24
29.400
3.344
300
28
26.600
3.412
300
28
23.800
3.479
300
28
21.000
3.547
300
32
18.200
3.614
300
32
15.425
3.680
300
32
12.675
3.747
300
32
19.925
3.813
300
36
17.175
3.879
300
36
14.425
（a）设计模型
（b）有限元模型
图 1 预应力钢筋混凝土风力发电塔架模型 Fig.1 Model of pre-stressed reinforced concrete wind-
turbine tower
表 1 预应力钢筋混凝土风力发电塔架模型参数 Tab.1 Pre-stressed reinforced concrete wind-turbine tower model parameters
测地震波，对预应力钢筋混凝土塔架结构的有限元模型进行了仿真计算，并将时程分析结果与按设计指南提出的地震
反应谱方法得出的设计值进行了比较分析；讨论了安全检查用工作洞口的设置对塔架结构抗震性能的影响；研究了不
同的地震波入射角时塔架结构的地震响应，对该结构的抗震性能进行了详细的分析．结果表明，所提出的预应力钢筋
3. 新纪元综合咨询公司，东京 1250061)
摘 要：随着风力发电机向海上风力发电和单机大容量的趋势发展，预应力钢筋混凝土塔架将有更广阔的前景．为
此，以功率 2 MW 的大型风力发电塔架为例，参考日本土木学会的风力发电塔架结构设计指南，提出了一种预应力钢
筋混凝土塔架的设计方案，建立了结构计算模型，对其动力性能进行了研究，并做了地震响应分析．采用 EL Centro 实
3. New Era Synthetic Consultants Company Limited，Tokyo 1250061，Japan)
Abstract：With the development of offshore wind farm and large-capacity wind turbine，prestressed reinforced concrete tower will have a wide prospect. Based on the guidelines on the design of wind-turbine compiled by Japan Society of Civil Engineers，the design proposed of pre-stressed reinforced concrete tower was put forward and its calculation model was established in the paper. Moreover，the investigation of dynamic behavior and the seismic response analysis of a pre-stressed reinforced concrete tower for a 2 MW wind-turbine were presented. Comparative analysis of the time-history value obtained through simulation calculation using actual measured EL Centro，and the design value obtained by the method of seismic response spectrum presented in the guidelines was carried out. Subsequently， research on seismic behavior of setting up working hole for security inspection was discussed. The seismic response to different-direction earthquake input was studied，and the detailed analysis of seismic behavior was then made. Results indicated that the structure form of pre-stressed reinforced concrete tower could avoid excitation of resonant oscillations resulting from rotor thrust fluctuations，and had a relatively good anti-seismic performance as well. Besides， setting up working hole had no effect on seismic behavior. Some useful conclusions in this thesis would provide a theoretical basis for the design of the pre-stressed reinforced concrete tower. Keywords：wind-turbine；pre-stressed reinforced concrete tower；finite element analysis；seismic analysis
地震荷载对高耸结构的破坏通常是非常严重的， 且由于预应力钢筋混凝土塔架质量大，惯性力较大， 对其抗震更为不利，故对风力发电塔架结构进行地震 响应分析是很有必要的．Bazeos 等[4]以 450 kW 的钢 结构风力发电塔架为原型，建立了细化的有限元模型 和简化的集中质量模型，比较分析了两种模型对于静 态、稳定和地震响应的影响．Lavassas 等[5]以 1,MW 的钢结构风力发电塔架为原型，考虑了塔架和基础的 耦 合 作 用 ，对 塔 架 进 行 了 静 态 、疲 劳 和 地 震 响 应 分 析．李长风[6]建立了“桨叶-塔体-基础”一体化有限 元模型，考虑了土和结构的相互作用，对风力发电塔 架进行了模态分析和地震响应分析．Witcher[7]综合考 虑了风的紊流作用和基础在发生地震时的震动作用， 建立了气动弹性模型，运用 GH Bladed 风力发电机设 计软件，研究了风力发电机在工作状态时的地震响应 分析．
混凝土结构形式不仅可以避免由叶轮脉动激励的共振响应，且具有较好的抗震性能，工作洞口的设置并不影响其抗震
性能．研究结果将为预应力钢筋混凝土塔架的设计提供重要的理论依据．
关键词：风力发电；预应力钢筋混凝土塔架；有限元分析；地震响应分析
中图分类号：TM614
文献标志码：A
文章编号：0493-2137(2011)02-0126-08
第 44 卷 第 2 期 2011 年 2 月
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天津大学学报 Journal of Tianjin University
Vol.44 No.2 Feb. 2011
预应力钢筋混凝土风力发电塔架的地震响应分析
毕继红 1,2，任洪鹏 1，尹元彪 3
(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072； 2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072；
由于预应力钢筋混凝土风力发电塔架具有稳定 性能好、抗腐蚀性能强、维修费用低、节约钢材和现场 加工方便等优点，且随着风力发电机向单机大容量和 海上风力发电发展的趋势，预应力钢筋混凝土塔架将 有更为广阔的前景．相对于钢结构，混凝土高耸结构 的抗震性能较差，为此，针对预应力钢筋混凝土塔架，
笔者在地震响应分析中讨论了工作用洞口的设置对 塔架结构抗震性能的影响，探讨了不同的地震波入射 角时塔架结构的地震响应．结果表明，该塔架具有较 好的抗震性能．
收稿日期：2009-09-02；修回日期：2010-05-20. 作者简介：毕继红（1965— ），女，教授，博士生导师. 通讯作者：毕继红，jhbi@.
万方数据
2011 年 2 月
毕继红等：预应力钢筋混凝土风力发电塔架的地震响应分析
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当今全球面临的能源危机和环境问题促进了风 能等可再生能源的大规模开发利用．为了实现我国 风力发展的宏伟目标，宫靖远[1]详细介绍了风电场设 计、风力发电机组的设计与制造、风电场建设施工等 内容，并指出随着风力发电向单机大容量的发展，出 现了钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的趋势. Singh[2] 设计了一座高 100,m 的预应力钢筋混凝土塔架，指出 此类塔架具有耐疲劳、稳定性能好、低维修和低造价 等 特 点 ，适 于 建 造 在 偏 远 地 区 或 恶 劣 的 环 境 中 ． Reinhard 等[3]认为：塔高超过 85,m 时钢结构塔架将 不能克服自身的振动激励作用；并以德国威廉港附近 的一座功率为 3,MW、塔高 92,m 的预应力钢筋混凝 土塔架为原型，考虑了预应力和风荷载的作用，对塔 架结构进行了非线性分析．
Seismic Analysis of Pre-Stressed Reinforced Concrete Wind-Turbine Tower
BI Ji-hong1,2，REN Hong-peng1，YIN Yuan-biao3
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；