風電機組結構抗震研究現狀

　　從風電的發展歷史看，風電機組的結構安全性主要是從風工程和機械工程的角度進行考慮，因此通常的風電機組設計標準中對風荷載和機械強度的規定較詳細，而對抗震設計則規定很少。如IEC61400-1 規定風電機組在地震作用下的剪力從上到下為均勻分布，底部剪力計算則是假定將塔架的質量取一半，與葉輪、機艙一起集中到塔架頂部，建立單自由度模型，然后運用地震工程中常用的設計反應譜來計算塔架底部的剪力。這種模型從建筑結構抗震的觀點看，是不夠準確的，它無法反映風電機組各部分質量、剛度分布對地震響應的影響。GL Wind 2003 建議采用風力發電機組所在地的抗震規范，在當地缺乏相應規范的情況下，可以基于歐洲Eurocode 8（陸地）或者美國石油學會API（近海）進行抗震計算。
　　如果直接采用建筑結構中的抗震設計標準，原則上是可行的。在結構抗震設計標準中（如Eurocode 8），通常運用振型分解反應譜法計算結構的地震響應，這種方法是將結構簡化成多質點組成的“糖葫蘆串”模型，通過多模態疊加的方式計算結構的地震力。典型的國際規范有Uniform Building Code，國內則是《建筑抗震設計規范》。但這種方法應用到風電機組上存在兩個問題：一是它無法考慮葉輪的分布質量，因為該方法是將葉輪簡化成一個質點加到機艙上；二是它不能計算葉輪旋轉時的地震響應。

　　為解決這兩個困難，日本東京大學土木工程系風能研究組根據日本的典型風電機組參數，建立了包括葉片、機艙和塔架的風電機組的有限元模型，通過數值方法計算其地震響應。對風電機組在靜止狀態下，結合建筑抗震規范中的振型分解反應譜方法和地震剪力分布概念，提出了修正后的底部剪力和剪力分布計算公式；對風電機組在運轉狀態下，計算其空氣阻尼，并與結構阻尼相加，再根據設計反應譜求得機組的地震響應。這些研究成果反映在《風力發電設備支持物構造設計指針·同解說》中。
　　原則上講，《風力發電設備支持物構造設計指針·同解說》已經建立了風電機組抗震設計的一般方法，世界各地都可以參照采用。但這一標準也存在一定的不足：一是數值計算選用的實際風電機組原型數量有限，只有6 臺（三菱重工風電機組），導致其計算結果可能僅僅適用于日本的風電機組，而不能涵蓋歐洲、美國、中國等國家的情況；二是該標準的限定對象是塔架，未考慮葉片的抗震設計；三是在風荷載與地震荷載的組合上，只考慮了均一風速和地震在同一直線疊加的情況，沒有包括風速沿葉輪高度的分布以及風向與地震不同向的情況。雖然初步的數值計算表明，風與地震同向是最危險的工況，但由于風電機組原型數量的不足，這一結論尚待進一步驗證；四是風電機在受到地震激勵而產生劇烈振動，可能觸發停機操作，這一工況也未在《風力發電設備支持物構造設計指針·同解說》中反映。

　　3 研究建議
　　中國也是一個地震多發國家，1976年唐山大地震、2008 年汶川大地震都導致大量的建筑物破壞倒塌，給人民群眾帶來巨大損失。自唐山大地震后，中國的《建筑抗震設計規范》歷經修訂，已經相對完善。同時，在構筑物如電塔、煙囪、燈塔等抗震方面，基本上襲用《建筑抗震設計規范》的相關規定，設計方法基本成熟。但風電機組的抗震設計，則是個空白。中國的《風力機械標準匯編》，主要沿用IEC61400-1，指出需要考慮地震力，但缺少具體計算方法。原因主要有二：一是現代的風力發電最早是從歐洲發展起來的，而歐洲是地震發生比較少的地區，地震力不是控制荷載；二是風電機組一般是作為大型機械，主要考慮風荷載和機械強度設計，對地震的關注不夠。但是如引言所述，風電機組作為一個纖細且頭重腳輕的建筑物，其抗震性能是值得研究的。特別是中國在地震高烈度區如北京、廣東南澳等地都建立了風電場，必須對這些地區的風電機組作抗震安全性的審查。