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粘弹边界-地基-复合基础-塔筒(近海风力发电结构)地震响应与破坏模式研究
作者: 柳国环,练继建,于通顺
 

 

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透射边界-地基-复合筒形基础-近海风力发电结构体系地震响应与破坏模式研究

第35卷第9期《 岩土力学》Vol.35 No.9 
2014 年9月


摘要:近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力反应。首先,建立“透射人工边界-地基-基础-塔筒结构”和“固定边界-地基-基础-塔筒结构”的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量(加速度、速度和位移)的原因所在;最后,对文中给出的三种作用模式:(1)固定边界地震动输入、(2)只考虑外源输入波作用、(3)同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,(1)澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,较好的符合实际情况;(2)在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;(3)从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;(4)指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。

关键词:近海风力发电结构;透射边界;散射力;倒塌破坏模式

中图分类号:P315.9;U442   文献标识码:A     文章编号:

Abstract: Offshore wind structure is the system of superstructure-foundation-infinite domain soil. Dynamic response of structure system is directly affected by transmitting boundary of the model and seismic motion input mode. Finite element models of tower tubes-foundation-soil-transmitting boundary and tower tubes-foundation-soil-fixed boundary are established in this paper. Then, the reason why force instead of acceleration, velocity and displacement is used for seismic input in the model while transmitting boundary is briefly clarified. At last, the following modes are analyzed, i.e. (a) seismic input of fixed boundary; (b) external source wave motion is considered only; (c) external source wave motion and scattering force caused by endogenous oscillation are both considered. Analysis results show that :(1) the reason why force is used for seismic motion input in the model with transmitting boundary is clarified, and the method of seismic motion input is in accord with the actual situation; (2) a convenient method of the generation of stiffness force and damping force is proposed for the foundation of circular cross section, and it can greatly reduce the workload; (3) the reason that dynamic response of offshore wind structure is smaller using transmitting boundary than using fixed boundary is explained from the point of view of the vibration characteristics of model and the damping; (4) the indispensability of endogenous oscillation in seismic response and modes of failure of structure using transmitting boundary is pointed out.
Key words: Offshore wind power structure; transmitting boundary; scattering force; modes of failure



图  天津波激励下固定边界风机结构的振动过程

引言
 
 近海风力发电结构在我国沿海地区已大规模建设,这些近海风电场有相当大的一部分是建立在环太平洋地震带上。地震作用下近海风力发电结构的响应及安全受到越来越多的重视,近海风机结构地震动响应有限元分析已引起越来越多的关注[1-2]。结构地震响应计算问题中,地震波动输入处理合理与否将直接影响到计算结果的精度和可信度。已有文献中,固定边界模型地震激励在有限元计算中的施加方法和原因已得到广泛认可[3-4],透射边界模型地震激励的施加,现有文献[5-6]进行了详细介绍,但还存在一些问题需要澄清,尤其是透射边界模型中地震激励以外力而不采用地震动物理量(加速度、速度和位移)施加的原因尚含糊不清;相对于固定边界,透射边界对结构响应的影响程度如何等。这些问题的存在影响着透射边界模型中结构响应计算的可信度,也限制了透射边界在地震动结构响应计算中的广泛应用。因此,澄清透射边界模型关于地震荷载的施加中的一些问题很有必要。
基于以上分析,本文针对复合筒形基础风力发电体系,开展地震作用下响应及破坏模式的有限元研究。首先,分别建立了固定边界和粘弹性人工边界的风力发电塔筒-基础-地基体系模型,并分析了两种结构体系的振动特点。然后,具体说明了透射边界中,地震等效荷载的生成方法和地震荷载的实现过程。最后,比较了地震作用下固定边界模型与透射边界模型中风机结构的响应,并对比了考虑内源振动反射与否对地震反应与倒塌模式的影响。本文只以天津波为例进行透射边界地震动输入及地震响应对透射边界敏感性的讨论。
 
   
    图  不同边界的风机结构有限元模型   


      
                                                                     图  地震等效荷载的生成   
                                                                        

结语
 
 本文对近海风电结构体系透射边界模型地震激励的实现过程与考虑内源振动反射与否对地震响应及倒塌模式的影响进行了研究,简要总结如下:
(1)澄清了透射边界地震动以力的形式加载的原因,具体给出了在通用有限元软件中的实现方法。
(2)提出了圆形横截面地基中地震等效荷载生成的简化方法。
(3)解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因,包括:(1)与采用固定边界相比,采用透射边界时结构体系更柔,结构的自振频率更偏离地震波的卓越频率,更难以引起共振;(2)由于设置了阻尼,能量消耗较多,结构响应减小。
(4)分析并明确了地震作用下透射边界地基模型计算中内源振动反射的不容忽视性:构成地震等效荷载的刚度力、阻尼力、散射力中,散射力对地震作用下风电结构体系的响应起主要作用。

参考文献(References):

[1]   戚蓝, 刘国威, 等. 近海风电筒型基础风机结构地震动力响应分析[J]. 水利水电技术, 2012, 7: 116-119.
      Qi Lan, Liu Guo-wei, etc. Analysis on seismic dynamic response of structure for offore wind turbine with bucket foundation[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,  
        2012, 7:116-119.
[2]       杨锋. 近海桩式风机基础-塔架动载特性与响应及桩基优化研究[D]. 北京:中国水利水电科学研究院, 2013.
Yang Feng. Base-tower dynamic response analysis for offshore wind turbine pile foundation and structural optimization research[D]. Beijing: China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2013.
[3]       王爱国,石玉成,马巍. 地震地表变形三维有限元数值分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(24): 4124-4130.
Wang Ai-guo, Shi Yu-cheng, Ma Wei. A numerical analysis of seismic deformation in Mogao Geottoes with 3D FEM[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(24): 4124-4130.
[4]       邱流潮, 刘桦. 混凝土坝–基岩地震动力相互作用时域有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(20): 3713-3718.
Qiu Liu-chao, Liu Hua. Finite element analysis of seismic concrete dam-foundation rock interaction in time domain[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(20): 3713-3718.
[5]       刘晶波, 杜义欣, 等. 粘弹性人工边界及地震动输入在通用有限元软件中的实现[J]. 防灾减灾工程学报, 2007, 27(增刊): 37-42.
Liu Jing-bo, Du Yi-xin, et al. Implementation of viscous
-spring artificial boundary and seismic input in finite element software[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering. 2007, 27(s): 37-42.
[6]       苑举卫, 杜成斌, 陈灯红. 基于 ABAQUS 的三维粘弹性边界单元及地震动输入方法研究[J]. 三峡大学学报: 自然科学版, 2010, 32(3): 9-13.
Yu ju-wei, Du Cheng-bin, Chen Deng-hong. Study of 3D viscoelastic boundary elements based on ABAQUS and earthquake input method[J]. Journal of China Three Gorges University (Natural Sciences), 2010,32(3): 9-13.
[7]       Lian Ji-jian, Ding Hong-yan, Zhang Pu-yang,et al. Design of large scale prestressing bucket foundation for offshore wind turbine. Transactions of Tianjin University, 2012,18(2):79-84.
[8]       张劲, 王庆扬, 等. ABAQUS 混凝土损伤塑性模型参数验证[J]. 建筑结构, 2009, 38(8): 127-130.
Zhang Jin, Wang Qing-yang, et al. Parameters verification of concrete damaged plastic model of ABAQUS[J]. Building Structure, 2010,32(3): 9-13.
[9]       Bazeos N, Hatzigeorgiou G D, Hondros I D. Static, seismic and stability analyses of a prototype wind turbine steel tower. Engineering Structure.2002(24):1015-1025.
[10]    杜杰, 丁红岩, 等.筒型基础有限元分析的土体边界选取研究[J],海洋技术,2005,24(2):110~112.
Du Jie, Ding Hong-yan, et al. Research on boundary selection of soil of bucket foundation with finite element analysis[J],Ocean Technology, 2005, 24(2):110~112.
[11]    刘晶波, 王振宇, 杜修力, 等. 波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J]. 工程力学, 2005, 22(6): 46-51.
Liu Jing-bo, Wang Zhen-yu, Du Xiu-li, et al. Three-dimensional visco-elastic artificial boundaries in time domain for wave motion problems[J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(6): 46-51.
[12]    谷音, 刘晶波, 杜义欣. 三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元[J]. 工程力学, 2007,24 (12) 31-37.
Gu Yin, Liu Jing-bo, Du Yi-xin.  3D consistent viscous
-spring artificial boundary and viscous-spring boundary element[J]. Engineering Mechanics, 2007,24 (12) 31-37.
[13]    范庆来, 栾茂田, 杨庆. 软基上沉入式大圆筒结构的水平承载力分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(2): 191-195.
FAN Qing-lai, LUAN Mao-tian, YANG Qing. Numerical analysis of lateral load bearing capacity of large cylindrical structures on soft foundations[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(2): 191-195.
[14]    柳国环, 李宏男, 林海. 结构地震响应计算模型的比较与分析[J]. 工程力学, 2009 (2): 10-15.
Liu Guo-huan, Li Hong-nan, Lin Hai. Comparison and evaluation of models for structural seismic responses analysis[J]. Engineering Mechanic

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天津大学 建筑工程学院 ; 天津大学 前沿技术研究院; 国家重点实验室-水利工程仿真与安全