张春文1 胡显昊2
联创新锐设计顾问（武汉）有限公司 湖北 武汉 430030
【摘 要】随着世界各国对环境问题认识的不断深入，风电建设也在不断发展，其支撑结构的安全事故也越来越多，风电支撑结构的安全性研究成为重要的课题。本文分析了风机选址的几种主要因素对支撑结构安全性的影响，应用ANSYS有限元着重对比分析了北方塔架的裹冰效应的影响。
【关键词】支撑结构；安全性；ANSYS有限元
1.引言
目前，国内对风力发电支撑结构使用阶段出现的安全问题的研究相对较多。章子华教授对支撑结构进行时程模拟[1]，研究了台风作用下的破坏形式。马人乐教授研究了螺栓松动破坏、基础混凝土破碎以及整体倾覆等对风力发电支撑安全性的影响[2]。然而，风机选址对支撑结构的安全性影响的研究还很少。
2风机选址对支撑结构的安全性的影响
在工程实际中，风机选址对风力发电支撑结构安全性影响较大的几个因素包括：不良地质引起的基础沉降、北方严寒天气的裹冰作用以及海上风电的氯离子侵蚀效应。
2.1不良地质引起的基础沉降
大、中型的风电场工程的场址多位于荒滩、丘岭、沿海滩涂和近海区域等。由于风力发电机组为承受特殊荷载的高耸建筑物，机组塔架基础所承受的荷载不同于一般高耸建筑物基础所承受的荷载，采用的基础结构形式和地基处理方案都较为复杂。因此，针对不同地基基础条件，采用不同的基础形式，已经成为风机基础设计面临的主要问题，风力发电机基础安全稳定的设计是保证风力发电机机组安全运行的前提。
2.2北方严寒天气的裹冰作用
2008年我国华东、华南大部分地区发生了严重的雪灾。此次灾害对电力设施破坏严重，很多输电塔架发生倒塌破坏。输电铁塔倒塌地段覆冰最厚达到50mm，远远高于设计时规范规定。如此严重的覆冰荷载在风作用下使导线产生很大张力，加上铁塔本身的覆冰使其结构倒塌。为此，太原理工大学的李海旺教授做过裹冰作用下输电塔架的动力特性研究[4]；然而，国内外对风力发电机塔筒裹冰作用的研究极少。输电塔架与风机塔架非常类似，具有一定的借鉴意义。
风力发电机为高耸建筑物，按照《高耸结构建筑规范》[3]，应考虑风机表面裹冰后所引起的荷载及挡风面积增大的影响。规范要求裹冰厚度的推荐值，重裹地区10-20mm，轻裹地区5-10mm。然而，根据实际监测情况，结构裹冰厚度可能远超该推荐值。
2.2.1风电塔架裹冰作用分析
应用ANSYS有限元对塔架裹冰作用进行分析，其中筒体采用SHELL181单元。塔筒高度70m，底部直径为4.2m，顶部直径为2.6m，根据实际情况，分无裹冰和不同裹冰厚度共7种情况进行模态分析，取前10阶固有频率统计如表2-1。
表2-1 不同裹冰厚度下的自振频率
由比较分析可以得到：风电塔架与输电塔架自振频率随振型数变化的规律基本相同。有裹冰与无裹冰比较，频率值相差很大。尤其在裹冰厚度达到30 mm及以上时，频率值相差很大，即使结构一样但动力性能相差很大。裹冰厚度最大值取到60 mm远远高于规范的限值，但与雪灾的实际情况相符。
风电塔架自振频率明显小于同阶输电塔架，输电塔架的自振频率随着裹冰厚度的增加降低幅度大一些，当裹冰厚度为10mm时，输电塔架频率减小幅度为8.8%，而风电塔架为3%；当裹冰厚度为30 mm时，输电塔架频率减幅度为21.1%，而风电塔架为8%；当裹冰厚度达到60 mm时，输电塔架频率减幅度为33%，而风电塔架为16.3%；
裹冰厚度的不断增加改变了塔架的动力特性，这也是塔架倒塌破坏的一个重要原因。深入研究塔架的动力特性，找出灾害荷载的作用机理并进行防灾减灾对我们这样一个自然灾害频发的大国来说有重要意义。
2.2.3海上风电的氯离子侵蚀效应
随着海上风力发电的快速发展，其安全性问题越来越多，与陆地风机相比，其显著特点是基础受到海水的侵蚀作用。海洋中的海水通常含有3%的盐，其中主要是氯离子，氯离子对基础混凝土的侵蚀作用主要分为4种[5]，毛细管作用；渗透作用；扩散作用；电化学迁移。
混凝土结构腐蚀防护方法应针对结构使用功能和所处海洋环境，可采用以下方法：选择合理的结构型式和施工工艺，避免结构形成锈蚀通道；改善混凝土自身性能，采用抗腐蚀性及抗渗性良好的高性能混凝土；适当增大混凝土保护层厚度；采用混凝土表面涂层、钢筋阻锈剂及环氧涂层钢筋等特殊防腐蚀方法。
3.结论
本文结合常见工程事故，对风机选址的几种主要的安全因素进行了综合分析，不良地质条件引起风机的基础沉降过大，造成塔架倒塌、整体倾覆等安全性问题；裹冰厚度达到30mm时，塔架自振频率下降8%以上，对动力特性影响较大，设计中应参考雪灾出现的裹冰厚度，在考虑到经济的前提下适当增加裹冰厚度；海上风电桩基础易受到氯离子侵蚀作用，必须考虑其强度及耐久性的降低。
参考文献：
[1]马人乐，黄冬平.风电结构亚健康状态研究.特种结构，2014，4（31）：1-4
[2]章子华，周易，诸葛萍.台风作用下大型风电结构破坏模式研究.振动与冲击，2014，14（33）：143-148
[3]GB50135-2006 高耸结构设计规范
[4]李海旺，陈开璇.输电塔架的动力特性分析.钢结构，2008，23（11）：23-26
[5]刘文军，王军强.氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀分析.混凝土，2007，4：20-22
论文作者:张春文1,胡显昊2
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第10期
论文发表时间:2016/9/1
标签：结构论文; 厚度论文; 风机论文; 风电论文; 作用论文; 频率论文; 基础论文; 《低碳地产》2016年第10期论文;