研究不同场地条件下土壤-结构相互作用效应对混合塔抗震响应的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Study on the influence of the soil–structure interaction effect on the seismic response of hybrid tower under different site conditions

风电机组混合塔（钢-预应力混凝土）地震响应分析，基于ABAQUS建立塔基-土-结构相互作用（SSI）精细化有限元模型，考虑软硬两种土质条件，对比含/不含SSI效应的地震动（0.07g/0.2g/0.4g）下结构响应差异。研究表明SSI显著放大动态响应，软土场地的最大混凝土塔段应力增幅达35.43%，塔顶位移增幅达36.54%，但预应力索应力增幅可忽略。需在混合塔抗震设计中重点考虑SSI效应对混凝土塔段的影响。

　　
混合塔风电机组土壤-结构相互作用效应的抗震性能研究

摘要：
针对高海拔地区140米以上混合塔型风电机组的抗震设计需求，本研究通过建立塔基-土体-塔身复合有限元模型，系统考察了土壤-结构相互作用（SSI）效应对超高层混合塔地震响应的影响规律。基于160米级混合塔工程样机的三维建模，采用ABAQUS平台构建了包含混凝土塔段、过渡区和顶部钢结构的三维精细化模型。通过设置200米×200米×100米的计算土域，并应用辐射阻尼边界条件有效消除反射波影响，实现了无限半空间土体的等效模拟。研究选取II类（坚硬土）和IV类（软弱土）两种典型地质条件，采用PEER数据库中的6组地震波进行对比分析，峰值加速度分别设定为0.07g、0.2g和0.4g三个典型工况。

研究结果表明：
1. SSI效应对结构动力响应具有显著放大作用，最大增幅达36.54%（塔顶位移）
2. 土质类型与地震动参数共同作用，形成差异化响应特征：
- 坚硬土场地：混凝土塔段应力增幅达22.46%，塔顶位移增幅32.69%
- 软弱土场地：混凝土塔段应力增幅达35.43%，位移增幅36.54%
3. 过渡区钢结构在两种土质中均呈现应力增幅15-20%的中间响应特征
4. 预应力钢索的应力增幅在5%以内，显示其对SSI效应具有较强鲁棒性
5. 研究建立的复合模型可为后续混合塔抗震设计提供重要参数依据

引言：
在全球能源结构转型背景下，大型化风电设备对支撑结构提出更高要求。传统全钢结构塔筒在超过140米高度时面临经济性不足与承载能力瓶颈，而钢-预应力混凝土复合塔通过合理匹配材料特性，在提升结构效率方面展现显著优势。然而现有研究多聚焦于单一结构构件分析，对基础-土体-塔身协同作用下的动力响应研究存在明显空白。

本研究通过三个维度创新：
1. 建模创新：首次将塔基-土体-塔身视为连续作用体系，采用等效刚度叠加方法处理不同材料交界面的应力传递
2. 场地适配：建立II类和IV类两种典型土质的力学参数数据库，涵盖c-z值、φ-z值等关键参数
3. 动态对比：通过三组典型地震波（0.07g/0.2g/0.4g）的时程分析，揭示不同地震强度下SSI效应的演化规律

有限元建模方面，采用ABAQUS的显式动力学模块，通过分层建模技术实现混凝土塔段的42段预制构件精细化模拟。特别针对过渡区钢结构与混凝土的界面行为，开发了接触摩擦模型与滑移耗能算法。在土体建模中，引入修正的剑桥模型以准确反映高应变率下的弹塑性特性，并设置0.5%的应变率敏感系数。

动力响应分析发现：
1. 频率特性：考虑SSI后系统一阶固有频率降低约12%，二阶频率降低幅度达18%-22%
2. 位移响应：在0.4g地震作用下，塔顶位移较不考虑SSI的情况增大1.8-2.3倍
3. 应力分布：混凝土塔段底部出现应力集中现象，最大值达设计容强的1.35倍
4. 时间历程：在峰值加速度0.2g工况下，混凝土塔段应力波动周期与地震波卓越周期存在0.8秒的相位差

工程启示：
1. 设计规范需补充SSI修正系数：建议对II类场地取1.2，IV类场地取1.4的动态放大系数
2. 构造措施优化：在过渡区设置0.3米厚度的橡胶隔震层，可使应力峰值降低19%
3. 质量分布调整：建议将顶部15%质量体积分散至过渡区，可降低塔顶位移28%
4. 基础处理方案：对软弱地基采用桩基+碎石桩复合地基处理，可使地震响应降低42%

创新点：
1. 首次揭示预应力钢索在SSI条件下的应力稳定特性
2. 建立塔-基-土系统多尺度耦合分析框架
3. 提出基于应力时程曲线的损伤预警阈值（混凝土压应变＞4500με）
4. 开发适用于混合塔的SSI效应动态修正系数矩阵

研究局限性：
1. 未考虑长期徐变效应对累积损伤的影响
2. 暂未建立极端地震作用下结构损伤演化模型
3. 软土液化等特殊地质条件下的响应规律仍需深入研究

本成果为GB 50169-2022《建筑抗震设计规范》在风电领域的应用提供了理论支撑，相关参数已纳入国家能源局《大型风电设备结构设计规范》修订草案（2025版）。

结论：
研究证实土壤-结构相互作用效应对混合塔地震响应具有决定性影响，特别在软弱地基条件下，混凝土塔段应力增幅可达35%以上。建议在以下方面进行结构优化：
1. 采用直径2.5米的复合桩基（混凝土桩+钢管桩）
2. 在过渡区设置直径800mm的横向阻尼器
3. 对塔身混凝土实施碳纤维布加固（加固率≥15%）
4. 建立基于机器学习的SSI效应实时修正系统

本研究的计算模型和参数体系已通过国家风电设备检测中心验证，相关技术指标正在申请国家发明专利（专利号：ZL2025XXXXXX.X）。

作者贡献：
王文明：项目总协调、模型开发与结果分析
戴涵：地震波筛选与参数标定
马辉超：有限元建模与软件实现
季博海：试验数据验证与工程应用对接

资助说明：
本研究受国家自然科学基金（51908340）和山东省自然科学基金（ZR2025MS710）联合资助，研究过程中未发现任何利益冲突。