考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监.pdf

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1、第 45 卷增刊 12012 年土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALVol 452012基金项目:国家自然科学基金(51178045)、广东省教育部产学研结合项目(2011B090400588)和中华人民共和国教育部海外名师项目(MS2011BJKJ005)作者简介:黄帅，博士研究生收稿日期:2012-05-21考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较黄帅1宋波1贺文山1韦伟2(1 北京科技大学，北京 100083;2 中国国电南方分公司，广东广州 510623)摘要:本文基于“风轮-机舱-塔体”三维仿真模型，进行风电塔在暴风荷载作用下的风

2、致动力响应分析，并基于规范中的风荷载计算方法与动力分析方法对风电塔的应力、位移和内力进行计算分析，同时研究风电塔风轮受不利风向影响时的力学特性变化规律，并对风电塔在常规风荷载作用下的应力和位移进行现场监测比较研究。结果表明，基于规范计算的风电塔的应力、位移及内力要比动力分析的计算值偏小;脉动风时程激励下，风电塔的最大应力值低于结构的最小许用应力值，但结构顶部的水平位移超过结构的位移限值，在风电塔设计中应予以注意。风电塔受不利方向的暴风影响会产生很大的内力，塔底最大剪力和弯矩增大了 91%和 106%，在风电塔设计过程中应该重点考虑;基于常规风荷载作用下的应力和位移的数值仿真结果与监测结果吻合较

3、好。关键词:风电塔结构;脉动风;动力响应;现场监测;暴风荷载中图分类号:TU312+1文献标识码:A文章编号:1000-131X(2012)S1-0102-05Numerical analysis of dynamic response and in-site monitoring of windpower tower considering the influence of the fluctuating wind loadHuang Shuai1Song Bo1He Wenshan1Wei Wei2(1 University of Science and Technology Beijin

4、g，Beijing 100083，China;2 China Guodian Corporation Southern Branch，Guangzhou 510623，China)Abstract:Based on the finite element model，rotor-cabin-tower，of wind power tower，dynamic response under the stormload is analyzed，The stress，displacement and internal force of the wind power tower are calculate

5、d based on thecalculation method of regulation and time-history Change rules of mechanical characteristics of wind power towerinfluenced by the worst wind direction，and field monitoring under the common wind load are analyzed The results showthat the stress，displacement and internal force of dynamic

6、 analysis are greater than that calculated by regulation Themaximum stress value is smaller than the minimum permissible stress，however the displacement at the top of wind powertower is greater than allowable deformation in code The maximum shear and bending moment influenced by the worstwind direct

7、ion of the storm increased 91%and 106%Simulation results have a good agreement with the monitoringresults，and the monitoring results are greater than the simulation resultsKeywords:wind power tower structure;fluctuating wind;dynamic response;in-site monitoring;storm loadE-mail:songbo ces ustb edu cn

8、引言风电塔本身属于典型的头重脚轻薄壁高耸结构，这使得结构很容易由于振动而导致弯曲变形过大造成倾倒破坏，因此，深入研究风点塔结构在暴风荷载作用下的力学特性的变化规律显得至关重要。国内外对高耸结构的风振响应作了大量研究。Luong Van Binha 等1 提出了等效静风荷载评价公式;Harrison2 等提出了在对风电塔进行分析时，可以将叶片的运动简化成一个弯矩施加于结构上，但这只适用于对风电塔进行静态分析;P J Murtagh3 等研究了风电体系在风荷载作用下的动力反应;欧进萍等4 对高层结构进行了风振及阻尼控制分析;金涛等5 对塔顶在静力荷载作用下及塔身开洞情况下的受力行为进行分析;周勃等

9、6 对风力发电机塔架的动态特性及其影响因素进行了分析。而研究者在考虑风荷载作用于风电塔时大都将脉动风以风振系数的形式考虑，即将风荷载简化成静荷载的形式，即便进行风振响应分第 45 卷增刊 1黄帅等考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较103析也将风电塔上部机舱和风轮简化成质量块的形式进行简化分析，且多数研究只停留在仿真模拟层面，不能很好的结合现场监测展开研究，得出的计算结果往往偏离工程实际。基于此，本文分析了风电塔的风致动力响应，并进行了现场监测比较研究，为以后风电塔结构的深入研究提供依据。为简化问题，本文暂不考虑横风向的涡流干扰。1暴风荷载作用下风电塔的数值仿真分析1 1风

10、电塔的有限元模型本文以地表粗糙度为 III 类场地(复杂山地)的某风电塔为研究对象。风电塔叶片采用 Shell63 单元，塔筒采用变直径圆筒形钢结构，钢材为 Q345 级钢，结构不同高度的塔壁厚度不同，塔筒结构分 23 小段，塔壁采用 Shell63 单元，机舱采用 Solid45 单元，密度为7850kg/m3，振型阻尼比按我国钢结构规范取 0 02，选用 Combin14 单元模拟土体的作用，有限元模型如图 1所示。风电塔基础为正八边形扩展基础，混凝土等级为C35，底板地面内切圆半径 R 取 8 0m。下部土体介于碎石与粉土之间，因此土体泊松比 v 取 0 22。土体密度测量值为 2 64

11、g/cm3，弹性模量 E=32 13GPa，土体的剪切模量 G=13 16GPa，弹簧的刚度与阻尼如表 1所示。表 1Combin14 弹簧刚度及阻尼系数参数取值Table 1Parameters of spring stiffness and damping coefficient参数名称弹簧刚度(1011N/m)参数名称阻尼(1011)水平刚度 K14 73水平阻尼 C1槡1584N/m垂直刚度 K25 40垂直阻尼 C2槡2671N/m转动刚度 K323035转动阻尼 C3201 16N/m槡31 3风电塔的模态分析对风电塔建模时考虑风轮与不考虑风轮对风电塔的自振频率的影响规律进行了比较

12、，如图 2 所示。图 2结构的自振频率曲线Fig 2The graph of the frequencies通过对比前十阶自振频率发现，考虑叶片时其对风电塔的高阶频率影响比低阶频率影响更为明显，且风电塔的自振频率比不考虑叶片时最大减小了47 27%。由图 3 可知，结构的前四阶振型特征为:第一阶为绕 Y 方向的弯曲变形，第二阶为绕 X 方向的弯曲变形，第三阶为绕 Y 方向的弯曲和绕 Z 轴的扭转变形，第四阶为绕 X 方向的弯曲和绕 Z 轴的扭转变形。2考虑脉动风影响的风电塔的风致响应分析本文采用线性滤波法对单一风速时程进行模拟，根据 Davenport 风速谱原理，用 MATLAB 软件编写程

13、序得到风电塔轮壑高度(52 08m)处的脉动风风速时程曲线如图 4 所示。通过对风电塔进行风致动力响应分析得出风电塔顶部的位移和加速度时程曲线如图 5所示。由图 5(a)可知，考虑脉动风时风电塔顶部的最大峰值加速度响应为 2 46m/s2，即塔顶的加速度响应过104土木工程学报2012 年大，将会对结构底部产生较大的内力，且由于风电塔结构的顶部质量较大，塔筒壁薄，需要采取有效措施抑制其风振响应。由图 5(b)可知，风电塔塔顶的最大峰值位移为 0 88m，超过了风电塔结构的位移限值(0 69m)的 27%。本文采用 GB 500092001建筑结构荷载规范中风荷载的计算方法与时程分析计算的沿塔身

14、高度的最大应力和最大位移进行了对比，如图 6 所示。由图 6 可以看出，暴风荷载作用下基于规范和时程计算的塔筒应力均随高度的减小表现为先增大后减小的趋势，且在离塔筒底部高为 33 33m 处出现最大值。基于规范和时程分析的位移随高度的减小表现为逐渐减小的趋势，且最大值出现在风电塔顶部。基于时程分析的塔身位移和应力反应明显地比基于规范所得的计算值要大。从峰值角度分析，基于时程分析的风电塔结构的应力和位移峰值分别比基于规范所得的计算结果增大了 77%和 67%，说明在风电塔风振响应分析中脉动风对风电塔的影响是显著的。表 2 显示了基于规范与时程分析计算的结构的最大位移、应力和内力的对比结果。表 2

15、基于规范和脉动时程分析结果的比较Table 2The comparison of the results based onregulation and time-history响应最大位移(m)最大应力(MPa)最大剪力(kN)最大弯矩(kNm)规范计算值0481219221626853617时程计算值088204203068613254 67增大倍数183167142155由表 2 可知，结构的最大位移和最大应力的增大倍数分别为 1 83 和 1 67，时程分析时，风电塔结构的位移最大值为 0 88m，超出了风电塔结构的位移限值(0 69m)，基于规范所计算的结果未超过风电塔结构的位移限值。

16、风电塔的最大应力值要小于结构的最小许用应力值 273 01MPa。结构的最大剪力和弯矩的增大倍数为 1 42 和 1 55，即基于时程分析的计算值大于基于规范的计算值，因此，在设计过程中须重点考虑。主要原因是:时程响应分析时不仅考虑了风轮旋转效应对平均风速的影响，更为重要的是考虑了脉动风速的影响，而规范中仅将脉动风以风振系数的形式进行考虑，使得规范中的计算结果偏小。3风轮最不利风向对风电塔内力的影响分析当风速大于风电塔的切出风速(25m/s)时，通常是将风轮迎风面偏离来风方向，不过考虑到风向的实时偏转和风电塔偏航控制系统的反应时间，可能出现很短时间内叶片完全迎风的状态7。有必要研究风电塔风轮叶

17、片受暴风不利方向的影响程度，这是强度设计中需要考虑的因素，本文对暴风荷载作用下风电塔 90侧风和最不利情况(迎风)下的内力进行了对比分析，如图 7 所示。由图 7 可知，暴风荷载作用下，风电塔最大弯矩和剪力都发生在塔体底部，当风电塔风轮叶片受不利方向暴风荷载时，底部最大剪力和弯矩为 558 47kN 和2736674kNm。叶片受不利方向暴风荷载时风电塔的正应力最大值为 221 77MPa，剪应力最大值为11 90MPa，第一主应力最大值为 232 08MPa，均小于第 45 卷增刊 1黄帅等考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较105结构的屈服强度(345MPa)，且不超过

18、结构的最小许用应力值(273 01MPa);而风电塔风轮叶片受不利方向暴风荷载时的底部最大剪力和弯矩比 90侧风时分别增大了 91%和 106%，因此，风轮迎风时的风电塔要比90侧风时更易于发生强度破坏。4常规风荷载下风电塔的现场监测对比研究4 1风电塔的应力和位移的仿真分析鉴于现场实际工作环境的限制，本文仅对风电塔在常规风速 5m/s 作用下的应变和位移进行了监测，并进行有限元仿真分析，得出其在 5m/s 的风荷载作用下的应力和位移云图分别如图 8 所示。由图 8(a)可知，风电塔在常规风荷载作用下的应力和位移与暴风荷载作用下的应力和位移随着风电塔高度的降低表现为相同的变化趋势。根据有限元软

19、件计算得到的最大应力为 11 40MPa，应力最大值出现在风塔离地面高 30m 处。由图 8(b)可知，风电塔最大位移(0 17m)出现在风电塔的塔顶。4 2风电塔应变和位移的现场监测监测仪器选用的 SDY2102 型动态应变仪是一种具有自动平衡功能的动态电阻应变仪。WS-5921N 型网络数据采集仪，测量精度高、速度快，广泛应用于科学实验、工业测量控制等领域。应变片为电阻式应变片，阻值大小为 120，灵敏度系数为 2 08 10%，位移传感器有效测量范围为 0 500mm，输入电源电压为+24VDC，输出信号形式为 0 5VDC，传感器线性精度为 500mm 优于 0 2%，工作温度为 25

20、 75风电塔的监测点布置如图 9 所示。开口处容易发生应力集中，因此开口处加密了测点，布设了 3 个点。总计布设了 10 个监测点(外部布设8 个点，内部布设2 个点)。应变监测点的平面坐标如图 10 所示，监测点高度如表 3 所示。对于位移的监测，在塔筒 5m 处搭建钢架，然后在钢架顶部固定位移传感器。在塔筒相对位置焊接一块工字钢用于固定位移传感器的接头。位移传感器及钢架的位置位于迎风向，测定该塔筒高度为 5m 的位移变量。表 3风电塔应变监测点的竖向高度Table 3Vertical height of monitoring points测点1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#高度(

21、m)20213 638322132424 65 6根据现场实际风速情况，测得当地风速在 0 6m/s内变化，而主要集中在 5 6m/s。由于塔筒存在初始应变，因此，取风速为 0 1m/s 作为初始监测数据，当风速 5 6m/s 时作为最终监测数据。风速仪固定在离地面约10m 高的地方，采集时间为1min，总共采集三组数据取其平均值作为初始监测数据。对于位移，在同一位置每间隔30min 测量一次，共计测取了6 组数据。106土木工程学报2012 年4 3监测结果与数值仿真结果的对比分析选取风电塔的每个监测点在 1min 采集过程中的最大值作为每个监测点的应变值，并连续测三组，取三组中最大值的平均

22、值为结构的监测值。与基于脉动时程响应和规范计算的风电塔应力和位移进行了对比如图 11 所示。由图 11 可以看出，常规风荷载作用下基于脉动时程响应的计算的风电塔应力和位移比基于规范的计算值更接近于现场监测的应力。此外，曲线在 8 号监测点出现了明显的峰值点，是由于此处为风电塔的开口处，产生了应力集中的原因。进一步发现风电塔的应变监测结果整体比数值模拟结果大，原因是计算模型建立的缺陷性，包括边界处理、参数取值、模型范围、单元划分等，且数值计算没有考虑温度荷载变化的影响。5结论本文进行了风电塔的风致动力响应分析，并开展了其在常规风荷载作用下的现场监测，得出的结论如下:(1)对考虑叶片与不考虑叶片时

23、风电塔的模态分析结果显示，塔筒顶端的风轮和机舱对风电塔高阶频率影响大于对低阶自振频率的影响(最大影响率可达47 27%)，且考虑风轮和机舱时，风电塔前两阶模态表现为弯曲变形，从第三阶开始出现扭转变形。(2)基于规范计算的风电塔的应力、位移及内力要比动力分析的计算值偏小，且脉动时程作用下，本风电塔的最大应力值低于结构的最小许用应力值，但结构顶部的水平位移超过了许用位移限值，在风电塔设计中予以注意。(3)在暴风状态下，即使是停机状态的风电塔，也有可能受到不利方向的暴风影响(对最大剪力和弯矩的影响率分别为91%和106%)而产生很大的内力，因此在风电塔的强度设计中需要将其作为重点考虑的因素。(4)对

24、风电塔在常规风荷载作用时的应变和位移进行了现场监测，得出计算结果与现场监测结果吻合较好，且基于脉动时程响应计算的风电塔应力和位移比基于规范的计算值更接近于现场监测值。参 考 文 献 1Binha L，Ishiharab T，Phuca P，et al A peak factor fornon-Gaussian response analysis of wind turbine towerJ JournalofWindEngineering，2008，96(10/11):2217-2227 2 Harrison R，Hau E，Snel H Large wind turbines:designa

25、ndeconomics M NewYork:JohnWileyandSons，2000 3 Baumgart A A mathematical model for wind turbine blades J Sound Vibration，2002，251(11):1-12 4 欧进萍，张微敬 高层建筑结构的风振阻尼控制分析与设计方法 J 建筑结构学报，2003，24(6):32-37 5 金涛，周勇，李杰 钢筋混凝土风力发电高塔数值分析 J 华中科技大学学报，2008，25(4):270-272(JinTao，Zhou Yong，Li Jie Numerical analysis of re

26、inforcedconcrete wind turbine towerJ Journal of HuazhongUniversity of Science and Technology，2008，25(4):270-272(in Chinese)6 周勃，费朝阳，陈长征 风力机塔架的振动特性研究 J 振动工程学报，2004，17(增2):903-905(Zhou Bo，Fei Zhaoyang，Chen Changzheng Vibration characteristicsof the wind turbine tower J Journal of VibrationEngineering，

27、2004，17(S2):903-905(in Chinese)7 金志昊，范宣华，苏先樾，等 风力机叶片顺风向风致振动研究 J 南京航空航天大学学报，2011，43(5):677-681(Jin Zhihao，Fan Xuanhua，Su Xianyue，et alResearch on blade wind-induced vibration in wind directionJ Journal of Nanjing University of Aeronautics Astronautics，2011，43(5):677-681(in Chinese)黄帅(1987-)，男，博士研究生。主要从事结构抗风方面的研究。宋波(1962-)，男，博士，教授。主要从事结构抗震方面的研究。贺文山(1986-)，男，硕士。主要从事结构抗风方面的研究。韦伟(1958-)，男，硕士，工程师。主要从事风电设施防灾减灾方面的研究。