考慮地基基礎與風機塔筒動力相互作用分析.pdf

1、風能是一種最具活力的可再生優(yōu)質能源,風能發(fā)電的載體就是風機結構,隨著愈來愈多的風力發(fā)電高塔系統(tǒng)在地震活躍地區(qū)興建,地震對風力發(fā)電機組塔筒設計的影響不可忽視。長期以來,由于計算手段的限制,在實際工程設計中通常把上部結構與地基基礎分隔開來各自獨立計算。另外,在地震動輸入時,把鄰近建筑物的自由場地地震記錄作為建筑物底部的輸入地震。風機塔筒結構屬于高柔結構,而且周期較長,若是建在軟土或者深厚土層上時,再沿用以上剛性地基假定和自由場地震動輸入就不

2、再合理,必須考慮土-結構相互作用對其影響。
　　本文重點介紹了采用粘彈性邊界模型時邊界設置及地震動輸入相關的概念、方法和基本公式。以某風電場中某型號3MW風機結構為研究對象,以通用有限元軟件ANSYS為平臺,分別建立剛性地基有限元模型和考慮地基基礎和上部結構體系相互作用的有限元模型,對其進行模態(tài)分析和不同地震動作用下的時程分析,探討是否考慮相互作用對結構體系的動力反應所造成的差異;同時,在地震動輸入方面,剛性地基模型和無質量地基模

3、型輸入自由場加速度記錄,而粘彈性邊界模型則輸入地面的位移和速度記錄。最后通過反應譜分析法研究了是否考慮頂部機艙和葉片的偏心作用對風機結構內力的影響。本文主要進行的工作以及相關結論有以下幾方面:
　　(1)對近年來在土-結構相互作用方面的研究背景和現狀、分析方法、已有的研究成果和存在的問題進行相對系統(tǒng)的總結,并將近年來各位學者對風機結構模型建立的研究以及動力分析方面的研究及其的到得結論進行了歸納,同時指出了對風機結構抗震性能研究的重

4、要性。
　　(2)本文指出了模擬無限地基的兩種方法:無質量地基和設置粘彈性人工邊界。并給出了粘彈性邊界上彈簧剛度和阻尼系數的確定方法以及群樁基礎復合體模型的相關參數的計算方法。并將一種考慮相互作用后的地震動輸入方法在本文加以介紹和應用。
　　(3)分別用 ANSYS有限元軟件建立了剛性地基有限元模型、無質量地基有限元模型和粘彈性邊界有限元模型。分別對三種有限元模型進行動力特性分析,得到以下結論:風機結構屬于長周期結構,考慮相

5、互作用后周期有所延長;考慮相互作用后與剛性地基情況下結構的振型發(fā)生明顯變化,即使是考慮相互作用情況下的兩種情況,振型也有明顯的差異,這對建造在類似土層上的高聳風機塔筒結構以后的動力反應分析研究有重要的參考價值。
　　(4)結合本工程地質概況選取兩條地震波,對所建立的三種模型進行彈性時程分析,對于剛性地基和無質量地基直接輸入地面自由場經過峰值調整后的加速度記錄,而對于粘彈性邊界模型則輸入地震波由基巖傳到地表面時的速度和位移,通過分析

6、三種模型在不同地震波作用下的地震響應發(fā)現:結構各項地震反應在最初出現短暫的不規(guī)律變化后,進行周期性的震動。
　　(5)將三種模型在不同地震波作用下的時程分析結果進行對比發(fā)現:考慮相互作用后結構頂點位移明顯大于剛性地基假設情況下的頂點位移,所以,從結構頂點位移的方面來看,相互作用影響不容忽視;三種模型最大位移和加速度放大系數的變化規(guī)律相同,最大位移隨著高度的增加在逐步增加,在頂點達到最大,而最大加速度放大系數并不在頂點;剛性地基情況

7、下的底部剪力和底部彎矩值不一定比考慮相互作用后的剪力值大,如若按照規(guī)范中在對其進行折減是不妥當的。
　　(6)對本文中的某型號3MW風機結構利用 ANSYS分別建立剛性地基假定下考慮與不考慮機頭質量偏心的兩種計算模型,用反應譜分析法對指定反應量進行研究,同時用課題組自編程序進行對比分析,得到是否考慮偏心作用對指定反應量的影響。并得到以下結論:從設計的角度看,基礎抗震設計底部彎矩可以直接采用不考慮偏心的結果,而對底部剪力和底部軸力則