2024中國可再生能源大會：考慮樁-土-結效應超大型海上單樁式風力機地震響應研究

第十九屆中國可再生能源大會-風能分會暨風電高質量發(fā)展大會考慮樁-土-結效應超大型海上單樁式風力機地震響應研究研究背景隨著陸地風能資源逐漸飽和，逐步由近海向深遠海開發(fā)風資源，隨著陸地風能資源逐漸飽和，逐步由近海向深遠海開發(fā)風資源，風力機也趨于超大型化和更高能量轉換效率海上風電是我國可再生能源發(fā)展的重點領域，“十四五”期間其規(guī)模大幅提升。我國海上風能資源豐富、開發(fā)潛力巨大，對保障能源安全、推進綠色低碳發(fā)展、實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。風力發(fā)電是可再生能源領域中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。研究背景中國海域主要分布在歐亞板塊、太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊之間我國海域地震主要集中在南海北部、東海和渤海的濱海斷裂帶上，具有強度大，頻率高，震源深度淺的特點中國海域及鄰區(qū)每年發(fā)生的地震：我國海上風電場存在較高的潛在地震破壞風險研究背景可能導致頻率計算誤差簡單易用，適用于樁長較大的情況等效樁長法獨立彈簧法將樁-土相互作用用一組獨立的彈簧模擬，每個彈簧只受樁的橫向位移影響易于實現(xiàn)，適用于土層均勻的情況無法考慮復雜土壤和結構行為，不適用耦合彈簧法將樁-土相互作用用一組耦合的彈簧模擬，每個彈簧受樁的橫向位移和轉角影響適用于土層不均勻的情況對于復雜土層和非線性行為的模擬有一將樁-土相互作用用一組分布在樁周圍的彈簧模擬，每個彈簧的剛度與土體的模量成正比考慮了土體的分層特性，適用于樁徑較小的情況忽略了土體的連續(xù)性和樁-土相互作用將樁-土相互作用用一組曲線模擬，每條曲線表示樁的橫向位移與土體的橫向抗力之間的關系依賴于試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗參數(shù)，不適用于每個樁單元包含樁的彎曲、剪切和軸向行為，以及樁-土相互作用的非線性和非彈性特性適用于各種情況需要確定樁單元的材料和幾何參數(shù)，需要大量計算資源和詳細的輸入數(shù)據(jù)風機模型-上部結構額定功率/MW切入風速額定功率/MW切入風速/m·s-13額定風速/m·s-1切除風速/m·s-1風輪直徑/m塔架高度/m塔筒直徑/m塔筒壁厚/mm23.998-47.517過渡層高度/m樁長/m樁徑/m樁壁厚/mm47.517-55.341輪轂質量/kg機艙質量/kg塔架質量/kg單樁質量/kg風機模型-下部基礎pu=min{pus,pud}puspuqp=NqP0·pp0z/D立地震作用下樁-土-結相互作用的結構模zyx q-z曲變埋深：p-y曲變埋深： (c)p-y曲線廠廠0風機模型-下部基礎結構模型參數(shù)來自InternationalE本模型：α=0.0328，β=0.0力機的有限元模型。動力特性），），），），動力特性SSI模型：固支模型：塔筒底泥面SSI模型：固支模型：塔筒底泥面1stFA2ndFArdFA1stFA2ndFArdFA發(fā)現(xiàn)考慮PSSI效應使結構的自振頻率顯著降低輸入地震動?KOCAELI-ARE地震波以低頻為主，數(shù)值模擬工況p-y彈簧FA方向施加EI-CENTRO波p-y彈簧FA方向施加KOCAELI-ARE波?兩種地震激勵的頻譜特征存在差異。3210-1-2-3El-CENTRO波0320-1-2-3 KOCAELI-ARE波0塔筒加速度響應分析模型名稱地震名稱高度模型名稱地震名稱高度加速度峰值固支模型KOCAELI-ARE波El-CENTRO波PSSI模型KOCAELI-ARE波El-CENTRO波考慮PSSI效應使結構塔筒峰值加速度顯著提高第一個峰值出現(xiàn)在塔筒1/3處第二個峰值出現(xiàn)在塔筒2/3處KOCAELI-ARE波增幅44%0 PSSI模型---固支模型KOCAELI-ARE波KOCAELI-ARE波El-CENTRO波El-CENTRO波塔筒底泥面塔筒沿高度方向加速度峰值包絡圖00.844KOCAELI-ARE波塔筒底加速度響應幅值0.500.450.400.350.300.250.200.150.100.05000.7720.772KOCAELI-ARE波PSSI模型0 塔筒底El-CENTRO波 加速度響應幅值0.0500PSSI模型考慮PSSI效應會導致更多模態(tài)加入響應控制各種工況沿塔筒高度加速度反應幅值圖塔筒位移響應分析考慮樁基位移，更接近實際情況樁基的考慮樁基位移，更接近實際情況樁基的反彎點分別為0.6L、0.65L處KOCAELI-ARE地震波增大樁身位移，但未增大塔頂位移EI-CENTRO地震波增大樁身位移，卻減小塔頂位移 PSSI模型---固支模型0?50?100KOCAELIKOCAELI-ARE波El-CENTRO波El-CENTRO波塔筒底最大位移(m)最大位移塔筒沿高度方向位移峰值包絡圖塔筒內(nèi)力分析KOCAELI-ARE波0-50-100 PSSI模型固支模型El-CENTRO波塔筒底泥面KOCAELI-ARE波0-50-100 PSSI模型固支模型El-CENTRO波塔筒底泥面最大剪力(MN)最大剪力(MN)塔筒沿高度方向彎矩峰值包絡圖0-50-100 PSSI模型固支模型KOCAELI-ARE波KOCAELI-ARE波El-CENTRO波塔筒底El-CENTRO波塔筒底泥面最大彎矩(MN·m)最大彎矩(MN·m)塔筒沿高度方向水平剪力峰值包絡圖超大型風力機的塔筒內(nèi)力受到PSSI效應和輸入地震類型影響研究結論12341234考慮PSSI效應使結構的自振頻率顯著降低，三階FA的自振頻率降低了22%。PSSI效應會增加一階模態(tài)的塔身位移，并使二階彎曲振動模態(tài)的最大位移所在高度下移，且減小了塔頂?shù)奈灰?。PSSI效應會改變沿支撐結構加速度的變化趨勢，且相比固支模型顯著增大結構峰值加速度，在Kocaeli-Are和El-Centro作用下幅度分別為44%、103%。加速度響應顯著受外部激