基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)測試與分析

賈行建，楊學(xué)山，何先龍，佘天莉

（中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)測試與分析

賈行建，楊學(xué)山，何先龍，佘天莉

（中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

風(fēng)機(jī)塔混凝土基礎(chǔ)常存在開裂、不均勻沉降現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致塔筒倒塌。相比不均勻沉降，開裂程度特別是非表層的開裂難以直接測量，也難以準(zhǔn)確評(píng)估其影響。對(duì)基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔開展振動(dòng)測試與分析：首先選擇一座基礎(chǔ)出現(xiàn)開裂的風(fēng)機(jī)塔和一座作為參考的同類型同場地的風(fēng)機(jī)塔，同時(shí)開展振動(dòng)測試；然后分析兩座風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)特性；最后通過對(duì)比固有頻率、振動(dòng)強(qiáng)度等振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)相同測試工況下基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)特性相比作為參考的風(fēng)機(jī)塔，前三階固有頻率值雖然相差不大，但是其第3階和第1階的FFT幅值比遠(yuǎn)大于作為參考的風(fēng)機(jī)塔；其加速度最大值在微風(fēng)時(shí)與作為參考的風(fēng)機(jī)塔相差不大，但是在風(fēng)力較大或機(jī)艙偏航?jīng)_擊工況下明顯大于作為參考的風(fēng)機(jī)塔。測試結(jié)果表明：塔筒加速度振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)基礎(chǔ)裂縫比較敏感，而固有頻率值不敏感，但是其高階的FFT幅值對(duì)基礎(chǔ)裂縫比較敏感。測試結(jié)果可為基于風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)特性的變化快速評(píng)估基礎(chǔ)裂縫的嚴(yán)重程度及分析此類型故障對(duì)風(fēng)機(jī)塔運(yùn)營安全的影響提供一定的參考。

振動(dòng)與波；風(fēng)機(jī)塔；振動(dòng)特性；混凝土基礎(chǔ)裂縫；故障檢測

近年來由于我國對(duì)于新能源的迫切需求，風(fēng)力發(fā)電在我國很多地區(qū)都已經(jīng)大面積使用，風(fēng)機(jī)塔的安全性檢測也受到的廣泛關(guān)注[1–7]，風(fēng)機(jī)塔的基礎(chǔ)不僅承受塔體的重力載荷，而且承受風(fēng)機(jī)在風(fēng)中搖擺帶來的巨大傾覆力矩。塔筒高50 m～100 m，而其底部直徑不到高度的1/10，是典型的高聳結(jié)構(gòu)，其頂端自由且承受機(jī)艙和風(fēng)輪的重力和氣動(dòng)載荷，底端固定在混凝土基礎(chǔ)上，隨著風(fēng)力的變化很容易發(fā)生振動(dòng)[2]，帶給基礎(chǔ)的拉力和壓力也是不斷變化的，風(fēng)載荷導(dǎo)致的持續(xù)劇烈振動(dòng)可能使結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大形成疲勞裂紋[3–4]，有研究結(jié)果表明[5]，塔筒屈服區(qū)域集中在塔筒底端約4 m高度范圍內(nèi)，塔筒底端與基礎(chǔ)預(yù)埋環(huán)處為最不利位置，所以正常的風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)是風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的保障。

風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)裂縫病害是風(fēng)電場存在的普遍現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)椴糠诛L(fēng)機(jī)組基礎(chǔ)搖擺過大而致使整個(gè)風(fēng)機(jī)無法正常使用甚至倒塌等嚴(yán)重工程問題。在2006年的桑美臺(tái)風(fēng)中，某風(fēng)電場機(jī)組5臺(tái)倒塌，其中3臺(tái)塔筒被折斷，2臺(tái)剛完成吊裝的750 kW風(fēng)機(jī)連同基礎(chǔ)被拔出；又如某風(fēng)電場的一臺(tái)850 kW風(fēng)機(jī)在12 m/s的額定風(fēng)速下正常工作72小時(shí)后，突然倒塌，基礎(chǔ)被連根拔起[5–6]；2013年4月初，福建沿海某風(fēng)電場多個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土基礎(chǔ)之間存在較大的間隙[3]；有研究表明[7]，即使正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)在極端工況下，風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)也會(huì)因?yàn)榇嬖谳^大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫；本次測試的江蘇鹽城的某風(fēng)電場也因?yàn)榛炷粱A(chǔ)存在裂縫而迫使風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

分析風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)產(chǎn)生開裂的原因可知，即使正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)也會(huì)由于巨大的傾覆力矩以及拉壓力的作用從而產(chǎn)生初始的微小裂縫，這對(duì)于絕大多數(shù)的風(fēng)機(jī)是可以接受的，存在裂縫就容易長時(shí)間受雨水侵蝕，進(jìn)而裂縫會(huì)擴(kuò)大，使風(fēng)機(jī)塔產(chǎn)生搖擺，出現(xiàn)搖擺如果沒有及時(shí)檢測出來并且加以處理，部分風(fēng)機(jī)塔基礎(chǔ)強(qiáng)度剛度不符合規(guī)范要求，導(dǎo)致混凝土基礎(chǔ)壓潰，搖擺繼續(xù)擴(kuò)大，形成惡性循環(huán)[3–4]，樁基整體抗傾覆能力或單樁抗拔能力不足，再加上風(fēng)力條件難以把握，結(jié)構(gòu)本身存在問題導(dǎo)致風(fēng)脈動(dòng)容易引起結(jié)構(gòu)共振[8–9]，最終造成風(fēng)機(jī)塔倒塌的嚴(yán)重后果。

而基礎(chǔ)開裂程度尤其是非表層開裂的檢測是非常困難的，裂縫的深度檢測需要挖開基礎(chǔ)的表層，如圖1中右圖所示。這又會(huì)增加結(jié)構(gòu)的破壞程度。風(fēng)機(jī)塔由于裂縫的擴(kuò)大會(huì)產(chǎn)生劇烈搖擺[4]，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測與診斷是目前風(fēng)電管理的主要手段[10]。如果能夠通過振動(dòng)特性的變化盡早發(fā)現(xiàn)問題，評(píng)估裂縫對(duì)風(fēng)機(jī)塔正常運(yùn)行的影響程度，有助于避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。

本文通過對(duì)比混凝土基礎(chǔ)有明顯開裂的風(fēng)機(jī)和正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)在3種工況下的振動(dòng)情況，來分析風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)出現(xiàn)明顯裂縫后振動(dòng)特性的變化。眾所周知風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)能量主要集中在1階固有頻率上[2,11]，繪制典型振動(dòng)的自功率譜圖可以發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)有裂縫的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)的1階固有頻率及對(duì)應(yīng)阻尼比與正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)相比相差不明顯，固有頻率值變化也不大，但是問題風(fēng)機(jī)在基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫后第3階固有頻率相對(duì)于第1階固有頻率對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)很大；繪制振動(dòng)加速度時(shí)程圖可以發(fā)現(xiàn)，在同樣環(huán)境中手動(dòng)偏航工況下問題風(fēng)機(jī)的振動(dòng)加速度甚至能比對(duì)比風(fēng)機(jī)高出158.41%，裂縫造成的影響在振動(dòng)強(qiáng)度上表現(xiàn)很明顯。

1 風(fēng)機(jī)塔測試情況

在江蘇鹽城某陸地風(fēng)電場，檢測發(fā)現(xiàn)某風(fēng)機(jī)塔的基礎(chǔ)沿著塔筒壁出現(xiàn)一圈裂縫，如圖1所示，塔筒內(nèi)部在混凝土基座的表面也有沿直徑方向的裂縫，為了對(duì)比此問題風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，診斷其能否繼續(xù)安全運(yùn)行，選擇離其距離最近的完好風(fēng)機(jī)作為參考，測試其振動(dòng)情況。

圖1 混凝土基礎(chǔ)裂縫現(xiàn)場測試照片

為了能更好反映實(shí)際情況，本次測試中在問題風(fēng)機(jī)上布置5個(gè)測點(diǎn)，對(duì)比風(fēng)機(jī)上布置3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)放置一臺(tái)QZ2013型水平雙分量的力平衡加速度計(jì)，加速度計(jì)沿著東西向（主風(fēng)向）和南北向布置。具體測點(diǎn)位置如表1所示。

表1 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)測點(diǎn)位置說明

測點(diǎn)1都布置在風(fēng)機(jī)塔上端，目的是測量風(fēng)機(jī)塔的最大振動(dòng)情況；另外問題風(fēng)機(jī)的5號(hào)測點(diǎn)布置在風(fēng)機(jī)塔底部的混凝土基礎(chǔ)上，4號(hào)測點(diǎn)布置在離地面1 m處的塔筒壁上，便于對(duì)比地面和近地面處風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)情況；此外，對(duì)比風(fēng)機(jī)的3號(hào)測點(diǎn)布置在混凝土基礎(chǔ)上，2號(hào)測點(diǎn)布置在近地面一米處的塔筒壁上，與問題風(fēng)機(jī)布置位置相同，測試結(jié)果更具可比性。

表2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)測試工況

風(fēng)機(jī)塔測試分為3個(gè)工況，具體見表2，為了詳細(xì)記錄兩座風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)情況，各個(gè)工況都持續(xù)記錄了一段時(shí)間，兩座風(fēng)機(jī)塔測試時(shí)間同步。測試環(huán)境風(fēng)速為7m/s～10 m/s。

測試采用的數(shù)據(jù)采集儀是北京騰晟橋康科技有限公司生產(chǎn)的G01NET-2型同步動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，其AD數(shù)為24位。傳感器也是采用此公司生產(chǎn)的QZ2013型力平衡加速度計(jì)，其有效頻帶為0～200 Hz。

2 振動(dòng)特性分析

現(xiàn)場測試采集得到兩座風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域的加速度特性分析和頻域的自功率譜分析，從而比較兩座風(fēng)機(jī)塔在相近的環(huán)境同樣工況下的振動(dòng)差異。

2.1 兩座風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)時(shí)域特性對(duì)比

風(fēng)機(jī)塔屬于高聳建筑物[11–14]，具有振動(dòng)頻率低、頂部振動(dòng)位移大的特性，其頂部振動(dòng)加速度的大小主要由外部荷載作用力和風(fēng)機(jī)塔自身的抗振能力決定。風(fēng)機(jī)塔的基礎(chǔ)和塔筒有間隙，表明風(fēng)機(jī)塔與基礎(chǔ)承臺(tái)之間未能良好連接，理論上會(huì)降低風(fēng)機(jī)塔整體的抗振能力。因此本文分析三種工況下的風(fēng)機(jī)塔典型加速度時(shí)程圖見圖2至圖7，統(tǒng)計(jì)在不同工況下各傳感器測得的最大振動(dòng)加速度值，如表3至表5所示，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)加速度有巨大差異。

圖2 風(fēng)速7 m/s～10 m/s時(shí)停機(jī)工況下對(duì)比風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

由圖2至圖7及表3至表5可以看出，兩座風(fēng)機(jī)在偏航時(shí)瞬時(shí)加速度相對(duì)于停機(jī)狀態(tài)下都很大，對(duì)比風(fēng)機(jī)可達(dá)到停機(jī)狀態(tài)下最大加速度的30倍，問題風(fēng)機(jī)可達(dá)到停機(jī)狀態(tài)下的40倍；問題風(fēng)機(jī)塔在同等條件下的最大加速度值都大于對(duì)比風(fēng)機(jī)塔，手動(dòng)偏航時(shí)最為明顯，問題風(fēng)機(jī)塔偏航時(shí)1號(hào)傳感器測得南北向的振動(dòng)加速度甚至比對(duì)比風(fēng)機(jī)塔高出1.6倍。4號(hào)傳感器測得的1 m處東西向振動(dòng)加速度是對(duì)比風(fēng)機(jī)同等位置的3.3倍。5號(hào)傳感器測得的混凝土基礎(chǔ)的南北向振動(dòng)加速度是對(duì)比風(fēng)機(jī)混凝土基礎(chǔ)振動(dòng)加速度的6.5倍。

圖3 風(fēng)速7 m/s～10 m/s時(shí)停機(jī)工況下問題風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)工況下對(duì)比風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)工況下問題風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

圖6 手動(dòng)偏航工況下對(duì)比風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

圖7 手動(dòng)偏航工況下問題風(fēng)機(jī)頂端測點(diǎn)主風(fēng)向振動(dòng)時(shí)程圖

表3 風(fēng)機(jī)停機(jī)工況下各測點(diǎn)加速度最大值

表4 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工況下各測點(diǎn)加速度最大值

表5 風(fēng)機(jī)手動(dòng)偏航工況下各測點(diǎn)加速度最大值

混凝土通常是帶裂紋工作的[15]，如果混凝土基礎(chǔ)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求而且振動(dòng)太過激烈，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)拉斷或者壓潰，從而形成可見裂縫，裂縫的產(chǎn)生又會(huì)使風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)特性發(fā)生改變，由表3至表5分析可知基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)加速度會(huì)明顯增大。

2.2 兩座風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)頻域特性對(duì)比

風(fēng)機(jī)塔的主要振動(dòng)能量集中在塔筒的第1階固有頻率處[2,11,14]，其它固有頻率處非常不突出。對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自功率譜平均分析（平均窗為20 480×64），得到振動(dòng)的自功率譜圖如圖8至圖10。統(tǒng)計(jì)其振動(dòng)的前3階固有頻率，基于半功率譜細(xì)化法計(jì)算出固有頻率點(diǎn)的阻尼比如表6所示。

由表6可以看出，問題風(fēng)機(jī)的第1階固有頻率、第1階阻尼比相對(duì)于對(duì)比風(fēng)機(jī)稍微減小，但是差距不大，第1階固有頻率僅僅減少了2.4%左右。其對(duì)應(yīng)的阻尼比減少11%，基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的風(fēng)機(jī)塔的第2階和第3階固有頻率值比正常風(fēng)機(jī)高11%左右，差距也不是很大，另外阻尼比計(jì)算和測量都存在較大誤差，所以僅能作為風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性的參考。

表6 風(fēng)機(jī)塔的第1階固有頻率及第1階阻尼比

從圖8至圖10的自功率譜圖中可以看出，對(duì)比風(fēng)機(jī)的第1階固有頻率大概為0.41 Hz，振動(dòng)主要發(fā)生在第1階固有頻率處，其他頻率的振動(dòng)能量較??；而問題風(fēng)機(jī)的第1階固有頻率大概為0.40 Hz，在第1階固有頻率處振動(dòng)產(chǎn)生能量很大，但是在1.32 Hz處振動(dòng)也是非常明顯的，甚至主要振動(dòng)能量集中在1.32 Hz，由表6可知1.32 Hz為問題風(fēng)機(jī)的第3階固有頻率。對(duì)比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)問題風(fēng)機(jī)在第3階固有頻率處的能量是對(duì)比風(fēng)機(jī)在第3階固有頻率處能量的30倍以上，再對(duì)比圖8和圖10可以看出，正常風(fēng)機(jī)的第3階固有頻率處振動(dòng)能量不到第1階固有頻率處振動(dòng)能量的0.5%，而問題風(fēng)機(jī)的第3階固有頻率處能量是第1階固有頻率處能量的60%以上，甚至可以達(dá)到2倍以上。以上分析可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)能量不再集中在第1階固有頻率處。

圖8 對(duì)比風(fēng)機(jī)典型自功率譜圖

圖9 對(duì)比風(fēng)機(jī)典型自功率譜圖頻率大于0.6 Hz部分

圖10 問題風(fēng)機(jī)典型自功率譜圖

3 結(jié)語

在橫向脈動(dòng)風(fēng)載荷的作用下風(fēng)機(jī)塔容易產(chǎn)生振動(dòng)，帶給基礎(chǔ)巨大的拉壓力和傾覆力距，混凝土基礎(chǔ)裂縫是風(fēng)機(jī)塔普遍存在的現(xiàn)象，也是威脅風(fēng)機(jī)塔安全運(yùn)行的重要病害之一，裂縫的深度測量需要挖開基礎(chǔ)表面，這可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生進(jìn)一步的破壞，而裂縫對(duì)風(fēng)機(jī)塔安全運(yùn)行的影響程度也難以快速評(píng)估。本文在相同時(shí)間段內(nèi)測試基礎(chǔ)有裂縫的風(fēng)機(jī)塔和相同區(qū)域內(nèi)完好無損風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)之后，通過對(duì)比三種工況下兩座風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)裂縫和風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)特性之間存在以下關(guān)系：

（1）兩座風(fēng)機(jī)塔的第1階固有頻率都為0.4 Hz左右，而高階固有頻率值差距也不大，說明裂縫對(duì)固有頻率值影響不明顯。

（2）基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔第3階和其第1階的FFT幅值的比值超過60%，而完好風(fēng)機(jī)塔第3階和其第1階的FFT幅值的比值不足0.05%，說明基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔高階固有頻率對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)明顯增大。

（3）基礎(chǔ)存在裂縫的風(fēng)機(jī)塔在3種工況下振動(dòng)都比對(duì)比風(fēng)機(jī)塔劇烈，手動(dòng)偏航?jīng)_擊下最明顯，頂端振動(dòng)加速度可以達(dá)到對(duì)比風(fēng)機(jī)的2.6倍。

綜合以上結(jié)論表明：風(fēng)機(jī)塔的基礎(chǔ)開裂會(huì)在振動(dòng)信號(hào)中得到明顯反映，裂縫會(huì)使風(fēng)機(jī)塔的加速度幅值明顯增大，造成劇烈搖擺；固有頻率值對(duì)基礎(chǔ)的開裂不敏感，但是其高階的FFT幅值會(huì)有明顯增大。測試結(jié)果可以為快速評(píng)估基礎(chǔ)裂縫的嚴(yán)重程度以及對(duì)風(fēng)機(jī)塔安全運(yùn)行的影響程度提供一定參考。

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Vibration Test andAnalysis of Wind Turbine Towers with Cracks in Concrete Foundations

JIA Xing-jian,YANG Xue-shan,HE Xian-long,SHE Tian-li
（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China EarthquakeAdministration Bureau,Harbin 150080,China）

The phenomena of cracking and uneven settlement are often found in the foundations of the wind turbine towers which may cause the towers to collapse.Compared with the uneven settlement,it is difficult to measure the cracks especially the internal cracks in the foundations directly.It is also difficult to evaluate the influence of the cracks on the safety of the towers.In this study,the vibration test and analysis are carried out on the wind turbine towers with cracked foundations.First of all,the vibration test is carried out on two wind turbine towers of the same type in the same site.One tower has cracks in the concrete foundation and the other as a reference is intact.Then,the vibration characteristics of the two wind turbine towers are analyzed.Finally,the natural frequencies,vibration intensities and some other vibration characteristics of the two towers are compared.It is found that the first three-order natural frequencies of the two towers only have small differences but the FFT amplitude ratio of the first order and the third order of the tower with cracked foundation is much larger than that of the reference tower.The difference of maximum acceleration values of the two towers in breeze condition is small.But under the larger wind or the engine room yawing condition,the maximum acceleration value of the failure wind turbine tower is significantly greater than that of the reference tower.The test results show that,the vibration intensity of the tower is sensitive to the foundation cracks and the natural frequency is less sensitive,but the high order FFT amplitude is sensitive to the foundation cracks.Test results can provide a reference to quickly evaluate the seriousness of foundation cracks and the influence of this type of defects on the safety of wind turbine tower operation.

vibration and wave;wind turbine tower;vibration characteristics;cracks in concrete foundation;fault detection

U467.4+92

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.033

1006-1355(2017)06-0163-05+205

2017-04-05

中國地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2017B02）；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51508536）

賈行建（1993-），男，湖北省襄陽市人，碩士研究生，主要從事測試計(jì)量技術(shù)及儀器的研究。

何先龍，男，副研究員。E-mail:524245186@qq.com