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沖刷深度對海上風電塔地震動力響應的影響分析

宋波 趙偉娜 雙妙

宋波, 趙偉娜, 雙妙. 沖刷深度對海上風電塔地震動力響應的影響分析[J]. 工程科學學報, 2019, 41(10): 1351-1359. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.20.001
引用本文: 宋波, 趙偉娜, 雙妙. 沖刷深度對海上風電塔地震動力響應的影響分析[J]. 工程科學學報, 2019, 41(10): 1351-1359. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.20.001
SONG Bo, ZHAO Wei-na, SHUANG Miao. Analysis of the influence of scour depth on the dynamic response of offshore wind turbine towers under earthquake action[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(10): 1351-1359. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.20.001
Citation: SONG Bo, ZHAO Wei-na, SHUANG Miao. Analysis of the influence of scour depth on the dynamic response of offshore wind turbine towers under earthquake action[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(10): 1351-1359. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.20.001

沖刷深度對海上風電塔地震動力響應的影響分析

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.20.001
基金項目: 

國家重點研發計劃重點專項 2017YFF0205003

國家自然科學基金資助項目 51178045

教育部海外名師項目 MS2011BJKJ005

詳細信息
    通訊作者:

    趙偉娜, E-mail: zhaown1221@163.com

  • 中圖分類號: TU33+3

Analysis of the influence of scour depth on the dynamic response of offshore wind turbine towers under earthquake action

More Information
  • 摘要: 基于某海上風電塔進行現場監測、有限元模擬及室內振動臺試驗研究,考慮樁-土相互作用并對結構進行精細化數值模擬分析,研究了不同沖刷深度下結構自振周期的變化及不同沖刷深度對結構地震動作用下動力響應的影響規律.現場監測結果表明:6#風機結構受海水沖刷嚴重,與同時期建造的15#風機相比振動幅度明顯,說明沖刷深度對結構的影響不可忽略.數值模擬分析表明:沖刷深度主要影響結構高階振型,使結構自振周期變長,增幅最大達33%.由于沖刷致使土層對高柔性結構約束減弱,結構將產生大的振動進而導致風機停擺;在遭遇7度罕遇地震時,應立即停止發電工作.室內縮尺振動臺試驗與數值模擬所得結果的變化曲線較為均勻,趨勢上較吻合,充分驗證了數值模擬的準確性.

     

  • 圖  1  風電塔現場實況圖

    Figure  1.  Photograph of wind turbine towers

    圖  2  自由振動衰減動力特性傅氏頻率. (a) 6#風機;(b) 15#風機

    Figure  2.  Fourier frequency of free vibration attenuation dynamic characteristic: (a) wind turbine tower 6#; (b) wind turbine tower 15#

    圖  3  各土層不同深度P-y關系曲線. (a)粉砂層;(b)粉土層

    Figure  3.  P-y curves at different soil layer depths: (a) silty sand; (b) silty soil

    圖  4  不同沖刷深度的計算模型示意圖及細部模擬示意圖. (a)不同沖刷深度計算模型示意圖;(b)細部模擬示意圖

    Figure  4.  Calculating models and detailed simulation sketches for different scouring depths: (a) calculation models of different scouring depths; (b) detailed simulation sketches

    圖  5  鋼材應力-應變曲線雙線性模型

    Figure  5.  Bilinear model of stress-strain curve of steel

    圖  6  3種地震波加速度反應譜

    Figure  6.  Acceleration response spectra of three types of seismic waves

    圖  7  不同沖刷深度條件下風電塔結構模態頻率對比圖

    Figure  7.  Comparison of modal frequencies of wind turbine towers under different scour depth conditions

    圖  8  不同沖刷深度下結構動力響應峰值. (a)位移峰值;(b)加速度峰值;(c)應力峰值

    Figure  8.  Peak dynamic response of structures under different scouring conditions: (a) displacement peak value; (b) acceleration peak value; (c) stress peak value

    圖  9  不同沖刷深度支撐結構頂部節點時程曲線. (a)位移時程曲線;(b)加速度時程曲線

    Figure  9.  Time-history curves of the top node with different scour depth support structures: (a) displacement-time history curve; (b) acceleration-time history curve

    圖  10  振動臺試驗模型. (a)試驗振動臺;(b)傳感器布置(單位:mm);(c)振動試驗示意圖

    Figure  10.  Shaking table test model: (a) shaking table; (b) sensor arrangement(unit: mm); (c) schematic of the vibration test

    圖  11  試驗與模擬對比. (a) ILA049;(b) ILA004

    Figure  11.  Comparison of the experiment and simulation: (a) ILA049; (b) ILA004

    表  1  現場急剎車試驗自振頻率

    Table  1.   Natural vibration frequency of field braking test

    測試工況 6#風機 15#風機
    自振頻率/Hz 自振周期/s 自振頻率/Hz 自振周期/s
    第一次急剎車試驗 0.319 3.135 0.331 3.021
    第二次急剎車試驗 0.318 3.145 0.327 3.058
    下載: 導出CSV

    表  2  土層及地質參數表

    Table  2.   Soil layer and geological parameter

    編號 類型 深度/m 有效重度, γ/(kN·m-3) 極限側阻力標準值, qsik/kPa 地基抗力比例系數,m/(kN·m-4) 內摩擦角, ?/(°) 不排水剪切強度, Cu/kPa 1/2最大應力時的應變, εc 極限抗力側移值,yc/mm
    1 粉砂 4 9.8 15 1400 32 / / /
    2 粉土 3 10 30 1600 30.7 / / /
    3 粉砂 6 10 60 4000 32.6 / / /
    3-夾 層狀粉土 6 8.2 32 2000 28.5 / / /
    4 粉質黏土 3 9.5 52 4500 / 32 0.009 112.5
    6-3 粉細砂 12 10 84 6000 34.1 / / /
    下載: 導出CSV

    表  3  沖刷前后風電塔支撐結構振動模態比較

    Table  3.   Comparison of vibration modes of wind turbine tower supporting structures before and after scouring

    模態階數 無沖刷結構/Hz 沖刷5 m結構/Hz 降幅/% 沖刷10 m結構/Hz 降幅/%
    1 0.306 0.301 1.6 0.291 4.9
    2 0.311 0.305 1.9 0.295 5.1
    3 0.916 0.906 1.1 0.890 2.8
    4 1.225 1.205 1.6 1.172 4.3
    5 1.460 1.406 3.7 1.361 6.8
    6 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
    下載: 導出CSV

    表  4  不同沖刷深度結構在不同地震動作用下的動力響應結果

    Table  4.   Dynamic response of structures with different scouring degrees under different ground motions

    地震動名稱 峰值調整/(cm·s-2) 最大響應加速度/(m·s-2) 加速度放大率/% 最大響應位移/m 最大響應應力/MPa
    沖刷5 m 沖刷10 m 沖刷5 m 沖刷10 m 沖刷5 m 沖刷10 m 沖刷5 m 沖刷10 m
    Imperial
    Valley-06
    220 9.623 10.267 9.6 17.0 0.443 0.477 68.7 71.3
    400 17.610 18.788 10.3 17.7 0.811 0.873 125.8 130.5
    1000 44.170 47.125 11.8 19.3 2.512 2.723 312.2 327.4
    T1-Ⅲ-1 220 5.724 6.240 1.2 10.3 0.413 0.461 56.8 60.5
    400 10.400 11.286 2.1 10.8 0.749 0.838 103.1 109.9
    1000 26.043 28.262 6.1 15.1 2.199 2.430 260.9 275.3
    T2-Ⅲ-1 220 4.151 4.396 1.1 7.1 0.231 0.240 34.5 45.6
    400 9.473 10.050 1.7 7.9 0.418 0.434 67.3 82.6
    1000 21.199 22.617 3.2 10.1 1.228 1.274 169.4 206.7
    下載: 導出CSV
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    www.77susu.com
  • [1] Xue J T, Wang W, Yang M. Analysis of scour effect on bearing performance of offshore wind turbine pile foundation. Build Sci, 2012, 28(Suppl 1): 84 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZKX2012S1023.htm

    薛九天, 王偉, 楊敏. 海水沖刷效應對海上風機樁基承載性能的影響分析. 建筑科學, 2012, 28(增刊1): 84 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZKX2012S1023.htm
    [2] Hansen E A, Nielsen A W, Simonsen H J, et al. Scour protection around offshore wind turbine foundations, full-scale measurements//Scientific Proceedings of the European Wind Energy Conference. Milan: 2007
    [3] Yan G H, Gu H, Lu Z M, et al. The influence analysis of foundation scouring on dynamic characteristics of the tower supporting system of offshore wind farm. Eng Sci, 2011, 13(1): 69 doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2011.01.010

    嚴根華, 古華, 陸忠民, 等. 基礎沖刷對海上風電場塔架支撐系統動力特性的影響分析. 中國工程科學, 2011, 13(1): 69 doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2011.01.010
    [4] Zhang D D, Cheng Y, Shang H L, et al. Effect of scour on nature frequencies of offshore wing turbine structures. Spec Struct, 2017, 34(2): 8 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TZJG201702003.htm

    張冬冬, 程曄, 商紅磊, 等. 沖刷引起的土體變化對海上風電結構自振頻率的影響研究. 特種結構, 2017, 34(2): 8 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TZJG201702003.htm
    [5] Tian S G, Chen Q J. Analysis of dynamic characteristics of offshore wind power foundation with consideration of fluid-structure interaction. Chin Q Mech, 2014, 35(3): 473 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SHLX201403012.htm

    田樹剛, 陳清軍. 考慮流固耦合的近海風電支撐體系自振特性分析. 力學季刊, 2014, 35(3): 473 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SHLX201403012.htm
    [6] Li K W, Song B, Huang S. Dynamic response analysis of offshore wind tower founded on monopole considering FSI. J Build Struct, 2014, 35(4): 318 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB201404041.htm

    李凱文, 宋波, 黃帥. 考慮流固耦合效應的海上單樁式風電塔動力響應研究. 建筑結構學報, 2014, 35(4): 318 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB201404041.htm
    [7] Kim D H, Lee S G, Lee I K. Seismic fragility analysis of 5 MW offshore wind turbine. Renewable Energy, 2014, 65: 250 doi: 10.1016/j.renene.2013.09.023
    [8] Takehiko S, Takeshi I. Design formulae on concrete capacity of wind turbine pedestal based on the non-linear FEM analysis. J Struct Eng, 2014. 60: 134

    佐野健彥, 石原孟. 非線形FEM解析に基づく風車無筋ペデスタルの耐力評価式の提案. 構造工學論文集, 2014, 60: 134
    [9] He H N. The Evolutional Study on Bearing Performance of Bridge Pile Foundation Under Scour Condition [Dissertation]. Nanjing: Southeast University, 2015

    何泓男. 沖刷作用下橋梁樁基承載性能演化研究[學位論文]. 南京: 東南大學, 2015
    [10] Zhu W Q. Calculation method and safeguard measurement of wind turbine scoured on the sea. Electr Power Surv Des, 2016(Suppl 2): 35 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLKC2016S2010.htm

    朱偉強. 海上風機沖刷計算方法及防護措施. 電力勘測設計, 2016(增刊2): 35 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLKC2016S2010.htm
    [11] Hu D, Li F, Zhang K Y. Experment on the lateral load capacity of single piles under scour conditions. J Hydraul Eng, 2015, 46(Suppl 1): 263 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB2015S1049.htm

    胡丹, 李芬, 張開銀. 沖刷作用下單樁水平承載特性試驗研究及數值模擬. 水利學報, 2015, 46(增刊1): 263 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB2015S1049.htm
    [12] Yang S L, Ma H W. Study on the optimum geometry of offshore wind turbine monopiles unprotected against scour. J Ocean Technol, 2018, 37(1): 74 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HYJS201801013.htm

    楊少磊, 馬宏旺. 考慮沖刷情況下海上風電單樁基礎優化設計研究. 海洋技術學報, 2018, 37(1): 74 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HYJS201801013.htm
    [13] Wang Z F. The Influence of Foundation Scouring on the Seismic Performance of a Bridge Under the Background of Climate Change [Dissertation]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012

    王志豐. 考慮氣候變化背景下基礎沖刷對橋梁抗震性能的影響[學位論文]. 北京: 北京交通大學, 2012
    [14] Whitehouse R J, Harris J M, Sutherland J, et al. The nature of scour development and scour protection at offshore windfarm foundations. Mar Pollut Bull, 2011, 62(1): 73 doi: 10.1016/j.marpolbul.2010.09.007
    [15] Song B, Li J R, Wang H L, et al. Earthquake response analysis of in-service offshore wind towers considering effects of tide level and hydrodynamic pressure. J Archit Civil Eng, 2015, 32(2): 35 doi: 10.3969/j.issn.1673-2049.2015.02.004

    宋波, 李吉人, 王海龍, 等. 考慮潮位及動水壓力影響的在役海上風電塔地震響應分析. 建筑科學與工程學報, 2015, 32(2): 35 doi: 10.3969/j.issn.1673-2049.2015.02.004
    [16] Japan Road Association. Guide to Road Bridge V Seismic Design. Tokyo: Japan Maru Shan Publishing House, 1995

    日本道路協會. 道路橋示方書V耐震設計篇. 東京: 日本丸善出版社, 1995
    [17] Han X L, Xie C D, Ji J, et al. Ground motion selection for elasto-plastic time-history analysis of long-period structure. China Civil Eng J, 2016, 49(6): 46 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201606005.htm

    韓小雷, 謝燦東, 季靜, 等. 長周期結構彈塑性時程分析的地震波選取. 土木工程學報, 2016, 49(6): 46 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201606005.htm
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  • 收稿日期:  2019-01-20
  • 刊出日期:  2019-10-01

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