宋波等：冲刷深度对海上风电塔地震动力响应的影响分析 ·1357. perial Valley-O6和Tl-Ⅲ-1地震动作用下，结构的 上述可得，基础冲刷会使结构的位移、加速度和应力 应力峰值均达到许用应力，在T2-Ⅲ-1地震动作用 峰值增大，冲刷深度越大，结构动力响应增幅越明 下，无冲刷结构应力峰值未达到许用应力，但基础冲 显，结构越易处于不安全状态；且地震动峰值加速度 刷10m后，结构应力峰值达到许用应力，结构将处 越大，冲刷对结构的影响越大 于不安全状态.可见当结构基础冲刷10m时，塔筒 提取220cms-2远场T1-Ⅲ-1地震动作用下支 各处应力均有所增大，进而使结构加速破坏.故由 撑结构顶部节点的位移和加速度时程曲线见图9. 0.6 a -·-冲刷5m (b) ---冲制5m 冲制10m 6 一冲刷10m 0.4 0.2 -2 0.2 -0.4 066 10 20 30 40 50 H 0 10 20 3040 50 60 时间s 时间/s 图9不同冲刷深度支撑结构顶部节点时程曲线.()位移时程曲线：(b)加速度时程曲线 Fig.9 Time-history curves of the top node with different scour depth support structures:(a)displacement-time history curve;(b)acceleration-time history curve 由图9可知，当局部冲刷深度由5m增加到10 在模型箱中.试验模型及传感器布置如图10，通过 m时，其塔筒顶部的最大位移由0.413m增大到 试验与数值模拟结果对比，验证模拟结果是否准确. 0.461m,增大约12%：在其他两种地震波作用下，随 通过数据采集系统，采集风机模型在选取的两 冲刷深度的增加，位移增大比例也约为12%~ 条远场地震波作用下风机塔筒顶部的位移时程，同 15%.通过时程曲线可看出，冲刷深度不同，节点在 时对数值模型施加同样波形，所获位移峰值对比如 地震波的整个持续过程中位移变化并不完全相似， 图11所示. 与结构动力特性有关，且最大位移发生时刻也不相 对比结果可发现，风机塔筒顶部最大水平位移 同，冲刷深度为5m和10m时，其最大正向位移分 试验值与数值模拟结果吻合较好.数值模拟值和试 别发生在27.95s和31.61s:最大负向位移分别发 验值产生的误差主要是由于模型的等效化处理及加 生在32.77s和33.08s. 工等造成，但都在合理范围之内.通过振动台缩尺 综上所述，冲刷深度对风电塔这种高柔性结构 模型试验，较好的验证了数值模拟结果的正确性，表 的动力特性及动力响应结果均有放大作用. 明以上数值模拟结果具有一定的可参考价值. 3.4振动台试验与数值模拟对比分析 4 基于模型几何相似系数入=150、整体高度约 结论 2.5m(包括塔筒和桩基)的风电塔试验模型，研究地 基于P-y法桩土相互作用及ANSYS计算模 震作用对风电塔结构动力响应的影响.本次试验通 型，研究了海上风电塔结构在不同冲刷深度下结构 过室内ES-15液压振动台进行，选取两条典型远场 的动力特性及冲刷深度对结构地震动作用下动力响 地震波（台湾集集地震LA004和LA049)作为输入 应的影响，对比分析后得到如下结果： 地震动.试验中，为模拟土层对结构动力响应的影 (1)冲刷深度主要影响结构高阶振型，致使结 响，同时考虑实验室各项条件的限制，将桩体等效为 构扭转变形幅度增大，自振周期变长，增幅最大达 嵌固于地表面以下一定深度的悬臂桩模型，同时采 33%.由于冲刷致使土层对高柔性结构约束减弱， 用与实际土质相近的土与砂土等混合料拌合，实现 随冲刷深度的增大，结构将产生大的振动进而导致 嵌固点以上真实土体的模拟.制作模型时，将风电 风机停摆 塔模型焊接在底板上，并通过螺栓连接将底板固定 (2)地震动作用下，冲刷深度对结构位移、应力宋 波等: 冲刷深度对海上风电塔地震动力响应的影响分析 perial Valley鄄鄄06 和 T1鄄鄄芋鄄鄄1 地震动作用下,结构的 应力峰值均达到许用应力,在 T2鄄鄄芋鄄鄄1 地震动作用 下,无冲刷结构应力峰值未达到许用应力,但基础冲 刷 10 m 后,结构应力峰值达到许用应力,结构将处 于不安全状态. 可见当结构基础冲刷 10 m 时,塔筒 各处应力均有所增大,进而使结构加速破坏. 故由 上述可得,基础冲刷会使结构的位移、加速度和应力 峰值增大,冲刷深度越大,结构动力响应增幅越明 显,结构越易处于不安全状态;且地震动峰值加速度 越大,冲刷对结构的影响越大. 提取220 cm·s - 2远场 T1鄄鄄芋鄄鄄1 地震动作用下支 撑结构顶部节点的位移和加速度时程曲线见图 9. 图 9 不同冲刷深度支撑结构顶部节点时程曲线. (a)位移时程曲线;(b)加速度时程曲线 Fig. 9 Time鄄history curves of the top node with different scour depth support structures: (a) displacement鄄time history curve; (b) acceleration鄄time history curve 由图 9 可知,当局部冲刷深度由 5 m 增加到 10 m 时,其塔筒顶部的最大位移由 0郾 413 m 增大到 0郾 461 m,增大约 12% ;在其他两种地震波作用下,随 冲刷深度的增加, 位移增大比例也约为 12% ~ 15% . 通过时程曲线可看出,冲刷深度不同,节点在 地震波的整个持续过程中位移变化并不完全相似, 与结构动力特性有关,且最大位移发生时刻也不相 同,冲刷深度为 5 m 和 10 m 时,其最大正向位移分 别发生在 27郾 95 s 和 31郾 61 s;最大负向位移分别发 生在 32郾 77 s 和 33郾 08 s. 综上所述,冲刷深度对风电塔这种高柔性结构 的动力特性及动力响应结果均有放大作用. 3郾 4 振动台试验与数值模拟对比分析 基于模型几何相似系数 姿L = 1 / 50、整体高度约 2郾 5 m(包括塔筒和桩基)的风电塔试验模型,研究地 震作用对风电塔结构动力响应的影响. 本次试验通 过室内 ES鄄鄄15 液压振动台进行,选取两条典型远场 地震波(台湾集集地震 ILA004 和 ILA049)作为输入 地震动. 试验中,为模拟土层对结构动力响应的影 响,同时考虑实验室各项条件的限制,将桩体等效为 嵌固于地表面以下一定深度的悬臂桩模型,同时采 用与实际土质相近的土与砂土等混合料拌合,实现 嵌固点以上真实土体的模拟. 制作模型时,将风电 塔模型焊接在底板上,并通过螺栓连接将底板固定 在模型箱中. 试验模型及传感器布置如图 10,通过 试验与数值模拟结果对比,验证模拟结果是否准确. 通过数据采集系统,采集风机模型在选取的两 条远场地震波作用下风机塔筒顶部的位移时程,同 时对数值模型施加同样波形,所获位移峰值对比如 图 11 所示. 对比结果可发现,风机塔筒顶部最大水平位移 试验值与数值模拟结果吻合较好. 数值模拟值和试 验值产生的误差主要是由于模型的等效化处理及加 工等造成,但都在合理范围之内. 通过振动台缩尺 模型试验,较好的验证了数值模拟结果的正确性,表 明以上数值模拟结果具有一定的可参考价值. 4 结论 基于 P鄄鄄 y 法桩土相互作用及 ANSYS 计算模 型,研究了海上风电塔结构在不同冲刷深度下结构 的动力特性及冲刷深度对结构地震动作用下动力响 应的影响,对比分析后得到如下结果: (1)冲刷深度主要影响结构高阶振型,致使结 构扭转变形幅度增大,自振周期变长,增幅最大达 33% . 由于冲刷致使土层对高柔性结构约束减弱, 随冲刷深度的增大,结构将产生大的振动进而导致 风机停摆. (2)地震动作用下,冲刷深度对结构位移、应力 ·1357·