多级混合阻尼器在单桩海上风电塔抗震性能提升中的创新设计与实验验证

针对单桩海上风电塔(MOWT)在强震下的结构安全问题，研究人员提出了一种集成棱柱带装置(PSD)和可变摩擦装置(VFDs)的多级混合阻尼器(MSHD)。通过6组概念验证试件的滞回实验，证实该装置具有稳定的多级耗能机制，理论模型与试验结果高度吻合。系统分析表明，装备MSHD的风电塔(MOWT-MSHD)较传统结构能量耗散能力提升30%以上，为海上风电工程抗震设计提供了创新解决方案。

　　

随着全球风电装机容量突破1051GW，海上风电建设向地震活跃区延伸带来严峻挑战。研究表明，单桩海上风电塔(MOWT)在强震下易发生塔基局部屈曲和上部塔段破坏，其失效概率与风浪荷载相当。传统抗震设计难以兼顾结构安全与发电效率，亟需创新解决方案。

针对这一难题，重庆大学等机构的研究团队在《Ocean Engineering》发表最新成果，提出一种革命性的多级混合阻尼器(MSHD)。该装置通过棱柱带装置(PSD)的金属屈服耗能和可变摩擦装置(VFDs)的摩擦耗能协同工作，首次将多级预防理念引入风电结构抗震领域。研究团队采用概念设计-实验验证-数值模拟-工程应用的全链条研究方法，设计6组不同参数的试件进行滞回性能测试，建立理论模型和简化数值模型，最终完成装备MSHD的风电塔(MOWT-MSHD)系统级抗震评估。

关键技术包括：1) 楔形摩擦板角度(tanθ=0.3)和预紧力(35kN)控制的VFDs参数化设计；2) 基于钢带宽度(B)和高宽比(h/B)调整的PSD塑性变形调控；3) 采用Belleville弹簧组(BSG)实现摩擦力的自适应性；4) 非线性静动力分析评估系统抗震性能。

研究结果显示：
基本概念验证：MSHD成功实现金属耗能阶段(PSD主导)和摩擦耗能阶段(VFDs主导)的协同工作，滞回曲线呈典型"旗帜形"。
实验现象观察：M系列试件在±50mm位移循环下，PSD产生明显塑性铰，VFDs摩擦界面出现均匀磨损，无螺栓松动现象。
滞回模型建立：理论模型准确预测三线性特征，屈服力F_A=Nσ_ytB²/2h，初始刚度K₁=cNEtB³/h³，软化段刚度K₂=0.035K₁。
工程应用验证：MOWT-MSHD在长周期地震下，塔底弯矩降低40%，位移延性系数提升至6.8，显著优于传统结构。

该研究突破传统风电塔单一耗能模式局限，通过MSHD实现"小震不坏、中震可修、大震不倒"的多级抗震目标。创新过渡段(TP)设计整合球形支座与阻尼器，既保证正常运营时的刚度需求，又能在强震下激活多级耗能机制。相比现有技术，MSHD使结构累积耗能提高2.3倍，且无需外部能源输入，特别适合远离岸线的海上环境。研究成果为海上风电工程抗震设计提供了新范式，对保障清洁能源基础设施安全具有重要工程价值。