余長(zhǎng)海建立了某1.25MW風(fēng)電機(jī)組的ANSYS有限元模型,研究了鋼筒和鋼筋混凝土筒的動(dòng)力特性及風(fēng)荷載下的靜、動(dòng)態(tài)反應(yīng)。賀廣零考慮鋼筒和鋼筋混凝土筒兩種塔架形式,用ANSYS建立了某1.25MW風(fēng)電機(jī)組的有限元模型,并分別計(jì)算了風(fēng)、地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。畢繼紅設(shè)計(jì)了某2MW風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒,并用ANSYS分析其地震響應(yīng)。
目前,大部分研究都集中在風(fēng)電機(jī)組鋼制塔筒,對(duì)混凝土塔筒的研究還很有限。本文建立風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒有限元模型,進(jìn)行模態(tài)分析,并按照中國(guó)抗震規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜,選擇某一特定的設(shè)計(jì)分組以及設(shè)防烈度,進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析。
本文分別選取鋼筋混凝土塔筒底部外徑6m、7m、8m、9m、10m、11m,壁厚從200mm-600mm每100mm一個(gè)間隔的塔筒形式,總共分析了30種規(guī)格。鋼筋混凝土塔高100m,外徑從下到上按0.02的坡度逐漸減小,筒壁采用強(qiáng)度等級(jí)C30混凝土,彈性模量為3.0×104MPa,質(zhì)量密度為2410kg/m3;鋼筋采用HRB400級(jí),彈性模量為200GPa。運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立模型,參照某大型風(fēng)電機(jī)組參數(shù),把葉輪和機(jī)艙簡(jiǎn)化成一個(gè)550t的集中質(zhì)量,采用mass21單元加在塔筒頂部;塔筒采用beam189單元模擬變截面,《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.2規(guī)定計(jì)算結(jié)構(gòu)自振特性時(shí),混凝土高聳結(jié)構(gòu)的截面剛度取0.85EcI,因此ANSYS建模時(shí)混凝土的彈性模量取0.85Ec,材料彈性模量E=2.55×104MPa,泊松比為0.167,材料密度為2410kg/m3;塔筒與地面剛接。定義沿塔筒高度方向?yàn)閆軸正方向,塔筒橫截面方向分別為X軸和Y軸。以塔筒外徑7m,壁厚200mm為例,有限元模型如圖1所示。
模態(tài)分析用來(lái)確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的振動(dòng)特性,即固有頻率和振型。同時(shí),模態(tài)分析也是其他動(dòng)力學(xué)分析(如反應(yīng)譜分析)前期必須完成的環(huán)節(jié)。在ANSYS中提取模態(tài)的方 法 有:Block Lanczos法、Subspace法、Reduced法、Unsymmetric法、Damped法等。本文采用Block Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析,提取前10階頻率和對(duì)應(yīng)的振型。部分頻率及相應(yīng)振型圖如表1及圖2所示。
由于把風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙和葉輪看作集中質(zhì)量加載在混凝土塔筒的頂端,因此本文所建立模型屬對(duì)稱(chēng)型。模型在X、Y方向質(zhì)量和剛度分布相同,分別導(dǎo)致第1階頻率和第2階頻率以及第3階頻率和第4階頻率一樣。通過(guò)觀察動(dòng)態(tài)顯示,其中第1階振型特征和第3階振型特征沿Y方向彎曲振動(dòng);第2階振型特征和第4階振型特征沿X方向振動(dòng);第7階振型特征沿Z方向軸向振動(dòng),第10階振型特征沿X、Y平面扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
選取塔頂外徑7m、11m壁厚200mm的模型,對(duì)X、Y方向的1階和2階模態(tài)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,橫坐標(biāo)為振型位移與塔頂位移的比值,縱坐標(biāo)為塔架Z坐標(biāo)與塔架高度的比值,見(jiàn)圖3。
因1階頻率和2階頻率相同,由圖3可知,風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒的1階、2階模態(tài)重合;且不同尺寸的混凝土塔筒1階、2階模態(tài)曲線(xiàn)走向相似。
經(jīng)建模計(jì)算,本文所列其他尺寸混凝土塔筒振型特征與之相似,在此不一一列出。
圖1 塔筒模型
表1 塔筒底部外徑7m、壁厚200mm風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒頻率和振型特性
圖2 部分頻率對(duì)應(yīng)的振型特征
圖3 混凝土塔架1階、2階模態(tài)
依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)所采用的相對(duì)于重力加速度的單質(zhì)點(diǎn)絕對(duì)最大加速度,即Sa/g與體系自振周期T之間的關(guān)系作為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。本文取抗震設(shè)防烈度8度,多遇地震,場(chǎng)地類(lèi)別IV,設(shè)計(jì)地震分組三,特征周期Tg=0.90s。依照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051-2002)中混凝土煙囪規(guī)定的阻尼比,取0.05。經(jīng)計(jì)算本文所對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)曲線(xiàn)圖如圖4所示。
模態(tài)分析后,繼續(xù)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,地震加速度分別從X、Y兩個(gè)方向分別輸入。
地震加速度從X方向輸入,進(jìn)行有限元振型分解反應(yīng)譜法分析得到位移場(chǎng)分布等值線(xiàn)圖如圖5所示。
圖5顯示,將風(fēng)電機(jī)組的葉輪和機(jī)艙簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量加載在塔筒頂部,得出高100m,底部外徑7m,壁厚200mm的混凝土塔筒頂部位移最大值為0.256m,為高度的0.256%。
將葉片和機(jī)艙簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量加載在塔筒頂部導(dǎo)致該模型屬對(duì)稱(chēng)型,因此從X方向和Y方向輸入地震加速度得出的結(jié)果是一樣的,本文不再列出。
輸入地震反應(yīng)譜計(jì)算后,選取混凝土塔筒不同高度截面所對(duì)應(yīng)的彎矩,并將其進(jìn)行無(wú)量綱化處理,橫坐標(biāo)為塔筒各個(gè)截面彎矩與塔底彎矩的比值,縱坐標(biāo)為塔架Z坐標(biāo)與塔架高度的比值,得出混凝土塔筒各個(gè)截面彎矩沿塔筒高度的分布情況如圖6所示。
圖6顯示,不同尺寸的風(fēng)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒在地震作用下,彎矩沿著塔筒高度的分布曲線(xiàn)大致相同且接近重合,呈近似線(xiàn)性關(guān)系。另外,最大彎矩發(fā)生在塔筒底部。
同理,選取混凝土塔筒不同高度截面所對(duì)應(yīng)的剪力,并將其進(jìn)行無(wú)量綱化處理,橫坐標(biāo)為塔筒各截面剪力與塔底剪力的比值,縱坐標(biāo)為塔架Z坐標(biāo)與塔架高度的比值,得出混凝土塔筒各個(gè)截面剪力沿塔筒高度的分布情況如圖7所示。
圖4 地震影響系數(shù)曲線(xiàn)
圖5 風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒位移分布(m)
圖6 凝土塔筒彎矩沿高度分布
圖7 凝土塔筒剪力沿高度分布
圖7顯示,不同尺寸的風(fēng)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒在地震作用下,剪力沿著塔筒高度的分布曲線(xiàn)走向趨勢(shì)大致相同且接近重合。另外,最大剪力均發(fā)生在塔筒底部。
(1)通過(guò)將風(fēng)電機(jī)組的葉片和機(jī)艙簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量加載在塔筒頂部,用有限元軟件建立混凝土塔筒簡(jiǎn)化模型,模擬了混凝土塔筒的動(dòng)力特性。
(2)進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算,得出風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒的各階頻率以及相應(yīng)的振型圖。由于簡(jiǎn)化后的混凝土塔筒屬對(duì)稱(chēng)型,因此不同尺寸混凝土塔筒的1階頻率和2階頻率以及3階頻率和4階頻率相同,所對(duì)應(yīng)的振型圖也一致,只是方向不同。另外,不同尺寸的混凝土塔筒1階、2階模態(tài)曲線(xiàn)走向相似。
(3)通過(guò)輸入地震加速度譜進(jìn)行反應(yīng)譜分析,得出多種規(guī)格混凝土塔筒的截面彎矩、剪力沿塔筒高度的分布情況,結(jié)果顯示其走向大致相同且接近重合,彎矩、剪力沿塔筒分布呈近似直線(xiàn)關(guān)系。彎矩和剪力在風(fēng)電機(jī)組鋼筋混凝土塔筒底部最大。
(作者單位:李書(shū)文、祝磊:北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院、工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心;姚小芹:中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)委會(huì);楊洪源:北京鑒衡認(rèn)證中心)
北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目 (CIT&TCD201304068)