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 ·1439· a 一阶X向 一阶Y向 二阶X向 二阶向 三阶X向 三阶Y向 (b) 一阶X向 一阶Y向 二阶X向 二阶Y向 三阶X向 三阶Y向 图2风电塔塔筒前三阶模态.(a)不考虑SSl效应：(b)考虑SSI效应 Fig.2 First three vibration modes of the wind turbine system:(a)without SSI effects;(b)with SSI effects 自振频率降低幅度越大，特别是第三阶X向自振频 的初始阶段结果会有因为湍流风突然施加产生失真效 率，误差达到13%以上.因此，在进行风电塔设计时， 应]，因此本文剔除前20s数据，提取出来的塔顶风荷 应特别重视SSI效应的影响，尤其是在软土地区. 载时程如图3所示. 250r 3风机运转工况地震响应分析 200 3.1风机运转模拟 150 运转工况下，考虑风荷载作用可能会引起结构响 应增大，且风轮转动产生的气动效应，使得风电塔受力 60 80100120140160 情况更加复杂.实际确实可能存在由于顶部传感器失 时间s 效或者来不及紧急停机造成风电塔在地震作用下仍处 图3塔顶风荷载时程曲线 于运转状态的情况.IEC)和ASCE/AWEA[⑧]规范，均 Fig.3 Time histories of wind load at the top of the tower 把运转状态下的极端工况作为设计依据之一，因此有 3.2地震反演分析 必要在风机运转状态下对风电塔进行分析. 考虑SS效应的地震响应分析，需利用土层地震 有研究指出，运转工况下塔身风荷载相对于塔 反应分析将地表记录的地震波反演到模型土体底部位 顶风荷载很小，因此本研究中仅考虑塔顶风荷载作用. 置进行输入.本文选择EERA程序[]进行地震波反演 采用美国可再生能源实验室(NERL)开发的FAST程 分析.根据场地土的动力特性四，等效剪切模量和等 序[20]计算风机运转工况下塔顶风轮和桨叶旋转造成 效阻尼比模型采用Seed-Sun黏性土模型和Seed-Id- 的气动效应.在FAST程序中建立该风电塔模型.该 riss砂性土模型，基岩采用线性模型.Seed-Sun模型 风电塔等级为二级A类，根据EC61400-1规范[)，湍 和Seed-Idriss模型具体数字形式如表3所示，反演所 流强度为0.16，湍流模型为正常湍流模型，功率谱选 需的剪切波速由勘察报告提供.选取1940美国加州 用EC Kaimal谱，风剖面类型采用指数型剖面，幂指数 Imperial Valley地震中在El Centro地区记录到的地面 为0.2.轮毂平均风速取15ms,根据以上参数使用 运动的南北分量作为地表地震动进行输入.考虑该风 FAST程序中Turbsim模块生成风轮范围内考虑湍流 电场所在地区抗震设防烈度为6度，根据规范2)，罕 的全场风，模拟时长为120s,时间间隔为0.02s.进行 遇地震下的地震加速度时程的最大值为0.125mm· FAST运转工况计算，提取输出文件中的轮毂推力，即 s2,将El Cento波加速度峰值调至该值.采用EERA 可得到运转工况下的塔顶风荷载效应.由于数值模拟 程序进行土层地震反演，参考陈清军等[2的研究成果戴靠山等: 考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析 图 2 风电塔塔筒前三阶模态. (a)不考虑 SSI 效应; (b)考虑 SSI 效应 Fig. 2 First three vibration modes of the wind turbine system: (a) without SSI effects; (b) with SSI effects 自振频率降低幅度越大,特别是第三阶 X 向自振频 率,误差达到 13% 以上. 因此,在进行风电塔设计时, 应特别重视 SSI 效应的影响,尤其是在软土地区. 3 风机运转工况地震响应分析 3郾 1 风机运转模拟 运转工况下,考虑风荷载作用可能会引起结构响 应增大,且风轮转动产生的气动效应,使得风电塔受力 情况更加复杂. 实际确实可能存在由于顶部传感器失 效或者来不及紧急停机造成风电塔在地震作用下仍处 于运转状态的情况. IEC [7] 和 ASCE/ AWEA [8] 规范,均 把运转状态下的极端工况作为设计依据之一,因此有 必要在风机运转状态下对风电塔进行分析. 有研究指出[19] ,运转工况下塔身风荷载相对于塔 顶风荷载很小,因此本研究中仅考虑塔顶风荷载作用. 采用美国可再生能源实验室(NERL) 开发的 FAST 程 序[20]计算风机运转工况下塔顶风轮和桨叶旋转造成 的气动效应. 在 FAST 程序中建立该风电塔模型. 该 风电塔等级为二级 A 类,根据 IEC 61400鄄鄄1 规范[7] ,湍 流强度为 0郾 16,湍流模型为正常湍流模型,功率谱选 用 IEC Kaimal 谱,风剖面类型采用指数型剖面,幂指数 为 0郾 2. 轮毂平均风速取 15 m·s - 1 ,根据以上参数使用 FAST 程序中 Turbsim 模块生成风轮范围内考虑湍流 的全场风,模拟时长为 120 s,时间间隔为 0郾 02 s. 进行 FAST 运转工况计算,提取输出文件中的轮毂推力,即 可得到运转工况下的塔顶风荷载效应. 由于数值模拟 的初始阶段结果会有因为湍流风突然施加产生失真效 应[7] ,因此本文剔除前 20 s 数据,提取出来的塔顶风荷 载时程如图 3 所示. 图 3 塔顶风荷载时程曲线 Fig. 3 Time histories of wind load at the top of the tower 3郾 2 地震反演分析 考虑 SSI 效应的地震响应分析,需利用土层地震 反应分析将地表记录的地震波反演到模型土体底部位 置进行输入. 本文选择 EERA 程序[21]进行地震波反演 分析. 根据场地土的动力特性[22] ,等效剪切模量和等 效阻尼比模型采用 Seed鄄鄄 Sun 黏性土模型和 Seed鄄鄄 Id鄄 riss 砂性土模型,基岩采用线性模型. Seed鄄鄄 Sun 模型 和 Seed鄄鄄Idriss 模型具体数字形式如表 3 所示,反演所 需的剪切波速由勘察报告提供. 选取 1940 美国加州 Imperial Valley 地震中在 El Centro 地区记录到的地面 运动的南北分量作为地表地震动进行输入. 考虑该风 电场所在地区抗震设防烈度为 6 度,根据规范[23] ,罕 遇地震下的地震加速度时程的最大值为 0郾 125 mm· s - 2 ,将 El Cento 波加速度峰值调至该值. 采用 EERA 程序进行土层地震反演,参考陈清军等[24]的研究成果 ·1439·