近场与远场地震下运行中风力发电机的动力响应 —— 基于风洞与振动台联合试验的实验研究摘要

文献来源：Ma, B., Zhou, A., & Lin, K. (2026). Dynamic response of operating wind turbines under near-field and far-field earthquakes: experimental study through combined wind tunnel and shaking table tests. Thin-Walled Structures, 218, 113943.

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研究背景与目的

        运行中的风力发电机是典型的高柔、高耸结构，服役期内可能同时承受风荷载与地震作用。2016年熊本地震中运行风机塔筒屈曲破坏的实震记录表明，风-震耦合效应不可忽视。然而，现有研究多通过数值模拟或单一振动台试验展开，难以真实还原运行工况下的气动-地震联合作用。本文基于风洞与振动台联合试验（WTST），系统对比了近场与远场地震动作用下运行风机的动力响应差异，旨在为抗震设计提供更可靠的试验依据。

试验方法

        以NREL 5MW风机为原型，按1:100缩尺比制作高精度模型，在哈尔滨工业大学（深圳）WTST平台开展试验。选取Chi-Chi地震波（近场脉冲型）与Superstition地震波（远场非脉冲型）作为输入，于风机运行状态下同步施加风荷载与多向地震动，实测机舱位移、塔筒加速度及塔底弯矩等关键响应指标。

图1.  风洞与振动台联合WTST缩尺模型（1：100）

图2.  实验平台细节展示

关键结论

（1）近场地震动激发更强烈的瞬态响应。近场脉冲型地震动的速度脉冲效应向结构输入集中能量，导致机舱位移、加速度放大系数及塔底弯矩峰值均显著高于远场工况，塔顶加速度放大系数可达3~4倍，近断层区域风机塔筒面临更为严峻的强度挑战。

（2）远场地震动的累积损伤效应不容忽视。远场地震动虽峰值响应较低，但具有低频成分丰富、持时长的特点，对风机塔筒的累积位移贡献显著，长期循环加载可能加速塔筒连接部位的疲劳损伤。

（3）运行工况下风-震耦合效应显著放大结构响应。风荷载与地震动的同步作用使机舱累计位移远大于停机工况，风荷载不仅增大侧向力，还通过叶片气动阻尼改变结构动力特性，现行设计规范中“风震取包络”的思路偏于不安全，建议按组合工况验算。

（4）机舱是地震响应的集中放大部位。塔顶加速度放大效应突出，机舱及内部设备的锚固与隔震设计是保障震后功能可恢复的关键环节。

思考总结

        本试验方法验证了WTST联合试验在风-震耦合研究中的可行性，但模型地基采用刚性连接，未考虑桩-土相互作用，实际软土场地中结构响应可能更为显著。后续研究可在此基础上引入土-结构相互作用（SSI）及湍流风场，以进一步完善近、远场地震下的风机抗震设计谱。该研究工作的最大亮点在于充分利用缩尺模型还原真实工况，非标化的科研设备设计定制将复杂且庞大的工程场景搬进了实验室内，让工况的复现和关键数据的采集分析成为可能。