2024中国可再生能源大会：考虑桩-土-结效应超大型海上单桩式风力机地震响应研究

第十九届中国可再生能源大会-风能分会暨风电高质量发展大会考虑桩-土-结效应超大型海上单桩式风力机地震响应研究研究背景随着陆地风能资源逐渐饱和，逐步由近海向深远海开发风资源，随着陆地风能资源逐渐饱和，逐步由近海向深远海开发风资源，风力机也趋于超大型化和更高能量转换效率海上风电是我国可再生能源发展的重点领域，“十四五”期间其规模大幅提升。我国海上风能资源丰富、开发潜力巨大，对保障能源安全、推进绿色低碳发展、实现“双碳”目标具有重要意义。风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。研究背景中国海域主要分布在欧亚板块、太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块之间我国海域地震主要集中在南海北部、东海和渤海的滨海断裂带上，具有强度大，频率高，震源深度浅的特点中国海域及邻区每年发生的地震：我国海上风电场存在较高的潜在地震破坏风险研究背景可能导致频率计算误差简单易用，适用于桩长较大的情况等效桩长法独立弹簧法将桩-土相互作用用一组独立的弹簧模拟，每个弹簧只受桩的横向位移影响易于实现，适用于土层均匀的情况无法考虑复杂土壤和结构行为，不适用耦合弹簧法将桩-土相互作用用一组耦合的弹簧模拟，每个弹簧受桩的横向位移和转角影响适用于土层不均匀的情况对于复杂土层和非线性行为的模拟有一将桩-土相互作用用一组分布在桩周围的弹簧模拟，每个弹簧的刚度与土体的模量成正比考虑了土体的分层特性，适用于桩径较小的情况忽略了土体的连续性和桩-土相互作用将桩-土相互作用用一组曲线模拟，每条曲线表示桩的横向位移与土体的横向抗力之间的关系依赖于试验数据和经验参数，不适用于每个桩单元包含桩的弯曲、剪切和轴向行为，以及桩-土相互作用的非线性和非弹性特性适用于各种情况需要确定桩单元的材料和几何参数，需要大量计算资源和详细的输入数据风机模型-上部结构额定功率/MW切入风速额定功率/MW切入风速/m·s-13额定风速/m·s-1切除风速/m·s-1风轮直径/m塔架高度/m塔筒直径/m塔筒壁厚/mm23.998-47.517过渡层高度/m桩长/m桩径/m桩壁厚/mm47.517-55.341轮毂质量/kg机舱质量/kg塔架质量/kg单桩质量/kg风机模型-下部基础pu=min{pus,pud}puspuqp=NqP0·pp0z/D立地震作用下桩-土-结相互作用的结构模zyx q-z曲变埋深：p-y曲变埋深： (c)p-y曲线厂厂0风机模型-下部基础结构模型参数来自InternationalE本模型：α=0.0328，β=0.0力机的有限元模型。动力特性），），），），动力特性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发现考虑PSSI效应使结构的自振频率显著降低输入地震动•KOCAELI-ARE地震波以低频为主，数值模拟工况p-y弹簧FA方向施加EI-CENTRO波p-y弹簧FA方向施加KOCAELI-ARE波•两种地震激励的频谱特征存在差异。3210-1-2-3El-CENTRO波0320-1-2-3 KOCAELI-ARE波0塔筒加速度响应分析模型名称地震名称高度模型名称地震名称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波考虑PSSI效应使结构塔筒峰值加速度显著提高第一个峰值出现在塔筒1/3处第二个峰值出现在塔筒2/3处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络图00.844KOCAELI-ARE波塔筒底加速度响应幅值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 加速度响应幅值0.0500PSSI模型考虑PSSI效应会导致更多模态加入响应控制各种工况沿塔筒高度加速度反应幅值图塔筒位移响应分析考虑桩基位移，更接近实际情况桩基的考虑桩基位移，更接近实际情况桩基的反弯点分别为0.6L、0.65L处KOCAELI-ARE地震波增大桩身位移，但未增大塔顶位移EI-CENTRO地震波增大桩身位移，却减小塔顶位移 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络图塔筒内力分析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)塔筒沿高度方向弯矩峰值包络图0-50-100 PSSI模型固支模型KOCAELI-ARE波KOCAELI-ARE波El-CENTRO波塔筒底El-CENTRO波塔筒底泥面最大弯矩(MN·m)最大弯矩(MN·m)塔筒沿高度方向水平剪力峰值包络图超大型风力机的塔筒内力受到PSSI效应和输入地震类型影响研究结论12341234考虑PSSI效应使结构的自振频率显著降低，三阶FA的自振频率降低了22%。PSSI效应会增加一阶模态的塔身位移，并使二阶弯曲振动模态的最大位移所在高度下移，且减小了塔顶的位移。PSSI效应会改变沿支撑结构加速度的变化趋势，且相比固支模型显著增大结构峰值加速度，在Kocaeli-Are和El-Centro作用下幅度分别为44%、103%。加速度响应显著受外部激