考慮沖刷深度的海上風(fēng)機(jī)地震易損性研究

李 芬，王屹之，洪子博，胡 丹

(武漢理工大學(xué) 船海能動(dòng)學(xué)院，湖北 武漢 430063)

我國海上風(fēng)力發(fā)電逐步進(jìn)入快速化發(fā)展、規(guī)?；_發(fā)的階段，海上風(fēng)電場(chǎng)多建設(shè)在我國沿海地區(qū)，而我國地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶交匯處，地震活動(dòng)頻繁，在過去幾十年間，渤海、黃海、東海和東南沿海區(qū)域的6級(jí)以上強(qiáng)震達(dá)50多次，最大震級(jí)可達(dá)7.5級(jí)[1]。目前海上風(fēng)機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)為單機(jī)容量和機(jī)身的大型化，對(duì)風(fēng)機(jī)的抗震性能提出了更高的要求。

地震易損性分析能夠有效表征結(jié)構(gòu)物在地震荷載作用下的安全裕度，已有大量學(xué)者針對(duì)橋梁[2-4]和建筑物[5-6]的地震易損性展開了研究，而有關(guān)海上風(fēng)機(jī)的地震易損性研究較少。Nuta[7]基于IDA法建立了加拿大地區(qū)風(fēng)機(jī)鋼塔架結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線；Patil等[8]針對(duì)1.65 MW的風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震易損性分析，研究表明地基傾覆極限狀態(tài)最為關(guān)鍵且近場(chǎng)地震更容易引起風(fēng)機(jī)的破壞。苑晨陽[9]基于MSA法對(duì)停機(jī)狀態(tài)下和正常運(yùn)行狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了地震易損性分析，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下遭遇地震時(shí)更容易發(fā)生破壞。以上研究均假設(shè)風(fēng)機(jī)塔筒底部直接固定在地面上，忽略了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與土體的相互作用。De Risi等[10]采用非線性Winkler地基梁模型、阻抗函數(shù)和固定約束分別模擬海上風(fēng)機(jī)的樁-土相互作用，研究表明采用阻抗函數(shù)或固定約束考慮樁-土相互作用時(shí)會(huì)低估風(fēng)機(jī)在地震作用下的破壞概率。Kim等[11]采用非線性Winkler地基梁模型對(duì)海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行地震易損性分析，指出僅采用彈簧較難模擬地震荷載作用下樁-土之間復(fù)雜的動(dòng)力相互作用。

綜上所述，現(xiàn)有的海上風(fēng)機(jī)地震易損性研究中大多對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，未能精確模擬風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與海床的動(dòng)力相互作用。近年來，沖刷對(duì)海上風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的影響引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，如劉紅軍等[12-13]研究表明沖刷深度會(huì)顯著增加風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)，沖刷深度對(duì)海上風(fēng)機(jī)地震易損性的影響仍需進(jìn)一步研究。此外，根據(jù)Mo等[14]的研究，動(dòng)水壓力對(duì)風(fēng)機(jī)地震易損性的影響也不可忽視。

本文以江蘇響水沿海某風(fēng)電場(chǎng)的1.5 MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)為依托[15]，建立了考慮地震和沖刷聯(lián)合作用的海上風(fēng)機(jī)模型，討論沖刷深度及動(dòng)水壓力對(duì)海上風(fēng)機(jī)地震易損性的影響。

1 基于MSA的地震易損性分析

2 海上風(fēng)機(jī)數(shù)值模型與地震動(dòng)選取

2.1 數(shù)值模型與動(dòng)水壓力計(jì)算

Patil等[8]研究表明，將機(jī)艙、輪轂和葉片整體進(jìn)行簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)構(gòu)物前25階模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)影響很小，可忽略不計(jì)。因此，將風(fēng)機(jī)的數(shù)值模型簡(jiǎn)化為機(jī)艙、塔筒和樁基礎(chǔ)3部分，其中將風(fēng)機(jī)塔頂?shù)臋C(jī)艙、輪轂和葉片整體簡(jiǎn)化為4 m×4 m×9 m的實(shí)體，通過質(zhì)量等效方式將風(fēng)機(jī)葉片和輪轂的質(zhì)量附加在機(jī)艙的等效實(shí)體上；將塔筒簡(jiǎn)化為變截面的實(shí)心圓柱，分為上、中、下三段，詳細(xì)參數(shù)見表1。 樁基礎(chǔ)采用大直徑鋼管樁，樁徑為4 m，壁厚0.045 m，樁總長(zhǎng)70 m，入土深60 m，進(jìn)入持力層深度為42 m，上覆軟黏土18 m，樁與土層參數(shù)見表2。已有研究[17]表明在沖刷坑的尺寸參數(shù)中，沖刷深度的影響最大，而沖刷坑坡度通常為 30°~44°[18]，因此，本文將主要研究沖刷深度對(duì)海上風(fēng)機(jī)地震動(dòng)力響應(yīng)的影響，取沖刷坑底部寬度為0，坡角取30°。為了同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率的需求，土體水平方向的長(zhǎng)度取140 m，樁底以下持力層深度為50 m，土層總厚度為110 m，并對(duì)樁周網(wǎng)格進(jìn)行加密，土體底部及邊界的網(wǎng)格密度成比例遞減。在模型底部輸入地震波加速度時(shí)程曲線模擬地震荷載，采用附加質(zhì)量法計(jì)算地震引起的動(dòng)水壓力。地震和沖刷聯(lián)合作用海上風(fēng)機(jī)數(shù)值模型如圖1所示，模型單元數(shù)為13 536，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 645。機(jī)艙、塔筒和樁基礎(chǔ)采用彈性本構(gòu)，樁-土的接觸面采用Coulomb摩擦模型。采用無質(zhì)量地基地震動(dòng)輸入，在土體側(cè)向施加自由場(chǎng)邊界，底部直接施加應(yīng)力時(shí)程。以瑞利阻尼疊加滯后阻尼模擬土體特性，瑞利阻尼參數(shù)為0.05和4.74，滯后阻尼使用sig4模型。

圖1 地震和沖刷聯(lián)合作用海上風(fēng)機(jī)數(shù)值模型（單位：m）Fig. 1 Numerical model of offshore wind turbine under earthquake load and scour conditions (unit: m)

表1 風(fēng)機(jī)構(gòu)件參數(shù)Tab. 1 Parameters of turbine

表2 數(shù)值模型的材料參數(shù)Tab. 2 Material parameters of numerical model

在考慮動(dòng)水壓力時(shí)，結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力平衡方程可表示為：

式中：M、C、K分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣分 別為彈性運(yùn)動(dòng)速度和加速度為剛性振動(dòng)加速度；MW=(CM?1)ρV，CM為慣性力系數(shù)，ρ為水的密度，V為分析柱體的單位體積。

由于模型在空間上為離散單元，可將動(dòng)水壓力的等效附加質(zhì)量MW沿高度方向離散為MiW，并作用在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物節(jié)點(diǎn)i上，且假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間水與結(jié)構(gòu)物的相對(duì)速度不變，即節(jié)點(diǎn)i上的附加質(zhì)量為相鄰單元附加質(zhì)量一半之和，即

式中：CM取 2.0；Ai為節(jié)點(diǎn)i處的橫截面積；li為將結(jié)構(gòu)物沿高度方向劃分的單元長(zhǎng)度。

在海上風(fēng)機(jī)的地震易損性研究中，其在地震作用下極限狀態(tài)的定義尚未達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。參考以往研究[7-8,10,14,19]，并綜合現(xiàn)有的海上風(fēng)機(jī)地震易損性分析[7-12]，本文中4種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的臨界響應(yīng)值見表3，其中第四極限狀態(tài)計(jì)算材料為Q345鋼。

表3 極限狀態(tài)指標(biāo)Tab. 3 Index of the limit state

2.2 地震波選擇與工況組合

由于場(chǎng)地條件、震級(jí)和震源等因素的不確定性，地震荷載是一種具有極大隨機(jī)性的荷載形式。Elnashai等[20]指出選取地震波的震級(jí)波動(dòng)范圍應(yīng)在0.6內(nèi)且震源深度應(yīng)在20~40 km；Hancock等[21]認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)，選取的地震波應(yīng)與場(chǎng)地目標(biāo)譜相匹配。本文根據(jù)DNV規(guī)范[22]和ISO 19901規(guī)范[23]中的規(guī)定，場(chǎng)地等級(jí)取E，并按ISO 19901規(guī)范中給出的重現(xiàn)期為1 000年的中國近海地震譜加速度地圖，分別取由式（8）計(jì)算近海軟弱黏土場(chǎng)地條件的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

為了模擬地震動(dòng)的隨機(jī)性，在進(jìn)行地震易損性分析時(shí)需要選取大量的地震波，而現(xiàn)有研究表明在地震波數(shù)量達(dá)到32~36條時(shí)，基于MSA法的海上風(fēng)機(jī)易損性分析即可達(dá)到一定精度[9]。因此，本文根據(jù)計(jì)算得到的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，以及震源深度、震級(jí)波動(dòng)范圍，在太平洋地震工程研究中心（Peer）網(wǎng)站[24]上選取了34條地震記錄，取比例因子為0.6，使得選取地震記錄的平均加速度響應(yīng)譜符合目標(biāo)譜，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 目標(biāo)反應(yīng)譜與平均反應(yīng)譜Fig. 2 Target response spectrum and average response spectrum

選取不同的水深和沖刷深度，討論動(dòng)水壓力和沖刷深度對(duì)地震易損性的影響。選取2倍樁徑為極限沖刷深度[12]，3種工況組合如下：工況1的水深和局部沖刷深度Sd均為0；工況2的水深和局部沖刷深度Sd分別為10和0 m；工況2的水深和局部沖刷深度Sd分別為10和8 m。

3 海上風(fēng)機(jī)地震易損性分析

將選取的34條地震波分別調(diào)整其峰值加速度為0.2g、0.4g、0.6g、0.8g、1.0g和1.2g，在對(duì)應(yīng)峰值加速度下分別計(jì)算不同工況的海上風(fēng)機(jī)地震動(dòng)響應(yīng)，并記錄對(duì)應(yīng)的塔頂位移、樁頂轉(zhuǎn)角、風(fēng)機(jī)最大彎矩及震后累計(jì)位移，對(duì)比得到的目標(biāo)響應(yīng)和極限狀態(tài)指標(biāo)，并將分析結(jié)果代入式（5）。以第一強(qiáng)度指標(biāo)為例，如圖3所示為海上風(fēng)機(jī)在不同峰值加速度幅值的不同地震波作用下的塔頂最大位移響應(yīng)。其中紅色虛線為DS1對(duì)應(yīng)的塔頂位移，當(dāng)塔頂位移超過紅色虛線時(shí)，則風(fēng)機(jī)達(dá)到第一極限狀態(tài)，即發(fā)生“破壞”。易損性參數(shù)如表4所示。建立各極限狀態(tài)指標(biāo)下風(fēng)機(jī)的地震易損性曲線，如圖4所示。

表4 海上風(fēng)機(jī)地震易損性參數(shù)Tab. 4 Seismic vulnerability parameters of offshore wind turbine

圖3 第一極限狀態(tài)DS1下不同工況的MSA分析結(jié)果Fig. 3 MSA analysis results of the first limit state DS1 under different working conditions

以塔頂最大位移超過1.25% 的塔身高度為第一強(qiáng)度指標(biāo)，由圖4(a)可知在考慮沖刷深度影響時(shí)，海上風(fēng)機(jī)的破壞概率顯著增加，如PGA達(dá)到0.5g時(shí)，破壞概率達(dá)到了60%。根據(jù)ISO 19901-2規(guī)范[23]中對(duì)場(chǎng)地類別的劃分，對(duì)3類和4類場(chǎng)地，即設(shè)防烈度為0.26g至0.45g的場(chǎng)地，考慮沖刷時(shí)，風(fēng)機(jī)破壞概率的增幅超過了11%。然而動(dòng)水壓力對(duì)海上風(fēng)機(jī)易損性的影響較小，如PGA小于0.4g時(shí)，風(fēng)機(jī)破壞概率增幅僅0.7%；當(dāng)PGA 達(dá)到0.8g時(shí)，風(fēng)機(jī)破壞概率的增幅最大，達(dá)到1.41%。

以樁頂轉(zhuǎn)角超過0.5°為破壞指標(biāo)時(shí)，由圖4(b)可知在PGA 達(dá)到1.0g時(shí)，沖刷深度對(duì)風(fēng)機(jī)破壞概率影響最大，增幅達(dá)14.41%。對(duì)于3、4類的場(chǎng)地，即設(shè)防烈度為0.26g~0.45g時(shí)，風(fēng)機(jī)破壞概率的增幅超過7%。然而隨著PGA的增加，動(dòng)水壓力對(duì)風(fēng)機(jī)破壞概率的影響逐漸增加，在PGA為1.5g時(shí)最大增幅為0.9%。

以震后塔頂最大位移超過1%塔身高度為極限狀態(tài)指標(biāo)時(shí)，圖4(c)表明對(duì)于一般設(shè)防烈度的場(chǎng)地，即設(shè)防烈度小于0.5g時(shí)，考慮沖刷深度或動(dòng)水壓力對(duì)海上風(fēng)機(jī)的易損性無明顯影響。在PGA為1.5g時(shí)，同時(shí)考慮沖刷深度和動(dòng)水壓力影響使得風(fēng)機(jī)的破壞概率增加了6.7%；僅考慮動(dòng)水壓力時(shí)，風(fēng)機(jī)的破壞概率增加了0.08%。

以材料超過彈性極限對(duì)應(yīng)的截面彎矩為極限狀態(tài)指標(biāo)時(shí)，由圖4(d)可知考慮動(dòng)水壓力前后的易損性曲線幾乎沒有區(qū)別，這可能是由于風(fēng)機(jī)達(dá)到第四極限狀態(tài)時(shí)的概率太小，數(shù)值試驗(yàn)還無法反映出動(dòng)水壓力對(duì)地震易損性的影響。然而考慮沖刷深度時(shí)，隨著PGA的增加風(fēng)機(jī)破壞概率逐漸增加，當(dāng)PGA小于0.5g時(shí)，沖刷深度對(duì)破壞概率的影響不顯著，最大為1.42%；PGA大于1.5g時(shí)，最大增幅為 15.61%。

圖4 4種極限狀態(tài)下海上風(fēng)機(jī)地震易損性曲線Fig. 4 Seismic fragility curves of offshore wind turbine under four limit states

4 結(jié) 語

本文建立了考慮地震動(dòng)水壓力及樁周沖刷效應(yīng)的海上風(fēng)機(jī)非線性動(dòng)力計(jì)算模型，使用MSA法分析了沖刷深度和動(dòng)水壓力對(duì)海上風(fēng)機(jī)地震易損性的影響，在本文提出的4個(gè)極限狀態(tài)下，動(dòng)水壓力對(duì)海上風(fēng)機(jī)地震易損性均無顯著影響，但要注意以下2種情況：（1）風(fēng)機(jī)不能正常工作時(shí)，即以塔頂最大位移超過1.25%塔身高度的第一極限狀態(tài)和以樁頂轉(zhuǎn)角超過0.5°的第二極限狀態(tài)下，沖刷深度對(duì)風(fēng)機(jī)易損性有顯著影響，如在一般地震設(shè)防烈度下，即PGA小于0.5g時(shí)，沖刷深度引起風(fēng)機(jī)破壞概率的增加非常顯著，增幅達(dá)到17.85%和14.41%；（2）風(fēng)機(jī)發(fā)生永久性損壞時(shí)，即以震后塔頂最大位移超過1%塔身高度的第三極限狀態(tài)和以材料超過彈性極限對(duì)應(yīng)的截面彎矩的第四極限狀態(tài)下，沖刷深度對(duì)風(fēng)機(jī)易損性有一定影響。在一般地震設(shè)防烈度下，沖刷深度的影響較小。對(duì)罕遇強(qiáng)地震，即當(dāng)PGA達(dá)到1.0g以上時(shí)，沖刷深度對(duì)風(fēng)機(jī)破壞概率的影響顯著增加。