中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震断裂带十分发育。中国地震带主要分布在五个区域:台湾地区、西南地区、西北地区、华北地区、东南沿海地区的23条地震带上。海上风电是风电产业未来发展方向,也是我国能源结构转型的重要支撑,但从当前已建、已核准的海上风电项目以及未来规划来看,很大比例的海上风电场址,正好位于这些地震带附近,潜在存在着较高的地震破坏的风险。因此,合理的抗震设计对于在保证海上风电设备及其支撑结构的安全性的前提下,同时避免支撑结构设计成本显著上升而言十分重要,不容忽视。
现行的海上风电抗震设计方法及存在的问题
目前,在国内、外,均缺乏明确的海上风电抗震设计规范及行业标准,陆上的《建筑抗震设计规范》——GB5001,替代性地成为了当前海上风电工程项目抗震设计主要参考的规范之一。海上风电项目抗震设计的现行作法是在GB50011中查得用于抗震设计的地震反应谱。然后结合风机整机支撑结构的各阶自然频率和模态振型,按照GB50011的相关要求,采用振型叠加反应谱法计算地震载荷。或者可通过人工地震波生成技术,将地震反应谱转化为地震动加速度时程,然后采用时域方法计算地震载荷。得到设计地震载荷后,即可按照相关结构设计规范进行支撑结构的抗震设计。可以看出,地震反应谱作为地震动输入,是地震载荷的源头,直接决定了设计地震荷载的量级,对整个支撑结构的抗震设计起到至关重要的作用。然而,由于 GB50011主要针对陆上、有人类居住的建筑物,其在建筑功能、结构形式及安全等级上均与海上风电支撑结构存在较大差异,所以将GB50011中的地震反应谱用于海上风电抗震设计不可避免的存在以下问题:
1. 海上风电支撑结构的自然周期一般在3s-5s之间,而GB50011反应谱针对陆上建筑物,其自然周期一般在0.2s-1s范围内,与海上风电整机支撑结构的自然周期并不匹配;
2. 在缺乏针对海上风电项目场址的地震安全性评估的情况下,用于确定反应谱的设计地震动输入参数,按照GB50011要求,一般取自《中国地震动参数区划图》——GB18306,但是GB18306目前只覆盖大陆区域,距离海上风电项目场址还有较远的距离,其中的设计地震动参数用于海上风电项目场址并不准确;
3. GB50011中的标准地震反应谱,是基于II类软岩场地的反应谱,虽然GB50011中给出了II类场地向其他III、IV类场地的简单换算关系,但该换算关系不能反映实际海上风电项目场址的场地特征;
4. GB50011中的标准地震反应谱,是针对阻尼比为5%的建筑结构物,而海上风电支撑结构的阻尼比,考虑全部钢材料阻尼、土壤阻尼以及水动阻尼,一般在0.5%至1.2%范围,如何将5%阻尼比反应谱转化为0.5%阻尼比反应谱也存在问题,目前业界尚缺乏公认的换算关系。
国际抗震设计的先进作法
国际上,尤其是美国,在地震工程设计领域,在能源行业已广泛采用场地相关地震动分析方法,用于评估相关结构地震安全性。对于海上风电这一位于海上场址的、风力发电机组设备及支撑结构成本昂贵的、遭破坏后会影响电力供应的特殊工程项目,可借鉴参考学习国际先进的场地相关地震动分析方法。该方法一般分为以下几个步骤:
1. 地震安全性评估:基于场地周边200-300公里范围内的地震断裂带的发震机理、发震频率、发震震级以及与项目场址的距离,结合地震波沿基岩长距离传输过程中的衰减关系,结合概率设计理念,计算得到场地相关的地震反应谱;
2. 选择地震加速度时程种子:根据地震条件相似性,及:震级相似、震中距相似、地震发震机制相似以及工程场地土壤覆盖层条件相似,在实测地震动时程库中选取地震动时程种子,并通过反应谱-地震动时程拟合技术,转化该时程种子,拟合场地相关地震反应谱;
3. 场地土层非线性反应分析:依据地勘岩土工程参数,对项目场址土壤覆盖层进行建模,并进行地震动场地土层非线性反应分析,模拟地震动加速度时程在土壤覆盖层中的传播过程,可考虑各软弱土层对地震动加速度时程的放大或衰减作用,得到不同土层的地震动加速度时程,该分析一般可采用shake91软件进行计算;
4. 考虑桩-土耦合的非线性时域地震载荷计算:对整个桩基础及进行建模,在不同土层深度处加载不同地震动时程,并考虑桩-土的相互作用,进行非线性时程计算,得到地震载荷用于支撑结构抗震设计。
采用以上地震载荷计算方法,可充分考虑特定海上风电项目场址周边的地震断层构造及地震动历史活动性,并考虑项目场址土壤覆盖层对地震动加速度时程传播的影响,综合评价得到海上风电项目场址的设计地震动参数,进而得到场地相关的地震反应谱,用于地震载荷计算。为保证工程设计的安全性,结合美国场地相关地震动分析方法在工程上的应用经验,对场地相关反应谱需进行以下安全性修正:
1. 任何周期处的谱值都不得低于规范谱的80%;
2. 0.1s(水平段起点)反应谱值可以取场地相关反应谱在0.1s处的取值,但是不能小于任意大于0.1s周期点的反应谱取值的90%;
3. 海上风机支撑结构自然周期通常不小于3s,在自然周期处的谱值不能低于1s处谱值的一个百分比,该百分比应该按照JTS 146-2012标准反应谱自然周期处和1s的反应谱值之比确定;
4. 1s处的反应谱值,应该取计算出的场地相关反应谱1s处的谱值与2s处的谱值的2倍的大者;
5. 0.1s至场地特征周期的反应谱值,应按规范强制性执行,不能低于规范反应谱的100%。
另外,在进行地震载荷计算时,建立了桩-土耦合模型,在不同土层加载不同地震加速度时程,更贴近实际情况的地震作用,可以更好的模拟地震对桩基础的剪切破坏。然而,该方法计算非常的耗时,而海上风电地震载荷计算要考虑风、浪、流、地震以及风力发电机组运行状态的排列组合,通常面对成千上万的载荷计算工况,因此在业界通常采用简化计算方法。相对于建立桩-土耦合模型,在简化计算方法中,支撑结构模型只建到泥面,并在泥面施加等效线性化的刚度矩阵进行约束。然后,将传播至泥面的地震动加速度时程,加载在泥面刚度矩阵弹簧外侧,采用时程方法进行地震载荷计算。
中国海上风电抗震设计展望
随着我国海上风力发电的高速发展,海上风力发电在我国的电力供应中将扮演越来越重要的角色。因此,对于位于地震高发地区的海上项目场址,在行业内形成合理的、统一的抗震设计方法刻不容缓。对于这一抗震设计方法,要既能保证抗震设计的安全性,又不因为地震这类罕遇事件而过高抬升海上风力发电建设成本,阻碍海上风力发电的发展,这就需要采用更先进、更精细化的抗震设计方法。采用国际先进的场地相关地震动分析方法,为解决这一难题指明了方向。风机整机制造商应联合国内的地震研究院所,优势互补,整合国际海上风电设计标准、国内现有的陆上建筑结构抗震设计标准,并充分学习吸纳国际先进的场地相关地震动分析方法,尽快在行业内形成统一的抗震设计标准作法,为我国面临地震破坏威胁的海上风电项目保驾护航!
