戴靠山等：考虑土一结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析 ·1437. 塔设计文件如EC[]和ASCE/AWEA[s]规范，则要求 水平轴NORDEX S70型风力发电机.风电塔塔筒为类 考虑运转状态下的极端荷载工况，但对这些工况下 圆柱体变截面变壁厚薄壳钢结构体，高61.8m,塔身结 是否需要考虑SSI效应却并未给出明确的建议：已有 构分三节，高度自下而上分别为13.6、20.8和27.4m 的关于SSI效应对风电塔地震响应影响的研究多在 塔简底部外径为4.035m,顶部外径为2.955m,筒壁厚 风机停机状态下开展分析)，在风机运转工况下探 度最厚处在塔筒底部，为25mm,最薄处在接近塔筒顶 讨SSI效应的相关研究还不多见.基于此，本文针对 部位置，为11mm.基础形式为多桩承台基础，承台为 某陆上风电场1.5MW风电塔结构，对风电塔塔简、 圆柱体，高3.1m,半径8.8m.承台底部分别沿半径3 基础和基础周围土体，建立了整体三维精细有限元 m处和8m处的两圆周均匀布置4根和16根钻孔灌 模型.直接计算塔顶叶轮运转效应以考虑风机运转 注桩，共20根，桩长60m,直径0.8m. 的影响，并通过土层地震反应分析，把地表实测地震 1.2场地条件 波反演至模型土层底部位置.将上述计算得到的塔 该风电场位于沿海地区，年平均风速为6.7m·s, 顶效应和土层底部地震波同时输人计算模型中，对 为Ⅳ类场地，抗震设防烈度为6度.根据该风电场岩 运转工况下的风电塔进行地震动力时程分析.对比 土勘察报告提供的钻孔资料，结合场地条件进行适当 考虑和不考虑SSI效应风电塔结构的动力响应差异， 简化，最终建模采用的土层物理力学参数如表1所示 研究SSI效应对运转状态风电塔地震动力响应的影 楼梦麟等[o]的研究指出，决定有限土层合理取值范围 响规律 的因素是长深比：胡铖波等门给出了桩一土模型桩侧 土体边界和桩端土体深度的建议值.为了充分考虑 1 有限元模型 SSI效应的影响，本文建立的土体为一圆柱体，土体半 1.1结构特征 径取约5倍承台半径，为45m,土体深度取1.5倍桩长 本研究基于某陆上风电场1.5MW三桨叶变桨距 和承台高度，为93.1m 表1土层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers 密度/ 压缩模量/ 摩擦角/ 层号 层厚/m 黏聚力/ 土类 土层描述 (kg'm-3) 泊松比 MPa () kPa 1 砂质粉土 饱和，稍密 3.1 1897.96 8.54 0.28 31.0 7 2 粘土 饱和，软塑 60.0 1785.71 3.44 0.30 15.5 18 3 粉细砂 饱和，密实 30.0 1959.18 17.26 0.30 35.0 3 1.3建模方法 置0.1%弹性模量的应变硬化.钢筋混凝土承台和桩 采用大型通用有限元分析软件ABAQUS6.13进 基础采用线弹性本构模型，材料密度按照规范[14]取 行建模.风电塔塔筒采用S4R单元，建模时塔筒分为 为2500kg·m3,弹性模量和泊松比按照规范[15]规定 22段，连接处进行网格加密：在塔简底部采用梁单元 的C60材料参数建议值分别取3.6×10N·mm2和 建立门洞.叶片（包括轮毂）和机舱分别简化为两个偏 0.2.土体采用Mohr-Coulomb本构模型，根据地区经 心质量点，偏心距分别为2.5m和1m,质量分别为 验，弹性模量可取3.5~5倍压缩模量6，压缩模量按 26.886t和60t,整个风电塔塔筒结构重约91t.基础和 勘察报告提供的常规压缩试验结果取值.泊松比根据 土体采用C3D8R单元，为尽量减小土体滤波作用的影 经验[进行取值.考虑风机运转产生的气动阻尼，模 响，根据相关研究[2]，土体单元高度取1m左右，水平 型结构阻尼比取5%.定义垂直叶轮方向为X向、平行 方向尺寸取1.5m左右，同时在土与基础接触的区域 叶轮方向为Y向，最终建立的有限元模型如图1所示. 加密网格.土体采用自由边界，土体对波的衰减作用 2模态分析与模型验证 通过增大土体范围和设置材料阻尼进行考虑.桩土相 互作用模拟通过设置接触对]来实现，文中法向作用 对考虑和不考虑SSI效应的风电塔模型开展模态 均采用硬接触方式(hard contact),切向作用桩侧采用 分析，表2给出了前三阶自振频率计算结果和实测值 库伦摩擦方式(coulomb friction),接触摩擦系数为 的对比验证，图2给出了风电塔塔筒前三阶模态 0.3,桩底采用无摩擦方式(frictionless). 由于风电塔结构较为细柔，各阶自振频率均较低， 塔筒材料为S355低碳钢，建模采用理想弹塑性本 且结构近似对称，塔筒每阶两个方向的自振频率均比 构模型，材料密度为7850kg·m3,弹性模量为200 较接近.整体来看，有限元分析结果与实测值接 GPa,泊松比为0.3，屈服极限为355MPa,塑性阶段设 近[]，最大误差在10%左右，且考虑SSI效应后有限戴靠山等: 考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析 塔设计文件如 IEC [7] 和 ASCE/ AWEA [8] 规范,则要求 考虑运转状态下的极端荷载工况,但对这些工况下 是否需要考虑 SSI 效应却并未给出明确的建议;已有 的关于 SSI 效应对风电塔地震响应影响的研究多在 风机停机状态下开展分析[9] ,在风机运转工况下探 讨 SSI 效应的相关研究还不多见. 基于此,本文针对 某陆上风电场 1郾 5 MW 风电塔结构,对风电塔塔筒、 基础和基础周围土体,建立了整体三维精细有限元 模型. 直接计算塔顶叶轮运转效应以考虑风机运转 的影响,并通过土层地震反应分析,把地表实测地震 波反演至模型土层底部位置. 将上述计算得到的塔 顶效应和土层底部地震波同时输入计算模型中,对 运转工况下的风电塔进行地震动力时程分析. 对比 考虑和不考虑 SSI 效应风电塔结构的动力响应差异, 研究 SSI 效应对运转状态风电塔地震动力响应的影 响规律. 1 有限元模型 1郾 1 结构特征 本研究基于某陆上风电场 1郾 5 MW 三桨叶变桨距 水平轴 NORDEX S70 型风力发电机. 风电塔塔筒为类 圆柱体变截面变壁厚薄壳钢结构体,高 61郾 8 m,塔身结 构分三节,高度自下而上分别为 13郾 6、20郾 8 和 27郾 4 m, 塔筒底部外径为 4郾 035 m,顶部外径为 2郾 955 m,筒壁厚 度最厚处在塔筒底部,为 25 mm,最薄处在接近塔筒顶 部位置,为 11 mm. 基础形式为多桩承台基础,承台为 圆柱体,高 3郾 1 m,半径 8郾 8 m. 承台底部分别沿半径 3 m 处和 8 m 处的两圆周均匀布置 4 根和 16 根钻孔灌 注桩,共 20 根,桩长 60 m,直径 0郾 8 m. 1郾 2 场地条件 该风电场位于沿海地区,年平均风速为 6郾 7 m·s - 1 , 为郁类场地,抗震设防烈度为 6 度. 根据该风电场岩 土勘察报告提供的钻孔资料,结合场地条件进行适当 简化,最终建模采用的土层物理力学参数如表 1 所示. 楼梦麟等[10]的研究指出,决定有限土层合理取值范围 的因素是长深比;胡铖波等[11]给出了桩―土模型桩侧 土体边界和桩端土体深度的建议值. 为了充分考虑 SSI 效应的影响,本文建立的土体为一圆柱体,土体半 径取约 5 倍承台半径,为 45 m,土体深度取 1郾 5 倍桩长 和承台高度,为 93郾 1 m. 表 1 土层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers 层号 土类 土层描述 层厚/ m 密度/ (kg·m - 3 ) 压缩模量/ MPa 泊松比 摩擦角/ (毅) 黏聚力/ kPa 1 砂质粉土 饱和,稍密 3郾 1 1897郾 96 8郾 54 0郾 28 31郾 0 7 2 粘土 饱和,软塑 60郾 0 1785郾 71 3郾 44 0郾 30 15郾 5 18 3 粉细砂 饱和,密实 30郾 0 1959郾 18 17郾 26 0郾 30 35郾 0 3 1郾 3 建模方法 采用大型通用有限元分析软件 ABAQUS 6郾 13 进 行建模. 风电塔塔筒采用 S4R 单元,建模时塔筒分为 22 段,连接处进行网格加密;在塔筒底部采用梁单元 建立门洞. 叶片(包括轮毂)和机舱分别简化为两个偏 心质量点,偏心距分别为 2郾 5 m 和 1 m,质量分别为 26郾 886 t 和60 t,整个风电塔塔筒结构重约91 t. 基础和 土体采用 C3D8R 单元,为尽量减小土体滤波作用的影 响,根据相关研究[12] ,土体单元高度取 1 m 左右,水平 方向尺寸取 1郾 5 m 左右,同时在土与基础接触的区域 加密网格. 土体采用自由边界,土体对波的衰减作用 通过增大土体范围和设置材料阻尼进行考虑. 桩土相 互作用模拟通过设置接触对[13]来实现,文中法向作用 均采用硬接触方式( hard contact),切向作用桩侧采用 库伦摩擦方式 ( coulomb friction), 接 触 摩 擦 系 数 为 0郾 3,桩底采用无摩擦方式(frictionless). 塔筒材料为 S355 低碳钢,建模采用理想弹塑性本 构模型,材料密度为 7850 kg·m - 3 ,弹性模量为 200 GPa,泊松比为 0郾 3,屈服极限为 355 MPa,塑性阶段设 置 0郾 1% 弹性模量的应变硬化. 钢筋混凝土承台和桩 基础采用线弹性本构模型,材料密度按照规范[14]取 为 2500 kg·m - 3 ,弹性模量和泊松比按照规范[15]规定 的 C60 材料参数建议值分别取 3郾 6 伊 10 4 N·mm - 2 和 0郾 2. 土体采用 Mohr鄄鄄 Coulomb 本构模型,根据地区经 验,弹性模量可取 3郾 5 ~ 5 倍压缩模量[16] ,压缩模量按 勘察报告提供的常规压缩试验结果取值. 泊松比根据 经验[17]进行取值. 考虑风机运转产生的气动阻尼,模 型结构阻尼比取5% . 定义垂直叶轮方向为 X 向、平行 叶轮方向为 Y 向,最终建立的有限元模型如图 1 所示. 2 模态分析与模型验证 对考虑和不考虑 SSI 效应的风电塔模型开展模态 分析,表 2 给出了前三阶自振频率计算结果和实测值 的对比验证,图 2 给出了风电塔塔筒前三阶模态. 由于风电塔结构较为细柔,各阶自振频率均较低, 且结构近似对称,塔筒每阶两个方向的自振频率均比 较接 近. 整 体 来 看, 有 限 元 分 析 结 果 与 实 测 值 接 近[18] ,最大误差在 10% 左右,且考虑 SSI 效应后有限 ·1437·