宋波等：冲刷深度对海上风电塔地震动力响应的影响分析 .1355. 0 用下风电塔固有周期呈现不同程度的增大，冲刷深 标准反应谱 度越大，结构自振周期增幅越大，相应的模态与频率 Imperial Valley-06 ..-T1--1 的关系见图7.由上述规律可推知，数值模拟冲刷 --T2-1-1 4.2m结构自振频率在0.306~0.301Hz范围内，与 表1中6#风机急刹车试验数据对比，偏差比例在 5%左右，属于容许误差范围，可验证数值模拟的正 确性. 低阶振型主要反映上部塔筒结构的弯曲变形 0 4 10 图7表明，基础冲刷5m后，结构第一阶振型固有周 时间s 期变为3.322s,冲刷10m后，固有周期变为3.436 图63种地震波加速度反应谱 s,与无冲刷结构周期3.268s相比周期变长，可见随 Fig.6 Acceleration response spectra of three types of seismic waves 冲刷深度增加，频率值降幅并不大，说明下部基础的 表3冲刷前后风电塔支撑结构振动模态比较 Table 3 Comparison of vibration modes of wind turbine tower supporting structures before and after scouring 模态阶数 无冲刷结构/Hz 冲刷5m结构/Hz 降/% 冲刷10m结构/Hz 降幅/% 0.306 0.301 1.6 0.291 4.9 0.311 0.305 1.9 0.295 5.1 0.916 0.906 1.1 0.890 2.8 1.225 1.205 1.6 1.172 4.3 1.460 1.406 3.7 1.361 6.8 3.095 2.942 4.9 2.715 12.3 7 3.223 2.985 7.4 2.774 13.9 8 7.017 5.819 17.1 5.683 19.0 9 7.061 6.560 7.1 6.002 15.0 10 8.186 6.597 19.4 6.124 25.2 构顶部位移也随之增大甚至超过位移限值，结构将 产生大的振动进而导致风机停摆 3.3不同冲刷深度下风电塔结构动力响应分析 为进一步研究基础局部冲刷对结构动力响应的 影响，以上述模型为基础，调整地震动峰值加速度分 别为220、400和1000cm·s2,从+X向输入地震 。一无冲制 动，研究无冲刷结构、基础冲刷5m和基础冲刷10m ◆一冲刷5m ▲一冲刷10m 程度下不同峰值地震动对风电塔结构动力响应的影 响规律.风电塔结构在不同地震动作用下的动力响 6 8 10 模态阶数 应如下表4. 图7不同冲刷深度条件下风电塔结构模态频率对比图 从表4位移峰值对比发现，Imperial Valley-O6 Fig.7 Comparison of modal frequencies of wind turbine towers under 地震动对结构产生的影响最大，相同冲刷深度下，结 different scour depth conditions 构的地震动力响应随峰值加速度增大而更加明显， 冲刷深度对低阶振型频率的影响有限.而对于结构 加速度峰值400cm·s-2作用下的响应值约为220cm· 的高阶振型，其自振周期会由于冲刷深度的增大，而 s2作用下的1.8倍.当峰值加速度相同时，局部冲 大幅度下降.由此可得，冲刷深度对结构的高阶振 刷深度由5m增加到10m,其响应值增大比例为 型影响较明显 10%左右.风电塔结构最大响应加速度出现在塔筒 由于冲刷致使土层对高柔性结构约束减弱，裸 高度约60m处，可见对于复杂结构，其加速度变化 露于地基外的塔筒增长，自振周期较原来将增大，结 趋势不遵循单自由度体系的简单变化.下面以远场宋 波等: 冲刷深度对海上风电塔地震动力响应的影响分析 图 6 3 种地震波加速度反应谱 Fig. 6 Acceleration response spectra of three types of seismic waves 用下风电塔固有周期呈现不同程度的增大,冲刷深 度越大,结构自振周期增幅越大,相应的模态与频率 的关系见图 7. 由上述规律可推知,数值模拟冲刷 4郾 2 m 结构自振频率在 0郾 306 ~ 0郾 301 Hz 范围内,与 表 1 中 6#风机急刹车试验数据对比,偏差比例在 5% 左右,属于容许误差范围,可验证数值模拟的正 确性. 低阶振型主要反映上部塔筒结构的弯曲变形, 图 7 表明,基础冲刷 5 m 后,结构第一阶振型固有周 期变为 3郾 322 s,冲刷 10 m 后,固有周期变为 3郾 436 s,与无冲刷结构周期 3郾 268 s 相比周期变长,可见随 冲刷深度增加,频率值降幅并不大,说明下部基础的 表 3 冲刷前后风电塔支撑结构振动模态比较 Table 3 Comparison of vibration modes of wind turbine tower supporting structures before and after scouring 模态阶数 无冲刷结构/ Hz 冲刷 5 m 结构/ Hz 降幅/ % 冲刷 10 m 结构/ Hz 降幅/ % 1 0郾 306 0郾 301 1郾 6 0郾 291 4郾 9 2 0郾 311 0郾 305 1郾 9 0郾 295 5郾 1 3 0郾 916 0郾 906 1郾 1 0郾 890 2郾 8 4 1郾 225 1郾 205 1郾 6 1郾 172 4郾 3 5 1郾 460 1郾 406 3郾 7 1郾 361 6郾 8 6 3郾 095 2郾 942 4郾 9 2郾 715 12郾 3 7 3郾 223 2郾 985 7郾 4 2郾 774 13郾 9 8 7郾 017 5郾 819 17郾 1 5郾 683 19郾 0 9 7郾 061 6郾 560 7郾 1 6郾 002 15郾 0 10 8郾 186 6郾 597 19郾 4 6郾 124 25郾 2 图 7 不同冲刷深度条件下风电塔结构模态频率对比图 Fig. 7 Comparison of modal frequencies of wind turbine towers under different scour depth conditions 冲刷深度对低阶振型频率的影响有限. 而对于结构 的高阶振型,其自振周期会由于冲刷深度的增大,而 大幅度下降. 由此可得,冲刷深度对结构的高阶振 型影响较明显. 由于冲刷致使土层对高柔性结构约束减弱,裸 露于地基外的塔筒增长,自振周期较原来将增大,结 构顶部位移也随之增大甚至超过位移限值,结构将 产生大的振动进而导致风机停摆. 3郾 3 不同冲刷深度下风电塔结构动力响应分析 为进一步研究基础局部冲刷对结构动力响应的 影响,以上述模型为基础,调整地震动峰值加速度分 别为 220、400 和 1000 cm·s - 2 ,从 + X 向输入地震 动,研究无冲刷结构、基础冲刷 5 m 和基础冲刷 10 m 程度下不同峰值地震动对风电塔结构动力响应的影 响规律. 风电塔结构在不同地震动作用下的动力响 应如下表 4. 从表 4 位移峰值对比发现,Imperial Valley鄄鄄 06 地震动对结构产生的影响最大,相同冲刷深度下,结 构的地震动力响应随峰值加速度增大而更加明显, 加速度峰值 400 cm·s - 2作用下的响应值约为 220 cm· s - 2作用下的 1郾 8 倍. 当峰值加速度相同时,局部冲 刷深度由 5 m 增加到 10 m,其响应值增大比例为 10% 左右. 风电塔结构最大响应加速度出现在塔筒 高度约 60 m 处,可见对于复杂结构,其加速度变化 趋势不遵循单自由度体系的简单变化. 下面以远场 ·1355·