國家“千人計劃”專家，金風科技總工程師、海上業務單元總經理，中國海洋工程咨詢協會海上風電分會副會長兼秘書長 翟恩地
現行的海上風電抗震設計方法及存在的問題
目前，在國內外，均缺乏明確的海上風電抗震設計規范及行業標準，陸上的《建筑抗震設計規范》——GB5001，替代性地成為了當前海上風電工程項目抗震設計主要參考的規范之一。海上風電項目抗震設計的現行作法是在GB50011中查得用于抗震設計的地震反應譜。然后結合風機整機支撐結構的各階自然頻率和模態振型，按照GB50011的相關要求，采用振型疊加反應譜法計算地震載荷。或者可通過人工地震波生成技術，將地震反應譜轉化為地震動加速度時程，然后采用時域方法計算地震載荷。得到設計地震載荷后，即可按照相關結構設計規范進行支撐結構的抗震設計。可以看出，地震反應譜作為地震動輸入，是地震載荷的源頭，直接決定了設計地震荷載的量級，對整個支撐結構的抗震設計起到至關重要的作用。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、結構形式及安全等級上均與海上風電支撐結構存在較大差異，所以將GB50011中的地震反應譜用于海上風電抗震設計不可避免的存在以下問題：
1.海上風電支撐結構的自然周期一般在3s-5s之間，而GB50011反應譜針對陸上建筑物，其自然周期一般在0.2s-1s范圍內，與海上風電整機支撐結構的自然周期并不匹配;
2.在缺乏針對海上風電項目場址的地震安全性評估的情況下，用于確定反應譜的設計地震動輸入參數，按照GB50011要求，一般取自《中國地震動參數區劃圖》——GB18306，但是GB18306目前只覆蓋大陸區域，距離海上風電項目場址還有較遠的距離，其中的設計地震動參數用于海上風電項目場址并不準確;
3.GB50011中的標準地震反應譜，是基于II類軟巖場地的反應譜，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系，但該換算關系不能反映實際海上風電項目場址的場地特征;
4.GB50011中的標準地震反應譜，是針對阻尼比為5%的建筑結構物，而海上風電支撐結構的阻尼比，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%阻尼比反應譜轉化為0.5%阻尼比反應譜也存在問題，目前業界尚缺乏公認的換算關系。
國際抗震設計的先進做法
國際上，尤其是美國，在地震工程設計領域，在能源行業已廣泛采用場地相關地震動分析方法，用于評估相關結構地震安全性。對于海上風電這一位于海上場址的、風力發電機組設備及支撐結構成本昂貴的、遭破壞后會影響電力供應的特殊工程項目，可借鑒參考學習國際先進的場地相關地震動分析方法。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公里范圍內的地震斷裂帶的發震機理、發震頻率、發震震級以及與項目場址的距離，結合地震波沿基巖長距離傳輸過程中的衰減關系，結合概率設計理念，計算得到場地相關的地震反應譜;
2.選擇地震加速度時程種子：根據地震條件相似性，及：震級相似、震中距相似、地震發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，并通過反應譜-地震動時程擬合技術，轉化該時程種子，擬合場地相關地震反應譜;
3.場地土層非線性反應分析：依據地勘巖土工程參數，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構抗震設計。
采用以上地震載荷計算方法，可充分考慮特定海上風電項目場址周邊的地震斷層構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電項目場址的設計地震動參數，進而得到場地相關的地震反應譜，用于地震載荷計算。為保證工程設計的安全性，結合美國場地相關地震動分析方法在工程上的應用經驗，對場地相關反應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范譜的80%;
2.0.1s(水平段起點)反應譜值可以取場地相關反應譜在0.1s處的取值，但是不能小于任意大于0.1s周期點的反應譜取值的90%;
3.海上風機支撐結構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，該百分比應該按照JTS 146-2012標準反應譜自然周期處和1s的反應譜值之比確定;
4.1s處的反應譜值，應該取計算出的場地相關反應譜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譜值，應按規范強制性執行，不能低于規范反應譜的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的剪切破壞。然而，該方法計算非常的耗時，而海上風電地震載荷計算要考慮風、浪、流、地震以及風力發電機組運行狀態的排列組合，通常面對成千上萬的載荷計算工況，因此在業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，支撐結構模型只建到泥面，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，采用時程方法進行地震載荷計算。
中國海上風電抗震設計展望
隨著我國海上風力發電的高速發展，海上風力發電在我國的電力供應中將扮演越來越重要的角色。因此，對于位于地震高發地區的海上項目場址，在行業內形成合理的、統一的抗震設計方法刻不容緩。對于這一抗震設計方法，要既能保證抗震設計的安全性，又不因為地震這類罕遇事件而過高抬升海上風力發電建設成本，阻礙海上風力發電的發展，這就需要采用更先進、更精細化的抗震設計方法。采用國際先進的場地相關地震動分析方法，為解決這一難題指明了方向。風機整機制造商應聯合國內的地震研究院所，優勢互補，整合國際海上風電設計標準、國內現有的陸上建筑結構抗震設計標準，并充分學習吸納國際先進的場地相關地震動分析方法，盡快在行業內形成統一的抗震設計標準作法，為我國面臨地震破壞威脅的海上風電項目保駕護航。
