一种适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法

本发明涉及一种地震动模拟方法，特别是一种适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法。

背景技术：

1、风力发电因其稳定性、实用性和环保性，近年来已取得飞速发展，特别是在我国沿海地区建立了大量海上风电场。风电结构(如风力发电塔筒)是一种细长的高耸结构，其顶部具有较大的质量，基本周期往往比较长，在不同地震动作用下往往呈现复杂多变的破坏模式，所以海上风电的抗震问题尤为重要。

2、由于海底实测地震动数据的缺乏以及尚未有专门针对海上风电结构的抗震设计规范，如今的海上风电抗震分析大都使用陆上地震动记录进行计算。而许多研究表明，由于海水层、海底土层等的影响，海域地震动与陆地地震动特性有显著差别，传统的针对陆地风电结构的抗震性能分析方法并不适用于海上风电结构抗震性能的研究。因此，开展海域地震动模拟是一种有效的解决方案。海上风电场在受到地震作用时，由于地震动不同点处地震波到达时间不同导致的行波效应以及地震波传播途中发生折射和反射导致的相干效应，不同位置的风电塔的地震波之间存在比较大的差异，因此对海域地震动的模拟不仅需要考虑海水层的影响，还要考虑其空间效应。一些学者为了考虑地震动的空间效应，使用行波法，相干函数，谱表示法等进行空间变化地震动模拟，但这些方法都是针对陆地场地得到的，还未考虑海域地震动特性以及海水层和海底土层的影响。显然，亟需发展一种适用于海上风电抗震分析、且能够考虑空间效应的地震动模拟方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决海域地震动记录缺乏，而套用陆地地震动模拟方法来开展海上风电结构抗震分析的缺陷，提出了一种适用于海上风电场抗震分析的海域地震动模拟方法。

2、本发明采取的技术方案是：一种适用于海上风电场抗震分析的海域地震动模拟方法，包括如下步骤：

3、步骤s1：计算海水层和基岩动力刚度矩阵，基于动力平衡方程求得上覆海水层基岩场地地震动传递函数；

4、步骤s2：基于平均反应谱与风电塔设计谱偏差最小的地震动选取标准，统计回归建立针对分位数谱的dmf模型，对规范中阻尼比为5％的标准反应谱进行修正，再根据修正后的地震动反应谱确定地震动功率谱密度函数；

5、步骤s3：基于传递函数，功率谱密度函数，以及相干损失函数计算空间变化的地震动功率谱密度矩阵；

6、步骤s4：在频域内模拟地震动，使用傅里叶逆变化，乘以形状函数得到非平稳的地震动加速度时程；

7、步骤s5：将模拟的地震动作为风电抗震的输入，进而进行海上风电结构地震响应分析。

8、进一步地，步骤s1中：设海水为不能承受剪应力的理想流体，只能传播压缩波(p波)不能传播剪切波(s波)，采用流体质量守恒方程、欧拉方程、热力学方程表达地震激励作用下的运动，求解偏微分方程得到海水层顶部和底部质点的位移和应力表达式，进而基于位移和荷载之间的关系得到动力刚度矩阵和动力平衡方程；集合动力刚度矩阵和动力平衡方程求解得上覆海水层基岩场地地震动传递函数。

9、进一步地，在步骤s3中，基于步骤s2中得出的反应谱求解功率谱密度函数：

10、

11、式中，ξ为阻尼比，为地震加速度反应谱，td为地震持时，p为未超越目标反应谱的概率；ω表示圆频率；

12、场地点a处的自功率谱密度函数为：

13、saa(ω)＝|ha(iω)|2sbr(ω)；

14、式中，|ha(iω)|表示点a的地震动传递函数，sbr(ω)表示基岩自由表面地震动功率谱密度函数；i表示虚数单位；

15、点a和b之间的地震动互功率谱密度函数sab(iω)为：

16、

17、式中，上标*表示复数共轭；ha(iω)表示点a处的地震动传递函数，描述了地震波从基岩传递到点a处时的变化；表示点b处的地震动传递函数的复共轭，用于处理地震动信号在频域中的相位和幅值关系；γa′b′(iω)表示基岩点a和b之间的相干损失函数；

18、从而可以得到场地内n个点的地震动功率谱密度函数矩阵s(iω)：

19、

20、进一步地，在步骤s4中，将步骤s3中得到地震动功率谱密度函数矩阵进行分解，得到一个复数下三角矩阵l(iω)以及一个hermitian矩阵lh(iω)：

21、s(iω)＝l(iω)lh(iω)；

22、即可在频域内模拟点a处的地震动：

23、

24、

25、

26、式中，bam(ωn)为模拟地震动的振幅，αam(ωn)为模拟地震动的相位角，△ω为频率的间隔，lam(iωn)为矩阵l(iω)中对应于频率ωn及位置am的元素，包含了地震动的幅值和相位信息，其中a表示特定的空间点，m表示对应的频率分量；为区间为[0,2π]内均匀分布的随机变量；分子im[lam(iωn]表示lam(iωn)的虚部；分母re[lam(iωn]表示lam(iωn)的实部；

27、对ua(iωn)使用傅里叶逆变换得到时域内点a处的平稳地震动加速度ua(t)，乘以强度包络函数得到最终模拟点a的非平稳地震动加速度。

28、进一步地，在步骤s5中，在opensees软件中建立风电结构的有限元模型，将模拟得到的地震动加速度时程作为输入，计算风电结构在地震作用下塔顶位移、塔顶加速度、塔底内力等结构响应。

29、本发明具有以下优点和效果：

30、本发明提出了一种适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，解决海域地震动记录缺乏，而套用陆地地震动模拟方法来开展海上风电结构抗震分析的缺陷，考虑了风电结构低阻尼比的工程特性，体现了风电场内的空间变异性，为海上风电结构地震响应分析和抗震验算设计提供更准确的地震动输入。

技术特征：

1.一种适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，其特征在于，步骤s1中：设海水为不能承受剪应力的理想流体，只能传播压缩波不能传播剪切波，采用流体质量守恒方程、欧拉方程、热力学方程表达地震激励作用下的运动，求解偏微分方程得到海水层顶部和底部质点的位移和应力表达式，进而基于位移和荷载之间的关系得到动力刚度矩阵和动力平衡方程；集合动力刚度矩阵和动力平衡方程求解得上覆海水层基岩场地地震动传递函数。

3.根据权利要求1所述的适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，其特征在于，在步骤s3中，基于步骤s2中得出的反应谱求解功率谱密度函数：

4.根据权利要求1所述的适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，其特征在于，在步骤s4中，

5.根据权利要求1所述的适用于海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，其特征在于，在步骤s5中，在opensees软件中建立风电结构的有限元模型，将模拟得到的地震动加速度时程作为输入，计算风电结构在地震作用下塔顶位移、塔顶加速度、塔底内力。

技术总结本发明涉及一种海上风电抗震分析的海域地震动模拟方法，包括以下步骤：步骤S1：计算上覆海水层基岩场地地震动传递函数；步骤S2：基于统计回归得到的DMF模型修正设计反应谱，进而计算地震动功率谱密度函数；步骤S3：计算空间变化的地震动功率谱密度矩阵；步骤S4：在频域内模拟地震动，使用傅里叶逆变化，乘以形状函数得到非平稳的地震动加速度时程；步骤S5：将模拟的地震动作为输入进行风电结构地震响应分析。本发明是为了解决海域地震动记录缺乏，而套用陆地地震动模拟方法来开展海上风电结构抗震分析的缺陷，为海上风电结构地震响应分析和抗震验算设计提供更准确的地震动输入。技术研发人员：吴孟桃,苏琪博,李弢,戴靠山,李建波,王健泽,巴振宁,徐军受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4