戴靠山,趙 志,孟家瑤
(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川成都 610065;2.四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室,四川 成都610065;3.四川大學(xué) 破壞力學(xué)與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點實驗室,四川成都610065;4.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092)
近年來,學(xué)者們分析風(fēng)電塔的可靠性,旨在評估風(fēng)電塔在不同強度荷載等級下的失效概率,為設(shè)計研究以及保險行業(yè)提供指導(dǎo)[1]。Nuta等[2]基于加拿大的抗震反應(yīng)譜,應(yīng)用可靠性理論風(fēng)電塔的抗震分析,對1.65 MW的風(fēng)電塔進行了易損性抗震風(fēng)險評估。Patil等[3]在Nuta等[2]的基礎(chǔ)上,對風(fēng)電塔開展易損性分析,并對近斷層地震動與遠場地震動進行對比分析。在風(fēng)-震耦合情況下的風(fēng)電塔抗震分析中,Asareh等[4]基于美國規(guī)范,采用商用有限元軟件ABAQUS進行抗震易損性分析。Mo等[5]利用OpenSees對不同運轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)機的抗震易損性進行分析。Avossa等[6]采用易損性分析研究方法,對停機和運轉(zhuǎn)工況下抗震失效概率進行對比分析。Fan等[7]基于OpenSees對近斷層地震動和遠場地震動下的風(fēng)電塔風(fēng)-震耦合易損性進行討論。Yuan等[8]利用全耦合風(fēng)電塔模型(FAST模型),對風(fēng)-震耦合易損性進行了多工況下的闡釋。Sadowski等[9]雖然沒有進行易損性概率轉(zhuǎn)化,但是已經(jīng)得到了增量時程曲線,并對比了風(fēng)電塔不同焊縫狀態(tài)下的地震響應(yīng)。有研究涉及了抗風(fēng)易損性分析,Mardfekri等[10]提出了多災(zāi)種狀態(tài)下的風(fēng)電塔易損性評估框架,基于有限元模型進行抗震易損性和抗風(fēng)易損性分析,并對災(zāi)害發(fā)生概率下的可靠度進行了分析。
綜上,雖然眾多學(xué)者已經(jīng)對風(fēng)電塔的不同工況、不同結(jié)構(gòu)下的失效概率進行了分析,但絕大部分僅限于抗震易損性研究。對于風(fēng)電塔而言,由于其固有頻率和風(fēng)荷載接近,風(fēng)荷載可能更易導(dǎo)致風(fēng)電塔的破壞。目前報道的倒塌案例[11-13]中,絕大部分是強風(fēng)荷載下的倒塌,因此風(fēng)電塔的抗風(fēng)易損性應(yīng)當(dāng)受到重視。另外不同外荷載下風(fēng)電塔也可能呈現(xiàn)不同的響應(yīng)和破壞形式[14]。而且,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的50 a不同,風(fēng)電塔的設(shè)計使用年限為25 a,因此當(dāng)開展全概率評估時,需要特別考慮由于設(shè)計使用年限不同而導(dǎo)致給定時間內(nèi)災(zāi)害的發(fā)生概率改變的問題。
基于以上分析,首先以某典型風(fēng)電塔作為研究對象,對該風(fēng)電塔設(shè)計年限的地震和風(fēng)的危險性進行分析,然后利用增量時程法對于風(fēng)電塔的地震易損性和風(fēng)易損性進行評估,最后根據(jù)風(fēng)電塔設(shè)計使用年限內(nèi)的危險性和易損性分析結(jié)果,比較地震和風(fēng)兩種不同災(zāi)種下的風(fēng)電塔失效概率。重點在于兩個災(zāi)種下風(fēng)電塔的失效概率對比評估,不考慮風(fēng)-震耦合下的復(fù)雜作用。
基于某典型在役風(fēng)電塔[9,15-18]進行危險性和易損性分析。該風(fēng)電塔的設(shè)計使用年限為25年,建設(shè)于上海崇明地區(qū)。塔筒總高63.150 m,地面以上1.441 m為剛性基礎(chǔ)段,輪轂高度為64.650 m;塔筒底部直徑為4.035 m,頂部直徑為2.955 m;塔底壁厚為0.250 m,頂部壁厚為0.100 m;風(fēng)輪半徑為35.000 m,輪轂半徑為1.750 m;該風(fēng)電塔的塔架質(zhì)量為91.000 t,葉片和輪轂的總質(zhì)量為26.886 t,機艙總質(zhì)量為60.000 t。塔筒所用的材料為鋼材,彈性模量為210 GPa,密度為7 850 kg/m3。
該風(fēng)電塔的建設(shè)地為上海,設(shè)防烈度為7度[19],場地的特征周期0.4 s。該場地的10、50和100 a重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓[20]為0.40、0.55和0.60 kN/m2?;谏鲜鰣龅氐南嚓P(guān)數(shù)據(jù),通過危險性分析換算出符合該風(fēng)電塔設(shè)計使用年限(25年)的超越概率曲線。
圖1 風(fēng)電塔有限元模型Fig.1 Finite element model of the wind turbine
為進行易損性分析,建立風(fēng)電塔的有限元模型如圖1所示,在ABAQUS有限元建模中,塔筒使用3D殼單元建立,單元選擇S4R類型。集中質(zhì)量的輪轂和機艙采用剛性耦合至塔頂截面。法蘭近似設(shè)置為殼單元,并通過增加厚度和質(zhì)量密度近似反映風(fēng)電塔法蘭對于塔筒質(zhì)量剛度的突變效應(yīng)。根據(jù)門洞的實際尺寸,對于底部塔段進行切割,并依照實際情況,在門框處使用梁單元進行加固。為了更好地模擬風(fēng)電的倒塌過程,建模中采取自接觸設(shè)置(無摩擦硬接觸),以準確模擬局部屈曲時材料相互接觸的真實狀況。葉片采用梁單元分14段,截面使用廣義截面定義,匹配實際葉片截面的面積、慣性矩、極慣性矩。風(fēng)電塔屬于鋼結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)阻尼比取為1%[9]。
通過模態(tài)分析,結(jié)構(gòu)的第1頻率為0.49 Hz,第2頻率為4.38 Hz,與實測值(0.49和3.84 Hz)[17]基本吻合,證明了建模比較準確。結(jié)構(gòu)的前3階的振型參與系數(shù)分別為1.05、0.84、0.35。前3階的有效質(zhì)量占比約為70%、15%、6%。風(fēng)電塔的振型如圖2所示。
圖2 風(fēng)電塔振型圖Fig.2 Structural modes of the wind turbine
地震危險性分析用于評估特定地區(qū)發(fā)生地震的可能性,中國的抗震規(guī)范[19]給定了不同設(shè)防烈度下的地震動取值,進而方便設(shè)計者進行地震計算。但是規(guī)范給定的結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50 a,而風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)一般設(shè)計使用年限為20至25 a,這意味著若沿用50 a設(shè)計使用年限為基準,計算結(jié)果偏于保守。所以有必要開展適用于風(fēng)電塔設(shè)計使用年限的地震危險性分析。沈華等[21]探討了風(fēng)電塔特有周期下地震動取值分析,使用等超越概率法考慮地震為極值Ⅲ型的概率分布,分別計算不同設(shè)計基準期的風(fēng)電塔地震動的取值。本文應(yīng)用文獻[21]提出的方法,得到了不同地震動強度指標對應(yīng)的地震發(fā)生概率。
為了將設(shè)計使用年限由規(guī)范給定的50 a調(diào)整到25 a做比較,基于上海地區(qū)的設(shè)防烈度繪制了不同設(shè)計使用年限下的曲線圖,如圖3所示。由圖3可以看到,當(dāng)設(shè)計使用年限為50 a時,7度烈度地震的超越概率為10%,符合設(shè)防烈度的定義,證明計算無誤;設(shè)計使用年限越小,發(fā)生概率越低,對于特殊設(shè)計使用年限較低的結(jié)構(gòu),例如風(fēng)電塔結(jié)構(gòu),使用過高的設(shè)計使用年限會使后期抗震計算過于保守。因此,應(yīng)當(dāng)采用特定設(shè)計使用年限下的地震危險性分析結(jié)果。
風(fēng)危險性分析是為了求得在給定設(shè)計使用年限內(nèi)風(fēng)速的超越概率。我國荷載規(guī)范[20]規(guī)定給定了10、50、100 a重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓取值,并給出了對于不同重現(xiàn)期的換算公式,如式(1)所示:
式中,xR為R年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速,x10和x100為10和100 a重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓。
根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)任意給定風(fēng)速xR的對應(yīng)重現(xiàn)期R,進而計算給定年份下的超越概率,變換公式(2)可得:
圖3 地震危險性曲線Fig.3 Hazard curves for earthquake
這樣,通過給定一系列風(fēng)速,可以得到設(shè)計使用年限內(nèi)的風(fēng)速超越概率。
與地震危險性分析類似,對比了不同設(shè)計使用年限下的發(fā)生概率,如圖4所示。由圖4可以看到,隨著設(shè)計使用年限提升,風(fēng)的發(fā)生概率增加,因此對于不同設(shè)計使用年限的結(jié)構(gòu),需要適用于不同的超越概率曲線。
圖4 風(fēng)危險性曲線Fig.4 Hazard curves for wind
利用經(jīng)典的增量動力時程分析求解結(jié)構(gòu)的抗震易損性的方法應(yīng)用在風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)的抗震易損性分析中,基本過程如下。
1)建立風(fēng)電塔的彈塑性分析模型。
2)選擇一定數(shù)量的地震動記錄,定義地震動強度指標和工程需求參數(shù),通過對地震動記錄強度設(shè)置增量對結(jié)構(gòu)進行非線性時程分析,得到風(fēng)電塔在不同強度下的動力響應(yīng),進而得到IDA曲線簇。
3)定義極限狀態(tài),特別對于非線性狀態(tài)需要合理的量化指標。
4)假定響應(yīng)服從對數(shù)正態(tài)分布,可以計算結(jié)構(gòu)的失效概率,如式(5)所示:
式中,D為某一工程需求參數(shù)響應(yīng),DL為極限狀態(tài),IM為強度指標,σ 為算數(shù)平均值算子,β為標準差算子。
5)以強度指標為橫軸,以失效概率為縱軸,繪制抗震易損性曲線。
以上類比,更改地震的強度指標概率為風(fēng)的強度指標可以得到風(fēng)易損性曲線。但是值得注意的是,對于風(fēng)電塔,隨著風(fēng)速不同,風(fēng)輪的運轉(zhuǎn)狀態(tài)會不同。輪轂處風(fēng)速在3~25 m/s范圍時,作者所討論的風(fēng)電塔處于運轉(zhuǎn)工況,風(fēng)速超過25 m/s,為了保護風(fēng)機,風(fēng)電塔處于停機工況,對于這種較為特殊的結(jié)構(gòu)特點,風(fēng)易損性分析中應(yīng)加以考慮。
3.2.1地震動選波
在PEER數(shù)據(jù)庫[22]中基于中國規(guī)范中給定的5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜[19]進行地震動調(diào)幅選擇(圖5),共選擇了10條地震動進行分析。由于PEER數(shù)據(jù)庫中僅提供5%阻尼比加速度反應(yīng)譜搜索,因此選波阻尼比與結(jié)構(gòu)阻尼比不一致。為了保證所選地震動在研究風(fēng)電塔時也具有代表性,通過調(diào)幅反算并驗證1%阻尼比的反應(yīng)譜在平均意義下匹配。反應(yīng)譜的特征周期為0.4 s,在偏硬土場地的情況下,剪切波速沒有進行特殊的限制以使擬合精度更好。地震記錄以標準誤差為基準進行擬合優(yōu)選。
圖5 地震動反應(yīng)譜Fig.5 Response spectra of ground motions
地震動的強度指標的選取,使用反應(yīng)譜加速度會包含結(jié)構(gòu)自身的特性,但由于地震動有兩個水平方向,地震動記錄使用平方和開根號的方法來確定地震動強度,如式(6)所示:
式中,Sa為反應(yīng)譜加速度,T1為結(jié)構(gòu)的第1周期。
經(jīng)過試算,為了使風(fēng)電塔進入彈塑性范圍內(nèi),地震的強度采樣點為結(jié)構(gòu)基本周期下的譜加速度分別為0.3g、0.6g、0.9g、1.2g、1.5g、1.8g、2.1g、2.4g、2.7g、3.0g。
3.2.2工程需求參數(shù)以及極限狀態(tài)定義
工程需求參數(shù)以及極限狀態(tài)的定義尤為重要,風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)不盡相同,在倒塌時會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象,根據(jù)目前大多數(shù)風(fēng)電塔易損性研究以及試算,在這里定義了3個需求參數(shù)及極限狀態(tài)。
塔頂位移(極限狀態(tài)1):風(fēng)電塔的塔頂位移作為評價風(fēng)電塔性能的一個重要參數(shù)[2-4],被選為風(fēng)電塔的第1工程需求參數(shù)。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[23]位移角不大于1%被認為是正常使用時安全,因此將具有1%的塔頂位移角的塔頂位移(0.65 m)作為第1極限狀態(tài),也是風(fēng)電塔正常使用的極限狀態(tài)。
Mises應(yīng)力強度(極限狀態(tài)2):鋼材達到屈服強度進入彈塑性,風(fēng)塔在此階段可認為發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此,Mises應(yīng)力強度被選為第2工程需求參數(shù),相應(yīng)地,鋼材的屈服應(yīng)力355 MPa也被選取為第2極限狀態(tài),即屈服極限的界限。
塑性耗能比(極限狀態(tài)3):塑性耗能比定義[15]動力作用下整體結(jié)構(gòu)的任一時程點,結(jié)構(gòu)的塑性變形耗能與外部動力作用輸入功之比。風(fēng)電塔在形成全截面塑性鉸后會發(fā)生屈曲破壞并倒塌。通過大量試算,發(fā)現(xiàn)塑性耗能比可以較為準確地描述風(fēng)電塔的倒塌,因此塑性耗能比被選為第3工程需求參數(shù)。經(jīng)過試算,當(dāng)塑性耗能比大于60%時,風(fēng)電塔均會發(fā)生倒塌,因此,60%的塑性耗能比也被選取為第3極限狀態(tài)。
3.2.3結(jié)果與討論
圖6為風(fēng)電塔的易損性曲線,即超越極限狀態(tài)的概率曲線。相較于塔頂位移的極限狀態(tài),屈服極限狀態(tài)超越概率和塑性耗能超越概率上升都較為平緩,表示風(fēng)電塔進入非線性狀態(tài)可以通過一定塑性耗能來限制響應(yīng)。當(dāng)屈服極限的超越概率提升時,塑性耗能超越概率也隨著提升,表示風(fēng)電塔發(fā)生倒塌的概率更大。
圖6 地震易損性曲線Fig.6 Seismic fragility curves
3.3.1風(fēng)荷載生成
采用美國可再生能源部(NREL)開發(fā)的風(fēng)機全耦合設(shè)計軟件FAST和通用有限元軟件ABAQUS,來實現(xiàn)風(fēng)荷載的生成和施加[4,16],具體生成步驟如下:
1)使用FAST常用的前處理軟件TurbSim生成風(fēng)電塔外部風(fēng)場;
2)為了避免后續(xù)再次重復(fù)計算塔體動力學(xué)效應(yīng),在FAST模型剛化塔體后加入該風(fēng)場進行運轉(zhuǎn)工況下抗風(fēng)分析;
3)提取頂部的荷載并施加到ABAQUS模型的輪轂位置。
由于風(fēng)機運轉(zhuǎn)狀態(tài)會隨外部風(fēng)荷載強度不同而改變,最不利來流風(fēng)向也會發(fā)生相應(yīng)變化:運轉(zhuǎn)工況下風(fēng)的入流方向取為前后方向;對于停機工況,根據(jù)已有研究[18],風(fēng)場的流入方向為側(cè)向時為最不利工況,因此停機工況分析中的風(fēng)向取為側(cè)向。
風(fēng)譜采用IEC Kaimal譜。脈動風(fēng)荷載的功率譜對比如圖7所示。由圖7可以看到,在運轉(zhuǎn)工況下,風(fēng)電塔在1、2和3 Hz處有峰值出現(xiàn),因為該風(fēng)電塔的轉(zhuǎn)速為20 r/min,這3個頻率恰好對應(yīng)這個葉片通過頻率的1、2和3倍頻,證明運轉(zhuǎn)工況下所選風(fēng)荷載較為符合實際。另外,無論在停機還是運轉(zhuǎn)工況下,在3~4 Hz范圍內(nèi)均有峰值,這是由葉片自身的局部模態(tài)導(dǎo)致的。
圖7 風(fēng)荷載的功率譜Fig.7 Power spectral densities of wind loads
對于抗風(fēng)易損性,風(fēng)荷載的強度定義為輪轂處平均風(fēng)速值。在實際風(fēng)荷載模擬過程中,平均風(fēng)速會在一定程度上影響脈動風(fēng)速譜值,因此,實際上隨著平均風(fēng)速值提高,平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載均會發(fā)生變化。為了使風(fēng)電塔進入彈塑性范圍內(nèi),風(fēng)荷載強度的采樣點為輪轂處平均風(fēng)速分別為5、10、15、20、25、35、45、55、65、75、85 m/s。
3.3.2工程需求參數(shù)以及極限狀態(tài)定義
由于風(fēng)電塔抗風(fēng)和抗震研究[9,18]中所關(guān)心的需求參數(shù)基本一致,因此,易損性分析中的工程需求參數(shù)和極限狀態(tài)與第3.3.1節(jié)中相同。
3.3.3結(jié)果與討論
圖8為風(fēng)電塔在風(fēng)荷載下的IDA曲線簇(極限狀態(tài)2),可以看到,由于風(fēng)荷載是使用人工的方法生成的,因此離散性比地震易損性小。另一突出的特點是,在運轉(zhuǎn)工況下,塔頂位移和最大應(yīng)力經(jīng)歷著一平臺段。因為運轉(zhuǎn)工況下,風(fēng)電塔會不斷調(diào)整槳距角以維持發(fā)電功率,恰好調(diào)整的槳距角削弱和降低風(fēng)荷載??偟膩碚f,風(fēng)速越高,槳距角越大,受風(fēng)面積越小,風(fēng)荷載越小。
圖8 極限狀態(tài)2的IDA曲線Fig.8 IDA Curvesfor Limit State2
圖9為通過IDA曲線簇計算得到的抗風(fēng)易損性曲線。與地震易損性類似,塔頂位移具有一定突變型,在此風(fēng)速56 m/s之后風(fēng)電塔開始進入塑性狀態(tài)。需要注意的是,最大應(yīng)力的易損性曲線趨勢在大于65 m/s后有放緩跡象,說明風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展耗能之后,應(yīng)力有一定退回的現(xiàn)象[9]。另外,在正常運轉(zhuǎn)下(輪轂風(fēng)速3~25 m/s),風(fēng)電塔并不會超越正常使用的極限狀態(tài),說明該在役風(fēng)電塔在運轉(zhuǎn)工況下出現(xiàn)安全問題的可能性較小。
圖9 風(fēng)易損性曲線Fig.9 Fragility curves for wind loads
對于全概率層面下的失效概率進行了評估。聯(lián)合危險性分析和易損性分析的全概率求解,可用數(shù)學(xué)形式表達為:
易損性分析結(jié)構(gòu)可以直接應(yīng)用在式(7)中,但是危險性分析結(jié)構(gòu)為災(zāi)害的超越概率而非發(fā)生概率,從概率角度來講,超越概率曲線為概率分布曲線,然而發(fā)生概率曲線為概率密度曲線,因此需要進行轉(zhuǎn)化。概率密度為概率分布的導(dǎo)數(shù),但是考慮到既有的危險性分析曲線為離散數(shù)據(jù)并非連續(xù)函數(shù),因此可以考慮近似有離散差分的方法代替微分,進而求得導(dǎo)數(shù)。在這里采用最基本的向前差分的方法,如式(8)所示:
求得災(zāi)害的概率密度曲線后,根據(jù)式(7),與易損性曲線相乘求和即可以得到極限狀態(tài)的發(fā)生概率,如表1所示。
表1 極限狀態(tài)的發(fā)生概率Tab.1 Occurrence probability of limit states
從3個不同極限狀態(tài)來看,極限狀態(tài)1(正常使用的極限狀態(tài))易被超越。這部分概率來源于較高風(fēng)速的工況,但是在高風(fēng)速下風(fēng)電塔會變?yōu)橥C工況,這時本身風(fēng)電塔就不會進行運轉(zhuǎn)使用,因此,不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性問題,但會影響風(fēng)電的持續(xù)工作能力。因此極限狀態(tài)1下的超越概率在本問題中反映了在設(shè)計使用年限內(nèi),有較大可能因超越正常使用極限而產(chǎn)生風(fēng)電塔暫停工作的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象在風(fēng)電行業(yè)中確實經(jīng)常發(fā)生。屈服和倒塌的極限狀態(tài)的發(fā)生概率較低,但從概率角度來講也不能排除發(fā)生的可能性。
從兩個不同災(zāi)種的角度來看,地震造成的破壞概率小于風(fēng)荷載,一方面,因為風(fēng)電塔是相對長周期的結(jié)構(gòu),位于反應(yīng)譜的下降段,因此實際的地震響應(yīng)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較低,然而風(fēng)荷載屬于相對長周期的荷載,更易激起風(fēng)電塔的一階振動;另一方面,風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)一般建設(shè)在風(fēng)能的充沛區(qū)域,風(fēng)荷載的設(shè)計強度一般較大,因此更易發(fā)生破壞。
通過地震和風(fēng)荷載的危險性分析和易損性分析,評估了某典型在役風(fēng)電塔的失效概率,有如下結(jié)論與展望:
1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限根據(jù)規(guī)范規(guī)定一般為50 a,然而風(fēng)電塔的設(shè)計使用年限一般為25 a,因此,在災(zāi)害危險性分析中應(yīng)該使用針對風(fēng)電塔設(shè)計使用年限的參數(shù),使用過高的設(shè)計使用年限進行估計,取值過于保守。
2)風(fēng)易損性分析中,在風(fēng)電塔運轉(zhuǎn)工況的風(fēng)速范圍內(nèi),隨著風(fēng)速提升,風(fēng)電塔不斷的變槳作用,使結(jié)構(gòu)所受的受風(fēng)面積減小,總體風(fēng)荷載近似保持不變,因此在IDA曲線中運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)有一段平臺段。
3)根據(jù)在地震和風(fēng)下的風(fēng)電塔風(fēng)險分析,總體來說地震的破壞概率小于風(fēng)荷載,因為風(fēng)電塔會建設(shè)于風(fēng)能充沛區(qū),而且其為長周期結(jié)構(gòu),相比較相對短周期的地震作用,風(fēng)荷載更易激起結(jié)構(gòu)的振動。
4)對福建等臺風(fēng)、地震均具有較高風(fēng)險的地區(qū),風(fēng)電場在風(fēng)電塔生命周期內(nèi)存在強風(fēng)和地震同時發(fā)生的可能性,關(guān)于風(fēng)震耦合下的概率化分析將是未來的研究方向。