D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.10.018 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 风电塔非线性地震动力响应规律与极限值评价 宋波，曾洁☑ 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:soukecic@aliyun.com 摘要基于一轮毅高度为50.41m的实际陆上风电塔结构，运用ANSYS有限元分析软件以及时程分析法对结构进行 不同地震动作用下的非线性动力响应影响规律研究，并进一步探讨了结构在正常使用极限状态、塑性极限状态、残余位 移条件控制下的水平位移与应力极限值，计算了响应的地震动临界峰值，对结构的整体抗震性能进行了评价.研究结果 表明：板块边界型地震动对风电塔这种高耸柔性结构的动力响应影响最大，在极限值评价和结构抗震性能评价中占主导 地位：该风电塔的正常使用极限状态为第一极限状态. 关键词地震响应：动力响应：非线性分析：极限状态：风电塔 分类号TU33+3 Nonlinear seismic dynamic response and critical value evaluation based on limit states of wind turbine tower structures SONG Bo,ZENG Jie☒ School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:soukeci@aliyun.com ABSTRACT Based on an actual wind turbine tower on land with the hub height of 50.41 m,the seismic dynamic response of the structure under different seismic loads was studied by a finite element model and time history analysis method.Then the horizontal displacement and stress critical values of the structure were discussed under serviceable limit state,plastic limit state and residual displacement limit state,and the critical response peak values of ground motion were calculated.Based on the above work.the seismic behavior of the structure was evaluated.It is shown that plate boundary type ground motion has a greater influence on this kind of structure.It takes the main place on critical value evaluation and performance evaluation.The serviceable limit state of the tower is the first limit state. KEY WORDS seismic response;dynamic response;nonlinear analysis;limit states;wind turbine towers 风电塔是典型的变截面、变直径的高耸柔性薄 风电塔结构受力复杂，涉及结构力学、材料力 壁悬臂结构，顶部承重大且塔筒底部设有门洞，加学、流体力学等多学科知识.在高耸柔性支撑结构 上结构的不对称性和山地对地震动的放大效应，使 的地震动力响应方面，国内外学者均展开了一些研 得结构在地震作用下更容易发生破坏.因此，研究 究：贺广零等口运用随机地震动物理条件下生成 风电塔结构在地震荷载作用下的非线性动力响应规 的均值参数地震动加速度时程，建立了风力发电高 律、探讨结构抗震性能评价方法，对于预测结构破 塔系统“桨叶-塔体-基础”一体化有限元模型.周 坏位置、有针对性地进行检测与监测等方面具有重 勃等回在用有限元分析法研究风力发电机塔架的 要作用. 动力特性及影响因素时，确定了结构的有限元模型 收稿日期：2013-03-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178045)：广东省教育部产学研结合项目(2011B090400588):教育部海外名师项目 (MS2011B.JKJ005)第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 风电塔非线性地震动力响应规律与极限值评价 宋 波, 曾 洁 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: soukeci@aliyun.com 摘 要 基于一轮毂高度为 50.41 m 的实际陆上风电塔结构，运用 ANSYS 有限元分析软件以及时程分析法对结构进行 不同地震动作用下的非线性动力响应影响规律研究，并进一步探讨了结构在正常使用极限状态、塑性极限状态、残余位 移条件控制下的水平位移与应力极限值，计算了响应的地震动临界峰值，对结构的整体抗震性能进行了评价. 研究结果 表明：板块边界型地震动对风电塔这种高耸柔性结构的动力响应影响最大，在极限值评价和结构抗震性能评价中占主导 地位；该风电塔的正常使用极限状态为第一极限状态. 关键词 地震响应；动力响应；非线性分析；极限状态；风电塔 分类号 TU33+3 Nonlinear seismic dynamic response and critical value evaluation based on limit states of wind turbine tower structures SONG Bo, ZENG Jie School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: soukeci@aliyun.com ABSTRACT Based on an actual wind turbine tower on land with the hub height of 50.41 m, the seismic dynamic response of the structure under different seismic loads was studied by a finite element model and time history analysis method. Then the horizontal displacement and stress critical values of the structure were discussed under serviceable limit state, plastic limit state and residual displacement limit state, and the critical response peak values of ground motion were calculated. Based on the above work, the seismic behavior of the structure was evaluated. It is shown that plate boundary type ground motion has a greater influence on this kind of structure. It takes the main place on critical value evaluation and performance evaluation. The serviceable limit state of the tower is the first limit state. KEY WORDS seismic response; dynamic response; nonlinear analysis; limit states; wind turbine towers 风电塔是典型的变截面、变直径的高耸柔性薄 壁悬臂结构，顶部承重大且塔筒底部设有门洞，加 上结构的不对称性和山地对地震动的放大效应，使 得结构在地震作用下更容易发生破坏. 因此，研究 风电塔结构在地震荷载作用下的非线性动力响应规 律、探讨结构抗震性能评价方法，对于预测结构破 坏位置、有针对性地进行检测与监测等方面具有重 要作用. 风电塔结构受力复杂，涉及结构力学、材料力 学、流体力学等多学科知识. 在高耸柔性支撑结构 的地震动力响应方面，国内外学者均展开了一些研 究：贺广零等 [1] 运用随机地震动物理条件下生成 的均值参数地震动加速度时程，建立了风力发电高 塔系统 “桨叶 – 塔体 – 基础” 一体化有限元模型. 周 勃等 [2] 在用有限元分析法研究风力发电机塔架的 动力特性及影响因素时，确定了结构的有限元模型 收稿日期：2013-03-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51178045)； 广东省教育部产学研结合项目 (2011B090400588)； 教育部海外名师项目 (MS2011BJKJ005) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.018