.1352· 工程科学学报.第41卷，第10期 generation should immediately be stopped.The variation curves of the shaking table test and the numerical simulation results were more uniform,and the trend coincided well,which fully verified the accuracy of the numerical simulation. KEY WORDS offshore wind turbine tower;scour depth;on-site monitoring;vibration characteristics;seismic dynamic response 海上风电塔的运行环境较陆上风电塔更为复 于某海上风电塔动力特性的现场监测及有限元模型 杂，技术要求更高，长期恶劣的服役环境使风电塔在 研究，探究了不同冲刷深度对风电塔动力特性的影 台风及海水冲刷等复杂受力状态下更易产生破坏. 响及冲刷后结构承受不同地震动荷载情况下的动力 波浪荷载作用下，风电塔基础附近海床受到冲刷，随 响应规律，为海上单桩式风电塔的结构加固和优化 作用时间的增加，基础周围出现冲刷坑，致使风电塔 设计提供了参考 产生较大振动，进而反作用于冲刷坑，使冲刷坑的侵 蚀更加严重.薛九天等]研究表明冲刷对桩基础承 1工程概况 载性能的影响不可忽视.Hansen等f)]通过实测研 以江苏环港某风电场为研究背景，场区区域位 究了冲刷的变化规律.严根华等)研究了不同冲刷 于如东近海及海岸线外侧的潮间带，属于华夏系第 深度对结构动力特性的影响.张冬冬等4)通过建立 二巨型隆起带.结构7度抗震设防，设计基本地震 有限元桩-土模型得出了冲刷程度对风电塔的影 加速度值为0.1g,设计地震分组为第Ⅲ组，场地类 响.田树刚与陈清军)研究了近海域风电塔结构的 别为Ⅱ类.风电机组单机容量3.0MW,轮毂86m, 动力特性和结构自振频率.李凯文等[]借助现场监 风轮直径为115m,上部结构质量（叶片、机舱和轮 测与数值模拟所得数据，得到某海上风电塔在不同 毂)为199710kg.风电机塔架的现场实况如图1 水深及经受波浪荷载情况下的动力响应规律.Kim 所示. 等)通过建立弹簧单元来模拟桩-土相互作用，对 风电塔结构进行了精细化模拟.Takehiko与 Takeshit8]为得出海上风电塔在工作过程中遭遇地 震时的荷载组合效应，针对服役中的风电塔开展了 一系列的研究.何泓男研究得出冲刷坑深度、宽 度和冲刷坑坡角等对桩基水平承载力的影响.朱伟 强1研究了海上风电塔冲刷的计算方法，并提出了 对风电塔的防护措施.胡丹等川通过研究不同冲 刷条件下单桩的水平承载力，得出冲刷及桩顶的固 定方式等对单桩承载力的影响.杨少磊与马宏 图1风电塔现场实况图 旺]完成了考虑冲刷和不考虑冲刷情况下风电塔 Fig.I Photograph of wind turbine towers 的优化设计.在河床冲刷方面，王志丰)研究了冲 2 海上风电塔现场自振频率测试与分析 刷深度的变化对桥梁桩基础的动力反应的影响. Whitehouse等a通过海上风电场基础冲刷的监测 为确定合适的研究对象，本文对风电塔结构进 分析，解释了冲刷时间、冲刷坑的形成及变动海床周 行正常运行环境下的现场监测，以该工程同时期建 围沉积物特征的相互关系.在地震动力研究方面， 造的6#和15#风机为对象，进行自振频率的实时监 宋波等]考虑潮位及动水压力的影响，研究了在复 测，监测时，海水最高潮位1.26m,局部冲刷坑深约 杂环境下海上风电塔的动力响应规律.现今我国关 4.2m.由于塔架轮毂高达86m,难以在其顶部施加 于海上潮流冲刷及海盐腐蚀对海上风电塔动力特性 外部冲击力，因此在风电机叶片转速减至3.0r· 影响的研究较少，研究不同冲刷深度对风电塔动力 min1左右时，进行急刹车试验，同时对风电机塔筒 响应的影响对于海上风电塔的优化设计具有十分重 进行信号采集，两台风电机信号采集点位置相同 要的意义. 该方法等效于对风机结构施加一个准脉冲力，利用 综上，随着国内外对海上风电塔结构受冲刷后 布置在风机塔筒顶部的传感器收集振动信号，经电 结构动力特性的影响分析以及基于性能的结构设计 荷放大器转换为电信号，过滤无用的频率成分，对信 发展研究愈发深入，风电塔的动力特性研究及在地 号频率进行分析转换为功率谱曲线显示，功率谱峰 震动作用下的动力响应分析显得十分必要.本文基 值点所对应的频率即为所测得的风电机自振频率.工程科学学报,第 41 卷,第 10 期 generation should immediately be stopped. The variation curves of the shaking table test and the numerical simulation results were more uniform, and the trend coincided well, which fully verified the accuracy of the numerical simulation. KEY WORDS offshore wind turbine tower; scour depth; on鄄site monitoring; vibration characteristics; seismic dynamic response 海上风电塔的运行环境较陆上风电塔更为复 杂,技术要求更高,长期恶劣的服役环境使风电塔在 台风及海水冲刷等复杂受力状态下更易产生破坏. 波浪荷载作用下,风电塔基础附近海床受到冲刷,随 作用时间的增加,基础周围出现冲刷坑,致使风电塔 产生较大振动,进而反作用于冲刷坑,使冲刷坑的侵 蚀更加严重. 薛九天等[1]研究表明冲刷对桩基础承 载性能的影响不可忽视. Hansen 等[2] 通过实测研 究了冲刷的变化规律. 严根华等[3]研究了不同冲刷 深度对结构动力特性的影响. 张冬冬等[4]通过建立 有限元桩鄄鄄 土模型得出了冲刷程度对风电塔的影 响. 田树刚与陈清军[5]研究了近海域风电塔结构的 动力特性和结构自振频率. 李凯文等[6]借助现场监 测与数值模拟所得数据,得到某海上风电塔在不同 水深及经受波浪荷载情况下的动力响应规律. Kim 等[7]通过建立弹簧单元来模拟桩鄄鄄 土相互作用,对 风电 塔 结 构 进 行 了 精 细 化 模 拟. Takehiko 与 Takeshi [8]为得出海上风电塔在工作过程中遭遇地 震时的荷载组合效应,针对服役中的风电塔开展了 一系列的研究. 何泓男[9] 研究得出冲刷坑深度、宽 度和冲刷坑坡角等对桩基水平承载力的影响. 朱伟 强[10]研究了海上风电塔冲刷的计算方法,并提出了 对风电塔的防护措施. 胡丹等[11] 通过研究不同冲 刷条件下单桩的水平承载力,得出冲刷及桩顶的固 定方式等对单桩承载力的影响. 杨少磊与马宏 旺[12]完成了考虑冲刷和不考虑冲刷情况下风电塔 的优化设计. 在河床冲刷方面,王志丰[13] 研究了冲 刷深度的变化对桥梁桩基础的动力反应的影响. Whitehouse 等[14] 通过海上风电场基础冲刷的监测 分析,解释了冲刷时间、冲刷坑的形成及变动海床周 围沉积物特征的相互关系. 在地震动力研究方面, 宋波等[15]考虑潮位及动水压力的影响,研究了在复 杂环境下海上风电塔的动力响应规律. 现今我国关 于海上潮流冲刷及海盐腐蚀对海上风电塔动力特性 影响的研究较少,研究不同冲刷深度对风电塔动力 响应的影响对于海上风电塔的优化设计具有十分重 要的意义. 综上,随着国内外对海上风电塔结构受冲刷后 结构动力特性的影响分析以及基于性能的结构设计 发展研究愈发深入,风电塔的动力特性研究及在地 震动作用下的动力响应分析显得十分必要. 本文基 于某海上风电塔动力特性的现场监测及有限元模型 研究,探究了不同冲刷深度对风电塔动力特性的影 响及冲刷后结构承受不同地震动荷载情况下的动力 响应规律,为海上单桩式风电塔的结构加固和优化 设计提供了参考. 1 工程概况 以江苏环港某风电场为研究背景,场区区域位 于如东近海及海岸线外侧的潮间带,属于华夏系第 二巨型隆起带. 结构 7 度抗震设防,设计基本地震 加速度值为 0郾 1g,设计地震分组为第芋组,场地类 别为域类. 风电机组单机容量 3郾 0 MW,轮毂 86 m, 风轮直径为 115 m,上部结构质量(叶片、机舱和轮 毂)为 199710 kg. 风电机塔架的现场实况如图 1 所示. 图 1 风电塔现场实况图 Fig. 1 Photograph of wind turbine towers 2 海上风电塔现场自振频率测试与分析 为确定合适的研究对象,本文对风电塔结构进 行正常运行环境下的现场监测,以该工程同时期建 造的 6#和 15#风机为对象,进行自振频率的实时监 测,监测时,海水最高潮位 1郾 26 m,局部冲刷坑深约 4郾 2 m. 由于塔架轮毂高达 86 m,难以在其顶部施加 外部冲击力,因此在风电机叶片转速减至 3郾 0 r· min - 1左右时,进行急刹车试验,同时对风电机塔筒 进行信号采集,两台风电机信号采集点位置相同. 该方法等效于对风机结构施加一个准脉冲力,利用 布置在风机塔筒顶部的传感器收集振动信号,经电 荷放大器转换为电信号,过滤无用的频率成分,对信 号频率进行分析转换为功率谱曲线显示,功率谱峰 值点所对应的频率即为所测得的风电机自振频率. ·1352·