考慮地基基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)塔筒動(dòng)力相互作用分析.pdf

1、風(fēng)能是一種最具活力的可再生優(yōu)質(zhì)能源,風(fēng)能發(fā)電的載體就是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),隨著愈來愈多的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)在地震活躍地區(qū)興建,地震對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒設(shè)計(jì)的影響不可忽視。長期以來,由于計(jì)算手段的限制,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中通常把上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)分隔開來各自獨(dú)立計(jì)算。另外,在地震動(dòng)輸入時(shí),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(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)屬于高柔結(jié)構(gòu),而且周期較長,若是建在軟土或者深厚土層上時(shí),再沿用以上剛性地基假定和自由場地震動(dòng)輸入就不

2、再合理,必須考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用對其影響。
　　本文重點(diǎn)介紹了采用粘彈性邊界模型時(shí)邊界設(shè)置及地震動(dòng)輸入相關(guān)的概念、方法和基本公式。以某風(fēng)電場中某型號3MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)體系相互作用的有限元模型,對其進(jìn)行模態(tài)分析和不同地震動(dòng)作用下的時(shí)程分析,探討是否考慮相互作用對結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力反應(yīng)所造成的差異;同時(shí),在地震動(dòng)輸入方面,剛性地基模型和無質(zhì)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(yīng)譜分析法研究了是否考慮頂部機(jī)艙和葉片的偏心作用對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。本文主要進(jìn)行的工作以及相關(guān)結(jié)論有以下幾方面:
　　(1)對近年來在土-結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究背景和現(xiàn)狀、分析方法、已有的研究成果和存在的問題進(jìn)行相對系統(tǒng)的總結(jié),并將近年來各位學(xué)者對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型建立的研究以及動(dòng)力分析方面的研究及其的到得結(jié)論進(jìn)行了歸納,同時(shí)指出了對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(zhì)量地基和設(shè)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(shù)的確定方法以及群樁基礎(chǔ)復(fù)合體模型的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。并將一種考慮相互作用后的地震動(dòng)輸入方法在本文加以介紹和應(yīng)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(zhì)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(jìn)行動(dòng)力特性分析,得到以下結(jié)論:風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)屬于長周期結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)以后的動(dòng)力反應(yīng)分析研究有重要的參考價(jià)值。
　　(4)結(jié)合本工程地質(zhì)概況選取兩條地震波,對所建立的三種模型進(jìn)行彈性時(shí)程分析,對于剛性地基和無質(zhì)量地基直接輸入地面自由場經(jīng)過峰值調(diào)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(shí)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(yīng)發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)各項(xiàng)地震反應(yīng)在最初出現(xiàn)短暫的不規(guī)律變化后,進(jìn)行周期性的震動(dòng)。
　　(5)將三種模型在不同地震波作用下的時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn):考慮相互作用后結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移明顯大于剛性地基假設(shè)情況下的頂點(diǎn)位移,所以,從結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)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(shù)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(diǎn)達(dá)到最大,而最大加速度放大系數(shù)并不在頂點(diǎn);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(jìn)行折減是不妥當(dāng)?shù)摹?br>　　(6)對本文中的某型號3MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)利用 ANSYS分別建立剛性地基假定下考慮與不考慮機(jī)頭質(zhì)量偏心的兩種計(jì)算模型,用反應(yīng)譜分析法對指定反應(yīng)量進(jìn)行研究,同時(shí)用課題組自編程序進(jìn)行對比分析,得到是否考慮偏心作用對指定反應(yīng)量的影響。并得到以下結(jié)論:從設(shè)計(jì)的角度看,基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)底部彎矩可以直接采用不考慮偏心的結(jié)果,而對底部剪力和底部軸力則