徐亞洲, 于明陽(yáng), 任倩倩, 時(shí)文浩
(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,西安 710055)
隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)型,風(fēng)能因其清潔可再生、儲(chǔ)備豐富等特點(diǎn)而發(fā)展迅猛,在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[1]內(nèi),風(fēng)電產(chǎn)量最少提高0.79億kW,截止2020年,整體風(fēng)能容量將超過(guò)2.1億kW。風(fēng)電已成為我國(guó)能源電力領(lǐng)域的一支生力軍。
風(fēng)電塔作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分,是一種新型的高-柔薄壁結(jié)構(gòu),其上部的機(jī)艙、輪轂、葉片質(zhì)量較大,這種“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)形式不利于風(fēng)機(jī)塔承受荷載。以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者把風(fēng)荷載考慮為風(fēng)機(jī)塔所受到的主要控制性荷載,并針對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的風(fēng)致破壞做了大量的研究分析[2-4]。然而隨著越來(lái)越多的風(fēng)機(jī)塔建立在了地震活躍地帶[5],很多研究學(xué)者開始對(duì)風(fēng)機(jī)塔在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究[6-8]。
近場(chǎng)地震動(dòng)一般被定義為斷層距在20 km以內(nèi)的地震地面運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)特征一般包括永久地面位移,前方向性效應(yīng),速度脈沖,上下盤效應(yīng)等[9],表現(xiàn)在波形上則是較大的速度脈沖,脈沖周期較長(zhǎng),豎向加速度分量大等特點(diǎn),可能對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)響應(yīng)造成顯著的影響,如結(jié)構(gòu)層間剪力、層間位移等[10-12]。很多學(xué)者亦通過(guò)試驗(yàn)分析和數(shù)值方法研究近場(chǎng)地震作用下風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)的抗震性能。Sadowski等采用數(shù)值方法對(duì)風(fēng)機(jī)塔地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析,指出了具有脈沖效應(yīng)的近場(chǎng)地震動(dòng)破壞性更大;陳俊嶺等[13]制作風(fēng)機(jī)塔縮尺模型并進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,考察近場(chǎng)地震滑沖效應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的影響;戴靠山等[14]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)比較了風(fēng)電塔模型在近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)輸入條件下的響應(yīng)差異。以往關(guān)于風(fēng)力發(fā)電塔的相關(guān)模擬與試驗(yàn)多基于確定性地震作為激勵(lì)輸入,并未考慮結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)遭遇地震作用的隨機(jī)性,目前尚未見關(guān)于風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)隨機(jī)近場(chǎng)地震作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相關(guān)報(bào)導(dǎo)??紤]到地震動(dòng)的隨機(jī)性是不可忽略的[15-16],本文首次開展了隨機(jī)近場(chǎng)地震動(dòng)作用下的風(fēng)機(jī)塔動(dòng)力響應(yīng)研究,結(jié)構(gòu)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量可為隨機(jī)激勵(lì)下工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)預(yù)測(cè)及可靠度分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù),也為結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)與隨機(jī)激勵(lì)的結(jié)合提供了有效示范。
因此,本文以某2 MW風(fēng)電塔為原型結(jié)構(gòu),按1/20的縮尺比設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)P?,基于隨機(jī)地震動(dòng)合成方法,共生成35條無(wú)脈沖隨機(jī)地震動(dòng)、近場(chǎng)脈沖型隨機(jī)地震動(dòng)(單脈沖、多脈沖)作為地震輸入,通過(guò)分析試驗(yàn)?zāi)P驮诮鼒?chǎng)隨機(jī)地震動(dòng)下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究隨機(jī)地震動(dòng)作用下速度脈沖、脈沖數(shù)量對(duì)風(fēng)機(jī)塔隨機(jī)響應(yīng)規(guī)律的影響,同時(shí)對(duì)響應(yīng)離散性進(jìn)行了討論。
目前基于隨機(jī)理論基礎(chǔ)上的近場(chǎng)地震動(dòng)模擬方法日益增多,本文采用田玉基等[17]提出的地震動(dòng)高頻、低頻分量疊加法。在模擬過(guò)程中,以1 Hz為近場(chǎng)地震動(dòng)高頻、低頻分界,以三角級(jí)數(shù)法[18]生成擬合規(guī)范反應(yīng)譜的隨機(jī)地震動(dòng),并取大于1 Hz的地震動(dòng)分量作為近場(chǎng)地震動(dòng)高頻分量;以Mavroeidis等[19]提出的等效速度脈沖模型來(lái)模擬近場(chǎng)速度脈沖,繼而求導(dǎo)得到近場(chǎng)加速度脈沖,作為近場(chǎng)地震動(dòng)低頻分量。
隨機(jī)地震動(dòng)生成方法如下。
基于烈度、所在地場(chǎng)地、地震分組等條件確定目標(biāo)反應(yīng)譜Sa(ω),根據(jù)反應(yīng)譜和功率譜的換算公式,可得近似功率譜S(ω)為
(1)
式中:ξ為阻尼比;Td為地震動(dòng)持時(shí);p為概率系數(shù)。
平穩(wěn)人工地震動(dòng)u(t)可近似地用有限級(jí)數(shù)定義為
(2)
式中:A(ω)=[4S(ω)Δω]0.5,Δω為頻率間隔;φk為第k個(gè)相角,為0~2π的隨機(jī)數(shù)。
為了考慮其非平穩(wěn)特性引入包絡(luò)函數(shù)f(t),則非平穩(wěn)加速度時(shí)程可表示為
(3)
引入的包絡(luò)函數(shù)f(t)為
(4)
式中:T1為上升段終止時(shí)刻;T2為平穩(wěn)段結(jié)束時(shí)刻;T3為人工波結(jié)束時(shí)刻;參數(shù)c控制衰減階段的變化速率。
通過(guò)調(diào)整Mavroeidis速度脈沖模型參數(shù)來(lái)生成擬合實(shí)際速度脈沖的等效脈沖,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(5)
式中:vp,Tp分別為速度脈沖的峰值和周期;γ,φ為形狀控制參數(shù);t0為脈沖峰值出現(xiàn)時(shí)刻;其中,速度脈沖的峰值vp和周期Tp都可根據(jù)下列公式得出[20]
lgTp=-2.9+0.5Mw
(6)
ln(PGV)=-2.31+1.15Mw-0.5lnR
(7)
式中:Tp,PGV為速度脈沖周期、峰值;Mw為地震矩震級(jí);R為斷層距。
將生成隨機(jī)地震動(dòng)低頻分量歸零,并平移低頻加速度的峰值時(shí)刻至高頻加速度峰值時(shí)刻并疊加,從而生成近場(chǎng)隨機(jī)地震動(dòng)。
原型風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)所在地抗震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,基于上述條件及模擬方法,按照脈沖半波個(gè)數(shù)分類,生成單、多兩類速度脈沖模型,其速度時(shí)程及加速度反應(yīng)譜示意圖,如圖1、圖2所示。顯然具有多半波的多脈沖速度脈沖模型具有更陡峭的反應(yīng)譜,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落在反應(yīng)譜的峰值區(qū)域時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致更大的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。無(wú)脈沖、單脈沖、多脈沖模型的加速度時(shí)程及功率譜,如圖3所示。從圖3可知,相較于無(wú)脈沖隨機(jī)地震動(dòng)來(lái)說(shuō),近場(chǎng)隨機(jī)地震動(dòng)在時(shí)域上表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)突出的加速度脈沖,在頻域上表征為功率譜能量主要集中在低頻,且脈沖越多,低頻聚集的能量就越高,與實(shí)際近場(chǎng)地震動(dòng)相符,驗(yàn)證了合成方法的合理性。
(a) 速度時(shí)程
(a) 速度時(shí)程
(a) 無(wú)脈沖隨機(jī)波
該原型2 MW陸上風(fēng)電塔塔筒為錐形變壁厚鋼結(jié)構(gòu),輪轂處高度為80 m。頂部塔筒直徑為3.005 m,壁厚為14 mm;底部塔筒直徑為4.2 m,壁厚為38 mm。塔筒橫截面的直徑和壁厚隨高度的增大均勻變小。塔筒材料為Q345鋼,總質(zhì)量約178 t,機(jī)艙、輪轂、葉片等頂部質(zhì)量約126 t。
根據(jù)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、吊裝高度因素,確定試驗(yàn)縮尺模型與原型的幾何相似系數(shù)為1/20,模型采用Q345鋼,因此彈性模量相似比為1。根據(jù)動(dòng)力相似關(guān)系,將加速度相似常數(shù)取為2,密度相似常數(shù)取為10,以外附質(zhì)量來(lái)彌補(bǔ)密度缺失。根據(jù)周穎等[21]介紹的量綱分析法,推導(dǎo)其他相似常數(shù),主要相似系數(shù)如表1所示。模型塔筒高度為3.85 m,塔身結(jié)構(gòu)分4段,每段高度自下而上分別為1 m,0.85 m,1 m和1 m,各段間以法蘭連接。在滿足剛度等效原則與截面動(dòng)力特性等效原則的前提下選取適合加工的截面尺寸:模型塔筒頂部外徑為130 mm,底部外徑為200 mm,塔筒截面直徑隨高度均勻變化;模型最下端筒段壁厚為4 mm,其余筒段壁厚均為3 mm;所需附加的質(zhì)量沿塔筒均勻布置,模型三維草圖,如圖4所示。
表1 主要相似系數(shù)
圖4 模型示意圖
試驗(yàn)?zāi)P筒贾迷谡駝?dòng)臺(tái)中心,考慮風(fēng)機(jī)塔模型結(jié)構(gòu)的最不利向?yàn)榇怪比~片方向,為了研究模型結(jié)構(gòu)的最不利反應(yīng),地震動(dòng)從垂直葉片方向輸入。本試驗(yàn)主要通過(guò)在風(fēng)電塔模型地震輸入方向上安裝加速度傳感器、位移傳感器來(lái)獲取該方向的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),試驗(yàn)中所采用的測(cè)量?jī)x器在各個(gè)測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)布置,如圖5所示。圖5中,在地震動(dòng)輸入方向沿模型高度布置位移傳感器5個(gè)、加速度傳感器10個(gè),分別位于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、每段塔筒中部、法蘭盤以及塔頂處,整體試驗(yàn)?zāi)P?如圖6所示。
圖5 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置(mm)
圖6 試驗(yàn)?zāi)P?/p>
地震波采用單向輸入,在三類隨機(jī)波加載前后采用白噪聲掃頻對(duì)結(jié)構(gòu)頻率、阻尼的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),考慮白噪聲共38個(gè)工況,如表2所示。其中Wave1~Wave3為近場(chǎng)單脈沖隨機(jī)波,Wave4~Wave20為近場(chǎng)單脈沖隨機(jī)波,Wave21~Wave35為近場(chǎng)多脈沖隨機(jī)波。根據(jù)模型與原型結(jié)構(gòu)的時(shí)間相似系數(shù)比為0.158 1,將總持時(shí)為60 s的隨機(jī)波壓縮為持時(shí)為9.486 s的實(shí)際輸入地震波,加速度幅值則按照加速度相似系數(shù)放大兩倍。
表2 試驗(yàn)工況
通過(guò)利用傳遞函數(shù)法對(duì)3次白噪聲得到的掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到模型一階自振頻率為3.22 Hz,二階自振頻率為22.46 Hz。試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)的自振頻率基本沒有變化,表明結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段,以下分析均基于彈性階段進(jìn)行分析。根據(jù)半功率帶寬方法[22]求得結(jié)構(gòu)一階阻尼比為1.5%。
3.1.1 加速度時(shí)程對(duì)比
在風(fēng)機(jī)塔模型上布置的壓電式加速度傳感器可以測(cè)出各測(cè)點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線。本文選取了工況3、工況7、工況23的隨機(jī)地震波作為代表性樣本,圖7給出了3種工況下的模型頂部加速度時(shí)程曲線。從圖7可知,對(duì)于無(wú)脈沖隨機(jī)波而言,地震動(dòng)持續(xù)時(shí)其頂部加速度時(shí)程曲線隨輸入地震動(dòng)實(shí)時(shí)幅值變化呈現(xiàn)出明顯的起伏,而近場(chǎng)隨機(jī)波頂部加速度達(dá)到最大值后變化不明顯,這是由于近場(chǎng)地震動(dòng)大脈沖的存在削弱了其他加速度分量的影響。脈沖隨機(jī)波樣本對(duì)塔頂加速度響應(yīng)影響較無(wú)脈沖大,而多脈沖隨機(jī)波樣本造成的響應(yīng)又較單脈沖大,印證了脈沖具備的高能量會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成更不利的影響。以上述3條隨機(jī)波為例,模型結(jié)構(gòu)在相同幅值的加速度激勵(lì)下,無(wú)脈沖、單脈沖、多脈沖隨機(jī)波作用下結(jié)構(gòu)頂部加速度幅值分別為0.20g,0.33g,0.66g。風(fēng)電塔模型結(jié)構(gòu)形式較為特殊,自身阻尼比較小,在受到外部激勵(lì)時(shí),加速度衰減速率慢,頂部加速度減小到較小水平需要更多的時(shí)間。
(a) 無(wú)脈沖隨機(jī)波
3.1.2 加速度放大系數(shù)
將各測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的加速度峰值與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面所測(cè)得的加速度峰值相比可以得到對(duì)應(yīng)的加速度動(dòng)力放大系數(shù),由MATLAB軟件中的ksdensity函數(shù)可以估計(jì)出響應(yīng)的概率密度函數(shù)。隨機(jī)波作用下風(fēng)機(jī)塔模型在不同測(cè)點(diǎn)處的加速度放大系數(shù)及其概率密度函數(shù)(probability density function,PDF)曲線,如圖8所示。通過(guò)分析,隨著測(cè)點(diǎn)高度的增大,無(wú)脈沖隨機(jī)波作用下各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)均值呈先增后減趨勢(shì),在塔高2.43 m處達(dá)到極值后降低;多脈沖隨機(jī)波作用下的加速度響應(yīng)整體呈上升趨勢(shì),塔頂處出現(xiàn)極值;單脈沖隨機(jī)波加速度放大系數(shù)曲線變化趨勢(shì)與其他兩者均有相似之處;隨著隨機(jī)波脈沖數(shù)量的增多,塔頂加速度放大系數(shù)也隨之增加,無(wú)脈沖隨機(jī)波、近場(chǎng)單脈沖隨機(jī)波、近場(chǎng)多脈沖隨機(jī)波對(duì)應(yīng)的加速度放大系數(shù)分別為1.74,2.28,3.90。
為了更精確地評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)塔模型結(jié)構(gòu)的隨機(jī)地震反應(yīng),計(jì)算了風(fēng)機(jī)塔模型結(jié)構(gòu)不同高度測(cè)點(diǎn)處加速度放大系數(shù)的概率密度曲線,如圖8(b)、圖8(d)、圖8(f)所示。可以反映出各工況下測(cè)點(diǎn)處加速度放大系數(shù)的分布情況與離散性,整體看來(lái),離散性沿高度提高逐漸增大,概率密度曲線的隨機(jī)漲落的趨勢(shì)與加速度放大系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差基本一致。典型隨機(jī)波作用下模型塔加速度響應(yīng)的功率譜,如圖9所示。從圖9可知,無(wú)脈沖隨機(jī)波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜在二階頻率處較大,且幅值沿高度增高呈先增后減趨勢(shì),在結(jié)構(gòu)2.43 m處達(dá)到極值;而脈沖隨機(jī)波作用下加速度響應(yīng)功率譜則基本聚集在一階頻率,幅值隨高度一起增大,在塔頂達(dá)到極值,這與前面的加速度放大系數(shù)變化趨勢(shì)類似;3種隨機(jī)波塔頂功率譜極值均為一階頻率處,說(shuō)明了一階振型對(duì)塔頂加速度響應(yīng)有較大的影響。
(a) 無(wú)脈沖波加速度放大系數(shù)
(a) 無(wú)脈沖隨機(jī)波
通過(guò)在風(fēng)機(jī)塔各節(jié)點(diǎn)處布置的位移傳感器可以得到結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中的位移實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù),35條隨機(jī)波作用下風(fēng)機(jī)塔模型結(jié)構(gòu)在各測(cè)點(diǎn)處的最大相對(duì)位移及其概率密度曲線,如圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)所示。從圖10可知,相同幅值加速度的3種類型隨機(jī)波作用下各測(cè)點(diǎn)位移變化趨勢(shì)類似,即測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)最大值隨著高度增大而增大,且各筒段間的相對(duì)位移增大率也逐漸升高,均在塔筒頂部達(dá)到相對(duì)位移極值。模型結(jié)構(gòu)在無(wú)脈沖隨機(jī)波作用下的塔頂位移響應(yīng)均值相對(duì)其他兩種類型隨機(jī)波的明顯要小,單脈沖隨機(jī)波塔頂位移響應(yīng)為無(wú)脈沖隨機(jī)波塔頂位移響應(yīng)的1.81倍,多脈沖隨機(jī)波塔頂位移響應(yīng)為無(wú)脈沖隨機(jī)波塔頂位移響應(yīng)的2.96倍,這反映了近場(chǎng)地震動(dòng)的脈沖特性對(duì)風(fēng)機(jī)塔模型結(jié)構(gòu)塔頂位移影響較大,尤其當(dāng)脈沖數(shù)量增大時(shí),這一現(xiàn)象更加突出。相對(duì)位移的概率密度曲線,如圖10(b)、圖10(d)、圖10(f)所示??梢钥闯?,相對(duì)位移概率密度分布區(qū)間沿高度方向呈增大趨勢(shì),在頂部到達(dá)最大,曲線趨近于扁平,位移離散程度顯著增大。
(a) 無(wú)脈沖隨機(jī)波相對(duì)位移
將各塔筒段、塔頂質(zhì)量分布簡(jiǎn)化,并通過(guò)與各測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的加速度相乘即為該段慣性力,疊加得出各質(zhì)點(diǎn)處的剪力,其剪力峰值圖與概率密度曲線,如圖11所示。從圖11可知,無(wú)脈沖、單脈沖、多脈沖隨機(jī)波的各段剪力響應(yīng)隨著高度的減小均呈增大趨勢(shì),在塔底處達(dá)到最大值,塔底剪力均值分別為954.8 N,1 001.4 N,1 336.6 N;同時(shí)看出,無(wú)脈沖隨機(jī)波作用下頂段塔筒剪力均值占塔底剪力均值的38.5%,單脈沖隨機(jī)波作用下占比為58.7%,多脈沖隨機(jī)波作用下占比為66.2%,說(shuō)明尤其是在脈沖隨機(jī)波的作用下,塔頂?shù)募匈|(zhì)量會(huì)對(duì)塔身的受剪特征造成更大影響,因此在考慮風(fēng)機(jī)塔抗剪安全性時(shí),需要著重考慮近場(chǎng)效應(yīng)。
(a) 無(wú)脈沖隨機(jī)波剪力響應(yīng)
由剪力概率密度曲線看出,3種類型地震動(dòng)作用下的曲線較相似,剪力分布寬度區(qū)間及其離散性隨著高度減小呈增大趨勢(shì)。在本試驗(yàn)所確定的模型結(jié)構(gòu)及隨機(jī)波作用條件下各筒段位移、剪力均值及置信區(qū)間,如表3所示,為結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震響應(yīng)及可靠度分析提供參考。
表3 各筒段位移、剪力均值及置信區(qū)間(CI)
文中基于某2 MW風(fēng)力發(fā)電塔按照縮尺比例1/20設(shè)計(jì)了風(fēng)電塔試驗(yàn)縮尺模型,進(jìn)行了風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),并計(jì)算了加速度、位移、剪力的概率密度曲線以及位移、剪力響應(yīng)的置信區(qū)間,主要結(jié)論如下:
(1) 在無(wú)脈沖地震動(dòng)作用下,模型結(jié)構(gòu)3/5高度以下范圍內(nèi)的加速度響應(yīng)功率譜峰值在二階頻率處較大,上部結(jié)構(gòu)則在一階頻率處較大。而在脈沖地震動(dòng)作用下,模型加速度響應(yīng)功率譜均在一階頻率處達(dá)到極值,且幅值遠(yuǎn)超無(wú)脈沖地震動(dòng)。
(2) 當(dāng)風(fēng)電塔模型自身阻尼比為1.5%,較小的阻尼比使其受激勵(lì)時(shí)易發(fā)生振動(dòng),且衰減速率低,在脈沖地震動(dòng)作用下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)考慮一階阻尼的影響。
(3) 在加速度幅值相同情況下,近場(chǎng)脈沖隨機(jī)波對(duì)風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)塔頂加速度響應(yīng)、塔頂位移及塔底剪力的放大效果顯著高于無(wú)脈沖隨機(jī)波。此外,在兩種脈沖隨機(jī)波作用下模型結(jié)構(gòu)最頂段剪力貢獻(xiàn)率均超過(guò)50%。
(4) 隨機(jī)波作用下模型的加速度放大系數(shù)、相對(duì)位移、剪力概率密度曲線有明顯的隨機(jī)漲落,模型結(jié)構(gòu)反應(yīng)表現(xiàn)出顯著的離散性,位移反應(yīng)的變異性沿塔高增加,而剪力反應(yīng)的變異性隨塔高減小。
(5) 在實(shí)際風(fēng)電塔近場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)中,宜考慮近場(chǎng)脈沖效應(yīng)及脈沖半波數(shù)量對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,可以考慮不同設(shè)計(jì)分組條件下采用不同的放大系數(shù)。