TLCD减震系统在CFDST复合风电塔筒中的地震振动控制研究

针对大兆瓦风电塔筒(CFDST)传统钢结构抗震不足的问题，研究人员通过1:20缩尺模型振动台试验，对比分析了混凝土填充双壁钢管(CFDST)与钢塔的抗震性能，并评估调谐液体柱阻尼器(TLCD)的减震效果。结果表明：CFDST塔筒位移/加速度响应降低显著，TLCD减震效率随PGA增大而提升，截面优化与TLCD联用可实现加速度最大降低66.7%。该研究为高耸风电结构抗震设计提供了实验依据。

　　

随着风电单机容量突破5MW级，塔筒高度突破百米大关，传统钢制风电塔筒(Wind Turbine Tower, WTT)在强震作用下暴露出刚度不足、振动过大的致命缺陷。2024年超强台风"野格"登陆中国南方导致多座钢塔倒塌，2016年日本熊本地震更引发风机塔筒屈曲失效——这些触目惊心的案例揭示：当风电设施向地震带和沿海地区扩张时，抗震设计已成为制约行业发展的卡脖子难题。混凝土填充双壁钢管(Concrete-Filled Double-Skin Steel Tube, CFDST)凭借其空心率达0.9的轻量化设计、较传统钢结构提升30%的抗弯刚度，被视为新一代风电塔筒的理想材料。但学界对其整体抗震性能的认识仍停留在构件层面，更缺乏与调谐液体柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)协同减震的系统研究。

针对这一空白，兰州理工大学的研究团队以NREL 5MW风机为原型，创新性地设计了4组1:20缩尺模型——包含2组CFDST塔筒和2组钢塔，其中各类型塔筒均设置TLCD设备组与无控对照组。通过模拟地震振动台试验，首次揭示了CFDST-TLCD复合系统的减震机理。研究发现：在0.2-0.6g峰值地面加速度(PGA)条件下，CFDST塔筒顶部位移响应较钢塔降低42.3%-57.5%，应变幅值下降超50%；TLCD的减震效率呈现显著地震波依赖性，对El Centro波作用下的加速度抑制效果可达66.7%，但对Kobe波仅实现38.2%的减震率。更关键的是，当TLCD与CFDST截面优化联用时，系统阻尼比提升至6.8%，较单一措施增效1.7倍。

研究采用三大关键技术：基于相似理论的缩尺模型设计（几何相似比1/20，弹性模量相似比1/1.5）；考虑叶片气动效应的白噪声扫频法识别固有频率；多参数同步采集系统（200Hz采样率监测加速度/位移/应变）。振动台输入包含El Centro、Kobe和人工波三种地震波，PGA梯度设置为0.1g-0.6g。

【Scaled model design】
通过调整CFDST内外钢管径厚比（外管D/t=120，内管d/t=80）并填充C40微混凝土，使模型第一阶频率(3.12Hz)与原型满足动力相似。TLCD采用U型有机玻璃管设计，液体质量比控制在0.8%。

【Dynamic characteristics】
白噪声扫频显示：CFDST模型基频(3.15Hz)较钢塔(2.78Hz)高13.3%，且随PGA增加频率衰减率低1.2个百分点，证明其刚度退化缓慢。TLCD安装后两类塔筒频率偏移均<2%，说明附加质量效应可忽略。

【Conclusions】
该研究证实：CFDST塔筒通过内外钢管与混凝土的复合作用形成"三明治"抗侧力体系，其损伤主要集中在塔底焊缝区域而非母材；TLCD通过液体晃荡耗能可有效抑制高阶振型响应，但对第一阶振型的控制需结合U型管开孔率优化。这些发现为《可再生能源发展"十四五"规划》中"海上风电抗灾能力提升工程"提供了关键技术路径。

值得关注的是，研究团队在讨论部分指出：现行TLCD设计规范未考虑地震波频谱特性影响，建议未来建立基于反应谱的TLCD参数优化数据库。该成果已应用于中国首个200米级CFDST风电塔筒示范工程，为全球高地震风险区风电建设提供了中国方案。