主余震序列作用下风力发电塔架结构的地震损伤研究

主震对于风电结构造成既定损伤后,余震的发生又会对结构造成“二次伤害”,进而使得只采用传统抗震设计方法的风电结构偏于不安全。为量化分析余震对于风电塔架结构的附加损伤,该文首先从美国太平洋地震中心选取了25条原始主余震序列,并基于重复法、随机法和衰减法来人工构造75条主余震地震动序列作为输入;其次,在建立风电塔架结构的有限元模型的基础上,提出了基于钢材疲劳累积损伤理论的余震附加损伤系数来定量描述余震引起的附加损伤,并对比分析了以上三种人工构造主余震的方法对于余震附加损伤的影响;最后,结合增量动力分析,探讨了主余震的峰值加速度及主余震峰值加速度的比值对于余震引起的附加损伤及风电塔架结构的动力响应的影响。研究结果表明:相较主震序列,余震序列的位移敏感区的分布区间更广,而加速度敏感区的分布区间更窄;采用衰减法来人工构造主余震序列最接近天然主余震序列的工况;余震附加损伤系数的变化规律依赖于主余震的峰值加速度比和具体风电塔架结构的主要能量耗散形式,其在非倒塔状态下的非主要能量耗散部分的变化不大,而在倒塔状态下的主要能量耗散部分则有激增现象。

基于无人机及YOLOX视觉算法的大跨度钢结构吊装过程位移监测

在大跨度钢结构吊装施工过程中,节点位移及结构变形关系到吊装施工的安全和质量。对于传统接触式监测方法存在的耗时、耗力且维护费用高等问题,提出了一种以无人机为载体的非接触式监测方式。首先,针对大跨度钢结构吊装过程中无人机近距采集视角受限的问题,采用Harris图像拼接算法进行全景拼接,并与图像加权融合相结合,消除图像拼接中产生的不利光标及拼接缝,实现整体、高精度的大跨度结构图像的无缝拼接;其次,采用加入卷积块注意力机制(convolutional block attention module, CBAM)的YOLOX视觉算法解决复杂背景下不同像素面积的小目标图像识别、坐标提取和位移监测;最后,对四种不同检测模型进行对比评估,并通过对比实验室不同工况试验和实际工程验证该方法在施工环境下对大跨度钢结构测点位移监测的可行性。试验结果表明,加入CBAM注意力机制的YOLOX检测模型的平均精度及置信度均优于其他三种网络模型,且视觉识别的位移信息与Leica全站仪的误差均在亚毫米级内,满足实际工程精度的要求,实现了复杂背景下的小目标位移监测,具备较高的经济效益和广泛的应用前景。

创新时代下桥梁美学课程教学模式实践与探索

桥梁美学课程建设对培养桥梁技术创造力和美学创新素养兼备的综合型人才至关重要。为了落实立德树人根本任务,改变传统教学模式,提高学生的学习兴趣和创作参与感,积极探索创新时代下桥梁美学课程教学模式,提出了“以学生为中心”的BOPPPS教学设计方法,建立了以改革为导向的线上线下混合式教学模式,开展了以工程实践为指导的项目式教学,增加了以新技术为牵引的直播教学,整个教学中贯穿了“浸入式”课程思政。通过教学方法的综合应用,提升学生的课堂参与感和获得感,培养学生对桥梁技术与艺术结合的综合思维创新能力,促进作品设计的丰富性和表现力。此外,从桥梁美学专业课衍生出桥梁文化与美学通识课,让更多的学生掌握桥梁文化和美学知识,增强民族自豪感和文化自信。创新时代下,通过探索和实践桥梁美学课程的教学模式,为我校道路桥梁与渡河工程专业的教育教学质量稳步提升提供了保障,同时也为培养具备技术创新能力和美学素养的综合型创新人才奠定了基础。

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。

基于DSST计算机视觉算法的风力机叶片动力特性测试

针对传统风力机叶片监测以人巡检为主耗时、费力且效率低下的问题,提出一种基于计算机视觉的风力机叶片动力特性自动识别方法。首先,对比颜色匹配算法、模板匹配算法和分辨尺度空间跟踪器(DSST)算法的性能,提出基于DSST动力特性识别算法,并对其性能进行对比分析;其次,结合叶片振动视频,利用叶片固有角点或边缘进行跟踪,在叶片表面无附加任何标志物的情况下,识别风力机叶片的动态位移;最后,基于视觉方法识别风力机叶片的动态数据对叶片结构进行评估,并与传统监测手段分析结果进行试验对比。结果表明:采用基于DSST计算机视觉算法可准确识别风力机叶片的动力特性,并在时域和频域均有较高精度,可为风力机叶片的状态评估提供依据。

可更换耗能板自复位梁柱节点静力性能研究

为提高装配式结构梁柱节点自复位性能和安装便捷性,基于损伤控制、震后更换和模块化装配的设计理念,提出了一种新型可更换弧形耗能板栓接自复位梁柱节点。建立了焊接节点、螺栓连接节点、狗骨形耗能板自复位节点以及新型可更换弧形耗能板自复位节点的精细化有限元模型,对其静力性能进行对比分析,并研究了所提新型连接节点的钢绞线初始预紧力大小、弧形耗能板的半径和厚度以及耗能板构造形式等参数对节点的承载力、自复位特性和耗能性能影响规律。研究表明:提出的新型节点初始刚度与焊接节点刚度基本相同,最大承载力优于焊接和栓接节点;新型节点的滞回曲线呈“旗帜形”,表现出良好的自复位性能;钢绞线初始预紧力太大会降低节点自复位性能;弧形耗能板的厚度和半径可调控节点承载力、自复位性能以及耗能能力;较狗骨形耗能板,弧形耗能板对自复位节点主体结构有更好的保护作用。

基于光流法和无人机的大型风力机结构动力特性测试

针对大型风力机结构以人工检测为主费时耗力且危险的劣势,提出一种基于光流法和无人机的大型风力机结构动力特性识别方法.首先研究无人机空间悬停振动规律,提出基于背景不动点结合自适应比例因子的无人机镜头空间位移补偿方法;其次,使用无人机拍摄风力机结构在摆振与挥舞方向的振动视频,采用光流法对监测点进行视觉跟踪得到其位移响应,并与传统监测方法进行时域与频域信息的对比分析;最后,结合分段监测方法识别风力机结构全局模态振型,并通过振动台试验进行验证.结果表明,背景不动点结合自适应比例因子的位移补偿方法有效地解决了无人机悬停过程中由于振动引起的空间位移漂移影响.结合分段监测方法,利用无人机搭载计算机视觉监测系统可以很好地识别大型风力机结构的模态振型,实现了远距离、非接触、低成本的结构健康监测,可为风力机等大型结构状态评估提供依据.

一种设置新型自复位节点的钢框架结构体系整体抗震性能分析

为研究设置新型自复位节点的钢框架结构体系的整体抗震性能,建立了1个传统焊接框架体系和3个新型自复位节点的框架结构体系有限元模型。对比分析了新型自复位节点框架结构体系与传统焊接框架结构体系的位移响应,并研究了不同地震波作用下新型自复位节点在结构不同位置的整体性能。分析结果表明:新型节点框架结构体系传力稳定,均未出现明显的损伤变形,且其顶点最大位移与总高度之比均小于钢框架弹塑性位移角1/50的限值,满足抗震要求;新型节点框架结构体系最大层间位移角均出现在首层,但最大层间位移角均保持在0.03 rad以内,处于生命安全水准。研究结果表明,该新型自复位节点框架结构体系钢绞线工作稳定,框架结构具有较好的整体性。

基于最不利塔顶位移相图法的风电塔筒动力屈曲研究

风电结构作为一种高耸的薄壁结构,易发生动力屈曲破坏,而我国的风电结构大多都不可避免地建于地震易发区。以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对风-震耦合作用下风电塔筒的动力屈曲行为开展研究:基于谐波叠加法、叶素动量理论及尾流模型计算运转工况下风电结构所受风荷载;建立风电结构的有限元模型,探讨输入角度对于风电塔筒在风、地震及风-震耦合作用下的动力响应的影响;结合增量动力分析,提出基于“最不利塔顶位移相图法”来研究风电塔筒在风-震耦合作用下的动力屈曲行为,并探讨其主导因素。研究结果表明:风-震耦合作用会导致风电塔筒在强度方面的额外需求;在确定门洞的朝向问题上应考虑风-震耦合作用的因素;风-震耦合作用下风电塔筒呈现局部的塑性动力屈曲现象,而基于“最不利塔顶位移相图法”可以很好地判别并分析风电塔筒的动力屈曲。

基于机器视觉的型钢梁施工过程变形监测技术研究

针对施工条件下的实际工程情况,提出一种颜色阈值匹配结合霍夫变换的轻量级机器视觉算法对型钢梁变形进行监测。首先,通过RGB转换HSV空间得到颜色阈值,之后进行霍夫变换识别,结合图像处理操作,可同时得到多个目标靶点的位置信息进行变形监测。其次,现场试验验证表明,机器视觉技术可在复杂背景下取得较好效果,最终实现在温度作用下型钢梁变形位移监测。最后,数据分析表明,温度对型钢梁的变形在安全范围内,不影响施工进度,且提出算法在精度和稳定性方面均可满足工程要求。

考虑残余应力的高层钢框架梁柱节点焊缝风致疲劳评估

为研究残余应力对高层钢结构节点焊缝风致疲劳性能的影响,结合等效结构应力提出一种考虑残余应力影响的风致疲劳评估方法.首先,利用多尺度建模方法建立某12层钢框架结构多尺度模型,用谐波叠加法模拟脉动风速时程,分析框架结构在风荷载下的整体动力响应;其次,建立含焊缝及工艺孔的梁柱节点局部精细化子模型,模拟焊接温度场及残余应力场;通过施加初始应力场方式考虑残余应力的影响,计算子模型在考虑残余应力时的风致动力响应;最后,结合等效结构应力对焊缝疲劳寿命进行评估.结果表明,结合多尺度方法与子模型技术可实现对此类高层钢结构局部细节的分析,焊接顺序及工艺孔对子模型残余应力分布有一定影响,节点焊缝处残余应力的存在使风致疲劳寿命有所降低,该方法可用于高层钢框架梁柱节点风致疲劳评估.

考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟与试验验证

基础隔震技术由于良好的隔震性能在实际工程中得到广泛应用。现有的隔震结构分析方法主要采用宏观尺度(如弹簧单元)对其地震响应进行分析研究,隔震支座采用弹簧进行模拟时,该文模型只能反映结构的整体响应而未能考虑隔震支座及其他局部关键位置的细节。因此,为了解结构局部关键位置的力学性能(如隔震支座),该文提出一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法。首先,建立微观单元(实体单元)与宏观单元(梁单元)之间的多尺度界面连接方程;其次,通过不同尺度单元之间有效组合建立四种不同串联隔震体系模型(弹簧-梁单元模型、弹簧-实体单元模型、多尺度模型和全实体单元模型),在四种模型梁端施加往复荷载得到其滞回曲线,并与试验结果进行对比分析。分析结果表明,采用多尺度模拟方法不仅能掌握结构局部关键位置(隔震支座)受力特性,还可以提高计算效率,减少计算时间和存储空间,并在计算精度和计算代价之间得到了均衡。在此基础上,结合串联隔震结构振动台试验进一步验证多尺度分析方法的有效性。最后利用多尺度有限元模拟方法的优越性分析某基础隔震结构的动力响应。

基于图像处理技术的风电叶片表面划痕特征提取方法研究

风电叶片表面划痕图像的分割、信息提取及二值图像的清晰度评价是划痕自动检测系统中的重点。利用Gabor滤波器对叶片表面划痕图像进行增强,借助信息熵函数确定Gabor滤波器最优参数。提出三次样条插值算子和Ostu阈值结合的梯度类阈值法对划痕图像进行分析,并对处理后的图像借助边缘密度函数来确定图像分割的最佳阈值;针对二值划痕图中存在的空洞和杂点,运用形态学开操作对其进一步优化,并借助Brenner梯度函数确定最佳腐蚀阈值,从而最终得到杂质少且边缘清晰度高的划痕二值图像。试验表明该方法可较好地识别叶片表面的划痕,可为实现划痕自动识别提供技术支撑。

Q345B钢梁柱节点焊接残余应力模拟及试验验证

为研究梁柱节点焊接残余应力的分布规律,对梁柱节点焊接残余应力进行了数值模拟,并进行了试验验证.首先,建立梁柱节点焊接全过程随机热力学模型,分析梁柱节点的焊接温度场;其次,通过间接热力耦合分析法分析梁柱节点焊接残余应力分布;最后,通过制作梁柱焊接节点,利用盲孔法测得梁柱节点焊接残余应力,并与模拟结果对比分析.分析结果表明:上、下翼缘焊缝由于距离较远以及工艺孔的存在,焊缝之间的相互影响很小,两者的焊接残余应力基本一致;腹板焊缝之间由于距离很近,焊接时的相互影响较大,两道焊缝残余应力分布不一致;在梁柱节点焊缝焊趾区域,梁上、下翼缘焊缝残余应力分布基本一致,等效残余应力呈V型分布,横向、纵向、法向焊接残余应力都基本呈M型分布,因腹板两道焊缝焊接时产生相互影响导致梁腹板两道焊缝应力分布差别明显.

基于实测数据的西北地区风电场风场及尾流特性分析

基于西北地区某风电场2015—2016年的风速风向实测数据,分析了风电场风塔的尾流特性,并与现有风力机尾流模型进行了对比分析.在此基础上,对在远尾流场作用下的风速风向、湍流强度、湍流积分尺度、概率密度分布等风场特性进行了详细分析.研究结果表明:现有的Jensen模型、Park-Gauss模型与实际工程中多个尾流作用下的风电场尾流特性存在差异.在多风向多尾流叠加作用下,当风速大于10 m/s时,各风塔湍流强度随着平均风速的增长呈增大趋势,风电场内部风塔湍流强度在低湍流段更加集中,外围风塔湍流强度随平均风速的增大速率略快于内部风塔,而湍流积分尺度随平均风速的增大程度总体慢于内部风塔,且外围风塔实测风速更加接近高斯分布.

基于等效结构应力的钢框架焊接梁柱节点低周疲劳评估

在地震作用下钢框架梁柱焊接节点会发生低周疲劳现象,进而导致结构发生破坏。本文基于等效结构应力法提出一种高层钢框架梁柱焊接节点低周疲劳评估方法。首先,结合有限元多尺度模拟方法,建立包含翼缘及腹板焊缝细节的钢框架梁柱焊接节点多尺度模型。其次,利用不同单元尺寸多尺度模型,验证结构应力的网格不敏感特性,进而通过等效结构应力法评估钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命。结果表明,采用等效结构应力法可消除网格的敏感性,在往复荷载作用下,靠近工艺孔焊缝应力水平高于远离工艺孔焊缝,翼缘中心焊缝寿命最低,裂纹最先产生于翼缘焊缝中心处,评估方法为实际工程提供技术支持。

基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计

在医院、教学楼等建筑中广泛采用隔震技术,能降低地震对上部结构的破坏作用。虽然隔震技术经过几十年的发展已趋于成熟,但环境及其他荷载对隔震结构性能的影响规律、结构设计的合理性以及震后结构状态评估等问题,仍需建立隔震结构健康监测系统对施工、运营期的结构响应进行监测,并对其进行评估与验证。首先,针对基础隔震结构的特点,研究了基础隔震结构的主要监测内容;在此基础上提出基础隔震结构健康监测系统的总体设计要求及原则,根据不同监测对象(整体与局部监测量)给出基础隔震结构传感器布置原则和数据采集系统软硬件设计原则,提出基础隔震结构设计验证与安全评定方法;最后给出基础隔震结构健康监测值得进一步研究的问题。

考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风电结构动力特性影响的研究

风力发电建设场地土特性及叶片转速变化会引起风力发电机动力特性及响应发生变化。基于西北地区某风电场的2 MW三桨叶水平轴风力发电机,利用ANSYS软件建立风力发电机整机模型,考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风力发电机动力特性的影响,研究风力发电机在不同叶片转速、不同场地条件及两者共同作用下的动力特性变化规律,并利用坎贝尔图分析上述工况下风力发电机的共振特性。结果表明:叶片转速增加使风力发电机的自振频率逐渐增大,塔筒与叶片的耦合变形使频率增长加快;考虑土-结构相互作用时,风力发电机频率降低,且场地土越软风力发电机频率越小;当两种工况共同作用时,叶片旋转只对一阶频率产生影响,对高阶频率影响甚微,且风力发电机频率降低;考虑叶片旋转时风力发电机在1P转频内不产生共振点,在3P转频内一阶频率的共振点为14 r/min。此外在不同场地土下风力发电机均会产生共振点,其中Ⅲ类土的共振频率最远离额定转频。因此在风电场的场地选择、结构设计及日常运行时应注意其动力特性变化,使其频率远离共振区域,为风力发电机安全运行提供保障。

以智慧建造为引领的地方院校传统土木工程专业改造升级探索与思考

新一轮科技革命和产业变革对建筑行业的形态、分工及组织方式产生了巨大影响。地方高等院校土木工程专业作为建筑行业人才培养的重要基地,如何在这样的背景下培养适应新时代产业发展需求的人才是亟需思考并解决的问题。在新工科背景下,通过地方院校传统土木工程专业改造升级的探索与思考,不断提升专业建设水平和在建筑行业的影响力,为其他地方院校土木工程专业提供参考。

一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究

为了减小风荷载作用下风电结构动力响应,提出一种双向调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)并对其减振效果展开研究。采用Davenport脉动风功率谱,模拟陆上风电场的脉动风速。建立顶部集中质量有限元模型和考虑风电结构叶片与塔筒耦合的叶片-塔筒有限元模型,计算两种模型的自振特性,并对安装双向TMD的风电结构的响应进行分析。分析结果表明:该装置具有较好减振效果;在两种不同计算模型下,风电结构塔筒顶部位移、加速度和底部弯矩计算结果及控制效果一致;在叶片-塔筒模型中,由于叶片-塔筒模型中叶素力与轮毂中存在偏心,使得叶片-塔筒模型顶部弯矩相比集中质量模型顶部弯矩较大。