三线性自对准海上风力涡轮机结构：见解与非线性静态分析方法

《Journal of Constructional Steel Research》：Trilinear self-centring offshore wind turbine structures: Insights and a nonlinear static procedure

三线性自中心式单桩海上风机（TSC-MOWT）通过新型自中心消能段（SCEDS）提升抗震性能，数值模型验证显示其具有更好的延性和耗能能力，可降低 collapses 风险，但多模态非线性静力分析程序对5MW型号的段旋转需求估算不足。

　　

作者：柯柯（Ke Ke）、滕明宏（Minghong Teng）、周旭红（Xuhong Zhou）、何秀章（Xiuzhang He）、叶迈克尔·C·H（Michael C.H. Yam）、张焕阳（Huanyang Zhang）

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

本文提出了一种创新的三线性自复位单桩海上风力涡轮机（TSC-MOWT）。首先介绍了该TSC-MOWT的设计概念和滞回模型。随后，开发了原型结构的数值模型，并通过与实验结果的比较进行了验证。通过循环推覆分析和非线性响应历史分析（NL-RHAs）评估了原型结构的抗震性能。TSC-MOWT表现出三线性的旗帜状滞回特性。这种设计提高了结构的延展性和能量耗散能力，同时显著降低了在风力和地震共同作用下的倒塌风险。为了便于在地震活跃区域应用TSC-MOWT，开发了一种多模态非线性静态分析方法来估计其抗震性能。研究结果表明，所提出的方法在估计2 MW TSC-MOWT的抗震需求方面具有较高的准确性，但在估计5 MW TSC-MOWT的局部旋转需求时存在低估。

引言

随着对清洁能源需求的增长，风力涡轮机的装机容量迅速扩大，2024年新增装机容量达到了117吉瓦[1]。这一发展推动了在地震活跃区域建设大量风电场，给风力涡轮机的抗震安全性带来了新的挑战。在这种背景下，单桩海上风力涡轮机（MOWTs）因其制造工艺简单、成本效益高且安装方便而得到了广泛应用[2]。因此，已有大量研究探讨了MOWTs的抗震性能[3][4][5][6][7]。例如，Padrón等人[5]指出，即使是低至中等强度的地震也可能对MOWTs造成严重的结构损伤。此外，风力涡轮机塔架的薄壁圆柱形结构及其较低的冗余度使其在地震激励下容易发生局部屈曲甚至整体倒塌[8][9]。因此，提高MOWTs的抗震性能对于确保其在地震活跃区域的可靠运行至关重要。

为了提升风力涡轮机结构的性能，研究人员提出了多种具有增强延展性和稳定能量耗散能力的创新结构设计[10][11][12][13]。例如，王等人[13]提出了一种集成放大阻尼传递系统的海上风力涡轮机。分析结果表明，这种新型涡轮机在抵御多种灾害方面表现出更好的性能，其抗震响应（如峰值位移和峰值加速度）明显低于传统涡轮机。同时，自复位技术的进步也引起了研究界的关注[14][15][16]。例如，Sorge等人[15]通过在塔基处引入铰链-弹簧-摩擦装置，开发了一种自复位风力涡轮机结构，有效减少了疲劳损伤和基础弯矩需求。柯等人[16]则在过渡段内使用了自复位能量耗散轴承，进一步增强了结构的抗倒塌能力。这些研究证实，在风力涡轮机结构中引入可控的摇摆机制和能量耗散装置能有效提升其抗震性能。

然而，传统的采用双线性滞回模型的自复位系统表现出明显的更高阶模态效应和更大的位移响应[17][18][19][20]。为了解决这一问题，最近的研究表明，具有较大屈服后刚度的自复位系统能够有效抑制高阶模态效应并减轻结构动态响应[21][22][23]。然而，由于风力涡轮机结构的高度和细长特性，过高的屈服后刚度可能会显著增加相邻薄壁塔段的强度要求，从而导致塔架局部屈曲甚至整体倒塌[24][25][26]。最近，叶迈克尔·C·H的研究团队[27][28]提出了一种集成多级能量耗散机制的三线性自复位阻尼器。研究结果表明，该阻尼器具有两级刚度衰减特性，能够在宽变形范围内有效降低相邻部件的强度需求，同时增强能量耗散能力。然而，这种三线性自复位阻尼器在风力涡轮机结构中的适用性尚未得到验证。此外，配备这种新型阻尼器的风力涡轮机在风力和地震共同作用下的抗震性能评估也是必要的。

基于以上背景，通过在塔架和单桩之间引入自复位能量耗散段（SCEDS），开发了一种创新的三线性自复位单桩海上风力涡轮机（TSC-MOWT）。SCEDS主要由三线性自复位阻尼器（TSCD）和可摇摆的塔基组成，为TSC-MOWT提供了自复位恢复力和能量耗散能力。首先介绍了TSC-MOWT的设计概念和滞回模型，随后建立了原型结构的数值模型，并通过循环推覆分析和非线性响应历史分析（NL-RHAs）比较了传统MOWT与TSC-MOWT的抗震性能。最后，开发了一种多模态非线性静态分析方法来估计抗震性能，并通过将该方法的结果与NL-RHAs的结果进行比较来验证其准确性。

设计概念

图1展示了TSC-MOWT的结构概念和变形模式，重点介绍了位于塔架和单桩之间的创新SCEDS。SCEDS主要由加固段、托架、TSCD、双向铰链连接和可摇摆的塔基组成。具体来说，焊接在加固段上的托架用于传递载荷，而加固段则负责抵抗局部损伤；TSCD通过双向铰链与托架相连。

基本信息

为了评估TSC-MOWT的抗震性能，基于Vestas V66-2.0型号的2 MW MOWT[30]和NREL型号的5 MW MOWT[31]设计了四种原型结构：（1）传统的2 MW MOWT；（2）2 MW TSC-MOWT；（3）传统的5 MW MOWT；（4）5 MW TSC-MOWT。为了保证可比性，这些TSC-MOWT和对应的传统MOWT在设计时具有几乎相同的振动特性和初始刚度。原型结构中使用的钢材具有弹性...

分析方法

循环推覆分析采用基于基本模态响应的恒定侧向载荷模式进行。循环载荷位移对应于轮毂偏移比，分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和4%。轮毂偏移比定义为轮毂位移与从轮毂到海床高度的比值。

为了研究TSC-MOWT在风力和地震共同作用下的行为，采用了动态风荷载和地震荷载进行模拟。

基本假设

开发了一种多模态非线性静态分析方法（MNSAP）来估计TSC-MOWT在风力和地震共同作用下的抗震需求。该方法基于以下假设：

(1) TSC-MOWT的抗震响应可以通过多个等效模态单自由度（SDOF）系统来表示，这些系统对应于结构的主要模态。结构非弹性行为引起的模态SDOF系统之间的耦合效应被忽略[53][54]。

(2) 等效模态SDOF...

分析设置

MNSAP用于评估TSC-MOWT在风力和地震共同作用下的抗震需求。在本研究中，对于因局部屈曲而倒塌的TSC-MOWT，该方法不予考虑。图15展示了与基本模态相关的等效模态SDOF系统的基于能量的推覆响应。基于能量的推覆响应采用三线性理想化方法进行近似计算，弹性阶段和FED阶段的阈值也在图中标出。

结论

通过在塔架和单桩之间引入新型自复位能量耗散段（SCEDS），提出了一种三线性自复位单桩海上风力涡轮机（TSC-MOWT）。SCEDS主要由三线性自复位阻尼器（TSCD）和可摇摆的塔基组成，提供了自复位能力和能量耗散能力。通过循环推覆分析和非线性响应历史分析（NL-RHAs）研究了TSC-MOWT的抗震性能。

作者贡献声明

柯柯（Ke Ke）：撰写、审稿与编辑、验证、资金筹集、概念构思。 滕明宏（Minghong Teng）：撰写初稿、软件开发、形式化分析。 周旭红（Xuhong Zhou）：项目监督、项目管理、概念构思。 何秀章（Xiuzhang He）：软件开发、形式化分析。 叶迈克尔·C·H（Michael C.H. Yam）：撰写、审稿与编辑、资源协调、项目管理。 张焕阳（Huanyang Zhang）：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、形式化分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52322802）的财政支持。