地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分

较之于陆上，海上风能资源丰富，且具有风速高、风向稳定、能量密度高、风切变小、湍流度低以及环境、生态和适宜大型化等优势，由陆至海的未来风电发展方向已为学术界、风电企业达成共识，广受各国重视[1]。2020年，全球计划海上风电装机容量达到40.3 GW，我国海上风电并网预计将达5 GW，较“十二五”期间增加400%[2]。为充分利用海上风能，海上风力机的安装逐渐从浅海域向深海域发展[3]。

海上风力机在不同水深的海域宜选择不同的支撑结构。水深超过90 m的海域多选择漂浮式平台[4]，水深小于90 m的海域均采用固定式支撑结构[5]。支撑基础结构分为重力式、单桩式、三脚架式、桁架式、多桩承台式和筒式六种[6]，其中桁架式由格栅桁架与3～4根深埋海床的钢管焊接而成，因其具有强度高、建造和施工方便、受波浪与水流载荷影响小的优势，故在相对较深(约60 m)的浅海海域风电场多采用桁架式作为支撑结构[7-9]。随水深增加桁架式支撑结构的耗材及安装成本将大幅增加，所以采用桁架式的风力机海水最深为80 m[10]。随着我国南海海域首个桁架式海上风力机的并网[11]，该结构在我国逐渐被广泛应用。然而，我国风能资源丰富的沿海地区恰位于环太平洋地震带，属地震频发地区，加之桩基埋于淤泥与软土质较厚的海床下，使地震发生时风力机产生剧烈震荡，致使塔架极易超出设计极限，从而发生局部结构损伤，甚至整机组倒塌，造成巨大的安全事故及财产损失[12-13]。因此，在考虑土壤柔性的基础上分析桁架式大型海上风力机在多种地震载荷同时作用下的动力学特性及结构动力学响应十分必要。

国内外诸多学者相继开展了海上风力机在地震作用下动力学响应研究。文献[14]研究了5 MW风力机在地震载荷下的动力学响应，对固定基础多自由度考虑土-构耦合作用的有限元模型，分别采用响应谱分析法与瞬态动力学分析法，发现土-构耦合作用不可忽略。一些学者将海床土壤与桩基间假设为刚性接触[15-16]或线弹性接触[17-18]，但因海底土壤液化严重，土体孔隙率及含水量随桩基埋土深度不断变化[19]，导致土体在横、纵方向上的力学特性呈现非线性变化，这将增加风力机支撑结构的阻尼，减小固有频率[20-21]，且当地震发生时，土体与结构间的相对位移加剧了土壤液化，土壤反力随结构形变的差异产生高度的非线性特性[22-23]。因此，对风力机支撑结构的动力学特性及地震载荷下动力学响应分析需采用一种更为精确描述土-构间相互作用的非线性耦合模型。

为此，德国劳氏船级社(Germanischer Lloyd，GL)发布的指南中给出了相对详细的要求[24]：地震载荷分析应选择重现期为475年的地震激励作为设计强度，可通过频域法或时域法计算；此外，还必须考虑气动载荷作用，设计负载应为气动载荷与地震载荷之和。季亮等采用频域法计算风力机支撑结构的固有频率及模态振型，再根据地震反应谱计算地震载荷，该方法相对于瞬态动力学方法计算结果不仅过于保守，还忽略了气动载荷的影响。文献[25-26]基于NREL的风力机气动-伺服-水动-弹性的开源软件FAST建立湍流风-地震实时耦合模型，模拟风力机结构在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应，分析地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响，研究发现了一些风力机结构在不同地震作用下的非线性动力响应影响规律。但该方法仅适用于单桩式支撑结构的风力机，且所得结果较宏观，针对不同支撑结构的风力机在地震发生时局部的响应特性分析难以开展。

针对以上问题，本文以NREL 5 MW风力机为研究对象，建立海上风力机结构有限元模型，基于p-y曲线法建立文克尔土-构耦合模型，选择太平洋地震工程研究所(Pacific Earthquake Engineering Research, PEER)的实测数据为地震载荷，采用有限元法进行瞬态动力学仿真，对比地震发生时不同支撑结构风力机塔架瞬态动力学响应，研究桁架式风力机结构动力学特性，为抗震结构设计提供参考。

1 研究对象

1.1 塔架模型

选择美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)开发的5 MW风力机为研究对象，Jonkman等[27]在美国国家风能中心(National Wind Technology Center，NWTC)发表的报告中给出了其详细的设计参数，如表1所示。

表1 风力机主要参数Tab.1 Wind turbine parameters参数数值额定功率/MW5塔架高度/m87.6叶轮直径/m126额定风速/(m·s-1)11.4塔架质量/kg机舱质量/kg轮毂及叶片质量/kg塔架前后一阶固有频率/Hz0.32塔架侧向一阶固有频率/Hz0.31塔架前后二阶固有频率/Hz2.90塔架侧向二阶固有频率/Hz2.93

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