钢筋混凝土风力发电塔风致动力响应分析

　　4 风致动力响应
　　根据上述风荷载时程，利用有限元动力分析方法，对钢筋混凝土风力发电塔进行了风致动力响应分析。在分析过程中，两种塔体均采用瑞利阻尼。其中，钢材阻尼比为2%，钢筋混凝土为5%。钢筋混凝土风力发电塔基底弯矩动力响应、塔顶位移动力响应分别如图6 和图7 所示。由图6 不难发现，基底弯矩最大值为29200kN*m ；由图7 可知，塔顶位移最大值为0.221m。此外，本文还进行了风力发电钢塔（除塔筒厚度之外，其他结构尺寸完全一致）的对比分析。风力发电钢塔顺风向塔顶位移动力响应、基底弯矩动力响应分别如图8 和图9 所示。从图8 中可以看出，基底弯矩最大值为49708kN*m；由图9 可知，塔顶位移最大值为0.891m。仔细研究可以发现，风力发电钢塔动力响应出现了显著的“拍振”现象，从而带来过大的振动，降低了结构的可靠性。相比而言，钢筋混凝土风力发电塔因自身刚度较大，则可有效避免“拍振”现象，降低了结构响应。

图6 钢筋混凝土风力发电塔基底弯矩动力响应

图7 钢筋混凝土风力发电塔塔顶位移动力响应

图8 风力发电钢塔基底弯矩动力响应

图9 风力发电钢塔塔顶位移动力响应

　　为了比较风电机组静力分析、动力响应分析之间的差异，本文基于相同的有限元模型分别进行了这两种分析，所得结果见表1。定义结构确定性动力响应最大值与静力响应之比为动力放大系数。结果表明，风力发电钢塔的动力放大系数约为6.5，钢筋混凝土风力发电塔约为4，动力放大效应十分显著。因此，在设计过程中必须考虑动力放大效应，以结构动力响应分析结果为设计依据。风电机组的动力放大系数偏大的主要原因，可归结于进行动力响应分析时不仅考虑了叶片旋转效应对平均风速的影响，还考虑了其对脉动风速的影响。此外，钢筋混凝土风力发电塔的动力放大系数要小于风力发电钢塔，其主要原因在于钢筋混凝土阻尼比较大。这是钢筋混凝土风力发电塔的另一个优势。