水平轴风电机组钢筋混凝土塔筒反应谱分析

　　风电机组的塔架支撑机舱和叶轮, 是风电机组的骨架，它为叶轮提供所必须的高度，既承担风电机组的全部重量，又直接影响风电机组的工作可靠性和性能。因此了解风电机组塔架在工作时的应力、位移和振型是塔架设计的关键问题。近年来，随着风电机组单机容量逐渐增大，塔顶叶轮和机舱的重量也逐渐增大，这就要求塔架的结构尺寸和重量也越来越大。现在主流的钢结构塔架不仅用钢量大，在施工方面也相当困难。因此，一些研究人员开始把精力投放在钢筋混凝土塔架上。
　　中国是地震多发国家之一，而且众多风电场分布在地震高烈度区。风电机组的叶轮叶片位于塔筒顶部，刚度较小，在地震力作用下易产生端部的“鞭梢效应”，不利于叶片安全运行，而塔架顶部支撑机舱和叶轮，结构上头重脚轻，也不利于抗震。因此在风电机组结构安全设计时，考虑地震作用的影响至关重要。
　　近年来，不少研究人员研究了风电机组塔筒的动力特性。棚邉隆进行了 600kW 大型风力发电设施的运转振动与地震作用的组合荷载的动力分析。祝磊用SAP2000 计算了停机状态下7 台风电机组的地震反应谱响应，提出了钢筒塔架的剪力和弯矩计算公式，并研究了叶片的弯矩分布规律。张斌用ANSYS 建立了某1MW 风电机组钢塔筒模型，研究了其抗风、抗震特性。余长海建立了某1.25MW 风电机组的ANSYS 有限元模型，研究了钢筒和钢筋混凝土筒的动力特性及风荷载下的静、动态反应。贺广零考虑钢筒和钢筋混凝土筒两种塔架形式，用ANSYS 建立了某1.25MW风电机组的有限元模型，并分别计算了风、地震作用下的动力响应。毕继红设计了某2MW 风电机组预应力钢筋混凝土塔筒，并用ANSYS 分析其地震响应。
　　目前，大部分研究都集中在风电机组钢制塔筒，对混凝土塔筒的研究还很有限。本文建立风电机组混凝土塔筒有限元模型，进行模态分析，并按照中国抗震规范中的标准设计地震反应谱，选择某一特定的设计分组以及设防烈度，进行地震反应谱分析。
　　模型建立
　　本文分别选取钢筋混凝土塔筒底部外径6m、7m、8m、9m、10m、11m，壁厚从200mm -600mm 每100mm 一个间隔的塔筒形式，总共分析了30 种规格。钢筋混凝土塔高100m，外径从下到上按0.02 的坡度逐渐减小，筒壁采用强度等级C30 混凝土，弹性模量为3.0×104MPa，质量密度为2410kg/m3;钢筋采用HRB400 级，弹性模量为200GPa。运用ANSYS 有限元软件建立模型，参照某大型风电机组参数，把叶轮和机舱简化成一个550t 的集中质量，采用mass21 单元加在塔筒顶部;塔筒采用beam189单元模拟变截面，《高耸结构设计规范》6.2.2 规定计算结构自振特性时，混凝土高耸结构的截面刚度取0.85EcI，因此ANSYS 建模时混凝土的弹性模量取0.85Ec，材料弹性模量E=2.55×104MPa, 泊松比为0.167，材料密度为2410kg/m3;塔筒与地面刚接。定义沿塔筒高度方向为Z 轴正方向，塔筒横截面方向分别为X 轴和Y 轴。以塔筒外径7m，壁厚200mm 为例，有限元模型如图1 所示。