國家“千人計劃”專家，金風(fēng)科技總工程師、海上業(yè)務(wù)單元總經(jīng)理，中國海洋工程咨詢協(xié)會海上風(fēng)電分會副會長兼秘書長 翟恩地
現(xiàn)行的海上風(fēng)電抗震設(shè)計方法及存在的問題
目前，在國內(nèi)外，均缺乏明確的海上風(fēng)電抗震設(shè)計規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，陸上的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》——GB5001，替代性地成為了當(dāng)前海上風(fēng)電工程項目抗震設(shè)計主要參考的規(guī)范之一。海上風(fēng)電項目抗震設(shè)計的現(xiàn)行作法是在GB50011中查得用于抗震設(shè)計的地震反應(yīng)譜。然后結(jié)合風(fēng)機整機支撐結(jié)構(gòu)的各階自然頻率和模態(tài)振型，按照GB50011的相關(guān)要求，采用振型疊加反應(yīng)譜法計算地震載荷。或者可通過人工地震波生成技術(shù)，將地震反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為地震動加速度時程，然后采用時域方法計算地震載荷。得到設(shè)計地震載荷后，即可按照相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行支撐結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。可以看出，地震反應(yīng)譜作為地震動輸入，是地震載荷的源頭，直接決定了設(shè)計地震荷載的量級，對整個支撐結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計起到至關(guān)重要的作用。然而，由于 GB50011主要針對陸上、有人類居住的建筑物，其在建筑功能、結(jié)構(gòu)形式及安全等級上均與海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)存在較大差異，所以將GB50011中的地震反應(yīng)譜用于海上風(fēng)電抗震設(shè)計不可避免的存在以下問題：
1.海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的自然周期一般在3s-5s之間，而GB50011反應(yīng)譜針對陸上建筑物，其自然周期一般在0.2s-1s范圍內(nèi)，與海上風(fēng)電整機支撐結(jié)構(gòu)的自然周期并不匹配;
2.在缺乏針對海上風(fēng)電項目場址的地震安全性評估的情況下，用于確定反應(yīng)譜的設(shè)計地震動輸入?yún)?shù)，按照GB50011要求，一般取自《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》——GB18306，但是GB18306目前只覆蓋大陸區(qū)域，距離海上風(fēng)電項目場址還有較遠的距離，其中的設(shè)計地震動參數(shù)用于海上風(fēng)電項目場址并不準(zhǔn)確;
3.GB50011中的標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜，是基于II類軟巖場地的反應(yīng)譜，雖然GB50011中給出了II類場地向其他III、IV類場地的簡單換算關(guān)系，但該換算關(guān)系不能反映實際海上風(fēng)電項目場址的場地特征;
4.GB50011中的標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜，是針對阻尼比為5%的建筑結(jié)構(gòu)物，而海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的阻尼比，考慮全部鋼材料阻尼、土壤阻尼以及水動阻尼，一般在0.5%至1.2%范圍，如何將5%阻尼比反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為0.5%阻尼比反應(yīng)譜也存在問題，目前業(yè)界尚缺乏公認(rèn)的換算關(guān)系。
國際抗震設(shè)計的先進做法
國際上，尤其是美國，在地震工程設(shè)計領(lǐng)域，在能源行業(yè)已廣泛采用場地相關(guān)地震動分析方法，用于評估相關(guān)結(jié)構(gòu)地震安全性。對于海上風(fēng)電這一位于海上場址的、風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備及支撐結(jié)構(gòu)成本昂貴的、遭破壞后會影響電力供應(yīng)的特殊工程項目，可借鑒參考學(xué)習(xí)國際先進的場地相關(guān)地震動分析方法。該方法一般分為以下幾個步驟：
1.地震安全性評估：基于場地周邊200~300公里范圍內(nèi)的地震斷裂帶的發(fā)震機理、發(fā)震頻率、發(fā)震震級以及與項目場址的距離，結(jié)合地震波沿基巖長距離傳輸過程中的衰減關(guān)系，結(jié)合概率設(shè)計理念，計算得到場地相關(guān)的地震反應(yīng)譜;
2.選擇地震加速度時程種子：根據(jù)地震條件相似性，及：震級相似、震中距相似、地震發(fā)震機制相似以及工程場地土壤覆蓋層條件相似，在實測地震動時程庫中選取地震動時程種子，并通過反應(yīng)譜-地震動時程擬合技術(shù)，轉(zhuǎn)化該時程種子，擬合場地相關(guān)地震反應(yīng)譜;
3.場地土層非線性反應(yīng)分析：依據(jù)地勘巖土工程參數(shù)，對項目場址土壤覆蓋層進行建模，并進行地震動場地土層非線性反應(yīng)分析，模擬地震動加速度時程在土壤覆蓋層中的傳播過程，可考慮各軟弱土層對地震動加速度時程的放大或衰減作用，得到不同土層的地震動加速度時程，該分析一般可采用shake91軟件進行計算;
4.考慮樁-土耦合的非線性時域地震載荷計算：對整個樁基礎(chǔ)及進行建模，在不同土層深度處加載不同地震動時程，并考慮樁-土的相互作用，進行非線性時程計算，得到地震載荷用于支撐結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。
采用以上地震載荷計算方法，可充分考慮特定海上風(fēng)電項目場址周邊的地震斷層構(gòu)造及地震動歷史活動性，并考慮項目場址土壤覆蓋層對地震動加速度時程傳播的影響，綜合評價得到海上風(fēng)電項目場址的設(shè)計地震動參數(shù)，進而得到場地相關(guān)的地震反應(yīng)譜，用于地震載荷計算。為保證工程設(shè)計的安全性，結(jié)合美國場地相關(guān)地震動分析方法在工程上的應(yīng)用經(jīng)驗，對場地相關(guān)反應(yīng)譜需進行以下安全性修正：
1.任何周期處的譜值都不得低于規(guī)范譜的80%;
2.0.1s(水平段起點)反應(yīng)譜值可以取場地相關(guān)反應(yīng)譜在0.1s處的取值，但是不能小于任意大于0.1s周期點的反應(yīng)譜取值的90%;
3.海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)自然周期通常不小于3s，在自然周期處的譜值不能低于1s處譜值的一個百分比，該百分比應(yīng)該按照J(rèn)TS 146-2012標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜自然周期處和1s的反應(yīng)譜值之比確定;
4.1s處的反應(yīng)譜值，應(yīng)該取計算出的場地相關(guān)反應(yīng)譜1s處的譜值與2s處的譜值的2倍的大者;
5.0.1s至場地特征周期的反應(yīng)譜值，應(yīng)按規(guī)范強制性執(zhí)行，不能低于規(guī)范反應(yīng)譜的100%。
另外，在進行地震載荷計算時，建立了樁-土耦合模型，在不同土層加載不同地震加速度時程，更貼近實際情況的地震作用，可以更好的模擬地震對樁基礎(chǔ)的剪切破壞。然而，該方法計算非常的耗時，而海上風(fēng)電地震載荷計算要考慮風(fēng)、浪、流、地震以及風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)的排列組合，通常面對成千上萬的載荷計算工況，因此在業(yè)界通常采用簡化計算方法。相對于建立樁-土耦合模型，在簡化計算方法中，支撐結(jié)構(gòu)模型只建到泥面，并在泥面施加等效線性化的剛度矩陣進行約束。然后，將傳播至泥面的地震動加速度時程，加載在泥面剛度矩陣彈簧外側(cè)，采用時程方法進行地震載荷計算。
中國海上風(fēng)電抗震設(shè)計展望
隨著我國海上風(fēng)力發(fā)電的高速發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電在我國的電力供應(yīng)中將扮演越來越重要的角色。因此，對于位于地震高發(fā)地區(qū)的海上項目場址，在行業(yè)內(nèi)形成合理的、統(tǒng)一的抗震設(shè)計方法刻不容緩。對于這一抗震設(shè)計方法，要既能保證抗震設(shè)計的安全性，又不因為地震這類罕遇事件而過高抬升海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)成本，阻礙海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，這就需要采用更先進、更精細(xì)化的抗震設(shè)計方法。采用國際先進的場地相關(guān)地震動分析方法，為解決這一難題指明了方向。風(fēng)機整機制造商應(yīng)聯(lián)合國內(nèi)的地震研究院所，優(yōu)勢互補，整合國際海上風(fēng)電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)現(xiàn)有的陸上建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并充分學(xué)習(xí)吸納國際先進的場地相關(guān)地震動分析方法，盡快在行業(yè)內(nèi)形成統(tǒng)一的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)作法，為我國面臨地震破壞威脅的海上風(fēng)電項目保駕護航。
