基于IDA的鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒地震易損性分析

摘要：為研究鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒的抗震性能，基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，先依據(jù)推覆分析結(jié)果確定塔筒的5種損傷狀態(tài)限值，然后分別以截面曲率和考慮高階振型的復(fù)合地震動強度參數(shù)IM1Iamp;2E作為結(jié)構(gòu)需求參數(shù)和地震動強度參數(shù)，接著選取20條地震動記錄進(jìn)行塔筒的增量動力分析，建立塔筒的地震易損性曲線，并對塔筒的抗震性能進(jìn)行評估。結(jié)果表明：混合塔筒模型的損傷程度與地震動強度參數(shù)呈正相關(guān)，其抗震性能可滿足Ⅶ度（0.15 g）地震作用下的抗震要求，但在Ⅷ度罕遇地震作用下及處于更高烈度區(qū)的風(fēng)電塔筒應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專門的抗震設(shè)計。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電塔筒；增量動力分析；高階振型；結(jié)構(gòu)需求；地震易損性

中圖分類號：TU317文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0627-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0050

0引言

風(fēng)電是重要的可再生能源，2022年全球新增風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)77.6 GW，風(fēng)電總裝機容量達(dá)906 GW，比2021年增長9%（Global Wind Energy Council，2023）。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處在高速發(fā)展階段，總裝機容量和新增裝機容量均處于世界前列。值得注意的是，我國雖然是地震多發(fā)國，但在高烈度地區(qū)，對風(fēng)電設(shè)備的建設(shè)也有著相當(dāng)大的需求，因此，風(fēng)電塔筒的地震風(fēng)險不容忽視。風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)上部機艙及葉片的重量比較大，在地震作用下塔筒可能會發(fā)生過大變形，經(jīng)濟損失不可估量，因此，研究塔筒的地震響應(yīng)并開展地震易損性分析具有重要意義。

近年來，各種類型風(fēng)電塔筒的地震易損性問題開始受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Patil等（2016）針對一座風(fēng)機鋼塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震易損性分析，指出了整體屈曲、基礎(chǔ)傾覆、首次屈服、永久變形4種極限狀態(tài)，其中基礎(chǔ)傾覆最為關(guān)鍵且近場地震更容易引起風(fēng)機的破壞。曹雨奇等（2018）以水平位移角作為損傷指標(biāo)，對體外預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒進(jìn)行地震易損性分析，分析了該類型塔筒在Ⅶ度多遇地震條件下的損傷情況。王浩（2020）和梁睿（2019）分別對鋼-混凝土混合塔筒及混凝土塔筒進(jìn)行振動損傷機理研究，發(fā)現(xiàn)在地震動作用下，塔筒的損傷范圍從塔筒底部逐漸向上延伸，損傷程度最大的區(qū)域集中在塔筒底部與基礎(chǔ)相接處的位置。戴靠山等（2018）開展了某風(fēng)力發(fā)電塔架縮尺模型振動臺試驗，指出塔筒在地震作用下會產(chǎn)生高階振型效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)地震易損性分析的關(guān)鍵在于地震動強度參數(shù)的選擇，目前人們對風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)地震易損性的研究中常選用譜加速度Sa、峰值加速度PGA。葉列平（2009）的研究表明，Sa不太適用于多自由度結(jié)構(gòu)的抗震分析，而PGA僅適用于短周期結(jié)構(gòu)，無法較好地反映中長周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。風(fēng)電塔筒較為細(xì)長，是典型的中長周期結(jié)構(gòu)，為使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，本文采用張超和申彥利（2017）提出的考慮了結(jié)構(gòu)高階振型效應(yīng)的復(fù)合參數(shù)IM1Iamp;2E作為地震動強度參數(shù)，運用OpenSees分析軟件建立鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，基于推覆分析確定各損傷狀態(tài)的限值，以截面曲率作為結(jié)構(gòu)需求參數(shù)，選取20條真實的地震動記錄進(jìn)行塔筒的增量動力分析，建立塔筒的地震易損性曲線并對其進(jìn)行評估，以期為鋼-混凝土混合塔筒的抗震設(shè)計以及抗震加固提供參考。

1工程研究對象

為研究地震作用下鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒的抗震性能，本文選取建于Ⅶ度設(shè)防區(qū)的某鋼-混凝土混合風(fēng)電塔筒（圖1）為研究對象。風(fēng)電塔所在地的設(shè)計基本地震加速度為0.15 g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。該塔總高度為121.5 m，下部為80 m的混凝土塔筒，上部為40 m的鋼筒，兩者中間為高度1.5 m的鋼混過渡段，塔筒上方機艙及葉片的總質(zhì)量為215 t?；炷镣捕蔚撞恐睆綖? m，頂部直徑為4 m，鋼筒段底部直徑為3.5 m，頂部直徑為2.6 m，筒身壁厚沿高度均勻變化，各筒段截面形式為均勻漸變形式。

2數(shù)值模型建立

鋼-混凝土混合塔筒的計算使用OpenSees進(jìn)行建模，建模中將風(fēng)電塔簡化為底部固結(jié)的單懸臂結(jié)構(gòu)，塔筒上部機艙及葉片的質(zhì)量簡化為集中質(zhì)量施加于塔筒頂部，筒身的分布質(zhì)量等效為節(jié)點質(zhì)量。風(fēng)電塔筒尺寸示意圖及計算簡圖如圖2所示。

2.1單元及纖維劃分

眾多學(xué)者在橋梁高墩的研究中使用纖維梁柱單元進(jìn)行建模。曹雨奇等（2018）在體外預(yù)應(yīng)力混凝土風(fēng)力發(fā)電塔的研究中指出纖維梁柱單元建模技術(shù)可在相似結(jié)構(gòu)的分析中使用。為確保模型的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)前人的建模理論，使用基于位移的纖維梁柱單元模擬筒身，沿高度方向每5 m劃分一個單元，其中鋼混過渡段單獨設(shè)置一個單元，其長度為1.5 m，每個單元設(shè)置兩個積分截面；單元截面使用纖維截面進(jìn)行模擬，混凝土筒段沿圓周方向劃分120個纖維，徑向劃分6個，共計720個纖維；鋼筒段和過渡段沿圓周方向劃分120個纖維，徑向劃分1個，共計120個纖維；混凝土筒段的縱向鋼筋根據(jù)內(nèi)外圈鋼筋的數(shù)目、截面面積以及位置建立相應(yīng)的纖維，如圖3所示。

2.2材料本構(gòu)參數(shù)

混凝土段纖維截面根據(jù)約束條件分為保護層混凝土和核心區(qū)混凝土，其材料強度等級為C60，選用OpenSees材料庫中的Concrete 02材料進(jìn)行模擬，其本構(gòu)參數(shù)選擇Kent-Scott-Park模型（Scott et al，1982）計算，該模型考慮了箍筋約束對混凝土強度的增強作用?；炷镣捕武摻畹膹姸鹊燃墳镠RB400，鋼筒段鋼材為Q345鋼，兩者用材料庫中的Steel 02材料進(jìn)行模擬，本構(gòu)參數(shù)選用Giuffre-Menegotto-Piano模型（Menegotto，Pinto，1973）進(jìn)行計算。兩種模型的本構(gòu)關(guān)系如圖4a、b所示，ε₀為混凝土峰值應(yīng)變，ε_u為混凝土極限壓應(yīng)變，f_c為混凝土抗壓強度，f_cu為極限抗壓強度，E_c為混凝土彈性模量，E_tc為受拉軟化剛度，λ為卸載剛度比，f_t為抗拉強度，f_y為屈服強度，E為彈性模量，E_p為屈服后的模量，各參數(shù)具體值見表1、2。

2.3Pushover分析及損傷極限狀態(tài)的確定

結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)是用來定義結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的物理量，它代表著結(jié)構(gòu)的抗震能力。在地震易損性研究中常用的損傷指標(biāo)有位移指標(biāo)、曲率指標(biāo)等。多數(shù)橋梁高墩的研究表明（梁智垚，2007；肖明洋，2013；趙志宏，2021；石巖等，2022），高墩在地震作用下會產(chǎn)生高階振型效應(yīng)，此時墩頂位移與控制截面曲率不再滿足對應(yīng)關(guān)系，如果采用位移損傷指標(biāo)進(jìn)行地震易損性分析則會有較大誤差，此時結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)不能通過位移指標(biāo)表現(xiàn)。而風(fēng)電塔筒與高墩類似，具有周期長、柔度大的特性，位移指標(biāo)不能充分體現(xiàn)塔筒的損傷狀態(tài)。從材料角度來看，材料應(yīng)變可以充分反應(yīng)結(jié)構(gòu)的彈塑性損傷狀態(tài)，但其計算量龐大，需要分析結(jié)構(gòu)中每根纖維的響應(yīng)；為簡化計算，本文選用可以體現(xiàn)應(yīng)變關(guān)系的截面曲率作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)。相關(guān)研究（王浩，2020；丁立勇，2018）表明，在地震作用下塔筒基底位置的損傷程度最大，因此，本文選取塔筒底截面作為控制截面進(jìn)行地震易損性分析。

對模型進(jìn)行推覆分析（Pushover分析）得到基底剪力與頂點位移曲線如圖5a所示。Pushover分析采用頂點位移加載模式，當(dāng)加載至傾覆時，分析塔筒的變形和應(yīng)力應(yīng)變可知，筒身底部位置處變形最為顯著，鋼筒段及鋼混過渡段不會發(fā)生屈曲破壞，由此可知，塔筒的脆弱部位在底部。根據(jù)基底剪力與頂點位移曲線的特性，提取出4個性能點分別對應(yīng)4種極限狀態(tài)LSi，同時參考《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335—2009）中的定義將塔筒的損傷狀態(tài)劃分為完好、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、完全破壞5種損傷狀態(tài)，各極限狀態(tài)對應(yīng)的曲率值見圖5b，各損傷狀態(tài)描述見表3。

3易損性分析中主要參數(shù)確定及處理

3.1地震波選取

對于增量動力分析而言，地震波的選擇對模擬結(jié)果有較大影響。為使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，本文根據(jù)地震波的峰值、頻譜特性、持時三種特性，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010），從美國太平洋地震工程研究中心（PEER）強震數(shù)據(jù)庫中選取80條地震波記錄，根據(jù)各主要振型周期內(nèi)加速度值相差不超過20%的原則（謝豐蔚，2015），從中挑選出20條與設(shè)計反應(yīng)譜相匹配的地震波記錄（表4）做譜分析，其反應(yīng)譜曲線如圖6所示。

3.2地震動強度參數(shù)的確定

目前結(jié)構(gòu)地震易損性分析中大多采用地面峰值加速度PGA和譜加速度Sa，其中PGA的應(yīng)用最為廣泛。葉列平等（2009）的研究指出，在中長周期范圍，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與PGA的相關(guān)程度較小，PGA無法較好地模擬中長周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，

4風(fēng)電塔筒的地震易損性分析

4.1地震易損性曲線建立

5結(jié)論

本文基于彈塑性纖維梁柱單元理論建立了某鋼-混凝土風(fēng)電塔筒二維數(shù)值模型，以復(fù)合參數(shù)IM1Iamp;2E作為地震動強度指標(biāo)，以截面曲率作為損傷指標(biāo)，用增量動力分析方法建立了塔筒在20條地震波作用下的易損性曲線，根據(jù)易損性分析結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）塔筒的損傷程度與地震動強度參數(shù)呈正相關(guān)態(tài)勢，在相同地震動強度參數(shù)下，塔筒發(fā)生輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全破壞的概率依次減小。

（2）該風(fēng)電塔所在區(qū)域地震動強度參數(shù)IM1Iamp;2E值為0.25，塔筒輕微損傷的概率為89%，發(fā)生中等損傷的概率為11%，其它損傷狀態(tài)概率基本為0，可以滿足該地區(qū)抗震設(shè)防要求。

（3）在Ⅷ度罕遇地震（0.4 g）作用下塔筒會發(fā)生一定程度的損傷，對于高烈度地區(qū)的風(fēng)電塔，建議綜合考慮經(jīng)濟成本及經(jīng)濟效益，合理選擇抗震設(shè)計。

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Seismic Vulnerability Analysis of Steel-concrete Hybrid Wind Turbine

Tower Based on Incremental Dynamic Analysis

SHEN Yanli1，2，CHENG Jianhu1，ZHANG Weijie1

（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，Hebei，China）

（2.Hebei Provincel Prefabricated Structure Technology Innovation Center，Handan 056038，Hebei，China）

Abstract

Based on the theory of the elastic-plastic fiber-beam-column element，a two-dimensional numerical model of a steel-concrete hybrid wind turbine tower is established to study the towers aseismic performance.The limit values of five damage states of the tower are determined according to the results from the pushover analysis，then the sectional curvature is used as the structural demand parameter，and IM1Iamp;2E，which considers the higher order modes，is used as the composite ground motion intensity parameter.Twenty ground motion records are selected for the incremental dynamic analysis of the tower to establish the seismic vulnerability curves of the tower for the evaluation of the seismic performance of the tower.The results show that the hybrid tower model can meet the aseismic requirements for an Intensity Ⅶ（0.15 g）earthquake，and a special aseismic design should be taken into account when the tower is under the action of rare earthquakes（Intensity Ⅷ or over）or when the tower is located in the higher intensity areas.

Keywords：wind turbine tower；incremental dynamic analysis；higher order modes；structural demand；seismic vulnerability