引用格式：
Duan LX, Wang WD, Zheng L, Shi YL. Dynamic
response analysis of monopile CFDST wind turbine tower system under
wind-wave-seismic coupling action. Thin-Walled Structures, 2024, 202: 112089.
Highlights:
1. Very limited studies on the CFDST wind
turbine tower system have been carried out.
2. The dynamic response of CFDST wind turbine towers is numerically investigated.
3. The effects of seismic incidence angles and various loads are discussed.
4. A comparative study on the CFDST towers and traditional steel towers is conducted.
论文信息：
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112089
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DOI: 10.1016/j.tws.2024.112089
一、研究背景
在全球气候变暖等生态问题突出的背景下，为实现低碳可持续发展，风电作为清洁能源，在重塑能源体系结构、减少 CO2 排放等方面具有重要作用，传统风力发电机组大多为锥形的单管钢薄壁细长结构，该类结构在叶轮转动及外界随机荷载激励下容易发生频繁振动，不利振动会影响风能的转化，降低发电效率，极端条件下甚至直接造成塔筒结构失效破坏。随着MW级风电塔的发展，风电塔尺寸逐步增大，传统钢管结构已不再满足大尺寸海上风电塔的要求。
中空夹层钢管混凝土是在传统实心圆钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型的钢管混凝土结构形式，其截面开展、抗弯刚度大，自重轻、抗震性能好，常见截面形式如图1所示。根据其力学性能的特点，将其运用于风力发电塔等长细比较大、轴向荷载较小、具有耐撞性、侧向抗弯要求较高的工程当中，具有较好的应用前景。
图1 中空夹层钢管混凝土构件常见截面形式
高耸的海上风力机塔架属典型顶部大质量集中的细长弹性体的力学结构，与传统土木建筑结构差异巨大，极易受到地震影响。此外，在风载荷作用下，风轮受到的气动载荷会以弯矩和扭矩的形式传至基础。两种载荷同时作用极易使塔架载荷超出设计极限，从而发生如图2所示的局部屈曲而导致整机倒塌的破坏现象。
图2 地震发生时风力机结构损伤和破坏
单桩式基础是海上风电塔在浅水深度最常见基础形式，该类基础结构简单，施工方便，具有较好承载力和稳定性，常见海上单桩式基础如图3所示。此类结构形长期遭受风、浪、流等复杂环境荷载作用，容易产生塔架振动猛烈、基础累积疲劳损伤加剧等问题，为风电机组电能的可持续输出带来巨大的隐患。因此，开展近海风电结构的复杂耦合动态响应研究、掌握结构时变振动机理具有重要意义。
图3 海上单桩式基础
采用OpenFAST和ABAQUS对中空夹层钢管混凝土风电塔体系和作为对照组的钢结构风电塔体系进行多灾耦合作用下的动态响应分析。在验证模拟方法合理的基础上对比了两类风电塔在地震作用下、风浪耦合作用下及风-浪-震耦合作用下的动态响应。并分析了风荷载和波浪荷载对塔顶位移、加速度的影响。结果可为该类结构的设计和工程应用提供参考。
二、风机原型
NREL 5MW由美国可再生能源实验室开发，是一款传统的3叶片水平轴上风型风机模型，它通常作为陆上和海上风机研究的基准风机。风机结构如图4所示。
图4 NREL 5MW OC3 Monopile风机多灾耦合模型
采用美国可再生能源实验室（NREL）开发的风机分析软件OpenFAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, Turbulence, FAST)对考虑风、浪、流及RNA运行的NREL 5MW风电塔进行多工况耦合仿真。如图5所示，OpenFAST将气动、水动、结构、伺服控制分为独立的计算模块，并通过模块间的数据传导及计算实现耦合分析。采用指数律风剖面的平均风模型以考虑风切变对风轮气动荷载的影响。
图5 OpenFAST计算模块
图6 风场及叶素翼型
三、有限元分析
采用ABAQUS对地震荷载作用下的钢结构风电塔体系和圆锥形中空夹层钢管混凝土风电塔体系进行数值模拟。
图7 固定式基础x方向地震波加载风电塔模型
以NREL 5.0 MW风机为研究对象，选取1935年 Carroll 地震作为输入激励，计算了停机状态下风力机结构动力学响应。图8为ABAQUS、GH Bladed和NREL Seismic三种软件计算的风力机塔架横向（side-side）动力学响应。
图8 停机工况下塔架横向动力学响应时域对比
图9 两类风电塔前两阶模态
从图10可以发现仅考虑地震作用的工况下，塔顶位移随地震波峰值加速度增大而增大，且与地震动类型有关。CFDST塔的塔顶位移相较于传统钢结构塔最大减小38.09%，平均减小25.1%，通过上述分析可以发现，底部固接时，约束作用较为明显，CFDST塔和传统钢塔的塔顶位移响应较小，CFDST塔的刚度优势未被充分发挥。
图10 仅地震作用塔顶动态响应对比
图11 地震入射角示意图
图12 地震入射角对风电塔峰值响应的影响
用Bmodes对两类风电塔的前两阶前后和两侧的振型进行计算，CFDST组合塔需要修改Bmodes软件中的CS_monopile_tower_secs.dat文件，重新定义组合线性密度(mass_densc)、组合惯性矩(flp_inersc, edge_inersc)、组合抗弯刚度(flp_stffsc, edge_stffsc)、组合扭转刚度(tor_stffsc)、组合轴向刚度等参数(axial_stffsc)，计算方法详见公式(1)-(5):
通过图15可以发现，在风浪耦合作用下运行工况下的CFDST塔顶位移相较于传统钢结构风电塔有明显的减小，前后向最大位移减小了42.3%，侧向最大位移减小了61.3%，可以看出考虑风浪耦合作用且考虑柔性边界条件时，可以充分发挥CFDST塔的刚度优势。通过上述分析可以发现CFDST海上单桩风电塔在承受风浪荷载的正常运行工况下，其稳定性相较于传统钢结构风电塔有较大提升。
图13 运行工况下turbsim风场图
图14 Bmodes前两阶模态分析
图15运行工况下塔顶位移对比
图16 波浪荷载对塔顶位移的影响
图18可以看出在风-浪-震作用下，CFDST塔的塔顶加速度峰值小于钢结构塔，且后续衰减更快，这是因为在风-浪-震耦合作用下，阻尼对加速度响应的影响更大，而CFDST塔的阻尼更大，所以加速度响应更小，且衰减更快。可以发现风-浪-震耦合作用下CFDST塔顶的加速度响应最大减小了26.6%，平均减小了20.8%，塔顶位移响应最大减小了46.1%，平均减小了37.6%。可以看出在极端工况作用下，CFDST组合风电塔因其刚度和阻尼更大，塔顶加速度响应和位移响应都有明显降低。
图17 两类风电塔风-浪-震耦合模型
图18 风电塔风-浪-震耦合动态响应分析
四、结论
Conclusions
1
底部固接且仅考虑地震荷载，低加速度峰值作用下塔顶加速度响应与塔筒质量相关性较大，当峰值加速度大于400Gal时，塔顶加速度响应与刚度相关性较大。
2
相较于传统钢塔，地震入射角对CFDST塔的影响更为明显，在设计中考虑地震动方向效应对风机的结构安全至关重要。
3
两类单桩式风电塔在风浪荷载耦合作用下， CFDST塔顶位移有明显的减小。风荷载和RNA作用对两类风电塔的动态响应有较大影响，波浪荷载对风电塔的动态响应影响有限。
4
在考虑风-浪-震耦合作用下，CFDST塔的刚度优势充分发挥，塔顶加速度相较于传统钢塔不仅在峰值有20%左右的下降且塔顶位移峰值减小在50%以上。
五、相关文献
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作者简介
段力歆：男，甘肃人，博士研究生。主要从事钢-混组合风电塔体系抗震性能研究。
2019.09-2022.06，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、史艳莉教授）
郑龙：男，辽宁人，讲师。主要从事钢与混凝土组合结构、装配式结构的抗震、抗连续倒塌及抗冲击性能研究。2023年甘肃省优秀博士毕业论文获得者。
2016.09-2019.06，兰州理工大学 土木工程学院 结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、史艳莉教授）
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Part.6
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Part.7
纤维模型与子程序开发等
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Part.8
装配式钢筋混凝土结构
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Part.9
新型高性能结构材料
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Part.10
新型吸能结构
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Part.11
风电工程结构
[1].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Zheng Long, Shi Yan-Li. Dynamic response analysis of monopile CFDST wind turbine tower system under wind-wave-seismic coupling action. Thin-Walled Structures, 2024, 202: 112089.
编辑：郑 龙
审核：王文达
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王文达课题组
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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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