Concept Design and Coupled Dynamic Response Analysis on 6-MW Spar-Type Floating Offshore Wind Turbine

Tower, Spar platform and mooring system are designed in the project based on a given 6-MW wind turbine. Under wind-induced only, wave-induced only and combined wind and wave induced loads, dynamic response is analyzed for a 6-MW Spar-type floating offshore wind turbine （FOWT） under operating conditions and parked conditions respectively. Comparison with a platform-fixed system （land-based system） ofa 6-MW wind turbine is carried out as well. Results demonstrate that the maximal out-of-plane deflection of the blade of a Spar-type system is 3.1% larger than that of a land-based system; the maximum response value of the nacelle acceleration is 215% larger for all the designed load cases being considered; the ultimate tower base fore-aft bending moment of the Spar-type system is 92% larger than that of the land-based system in all of the Design Load Cases （DLCs） being considered; the fluctuations of the mooring tension is mainly wave-induced, and the safety factor of the mooring tension is adequate for the 6-MW FOWT. The results can provide relevant modifications to the initial design for the Spar-type system, the detailed design and model basin test of the 6-MW Spar-type system.

国内外建筑围护结构风荷载规范对比研究

针对围护结构设计风荷载,分析了如下风荷载规范中的相关规定:中国GB 50009—2012、中国JGJ/T 481—2019、美国ASCE/SEI 7⁃16、日本AIJ⁃2015、澳大利亚/新西兰AS/NZS 1170.2:2021、欧洲BS EN 1991⁃1⁃4:2005、加拿大NBCC 2015。分析结果表明,国内外围护结构风荷载规范的理论基础主要包括准定常理论和风压极值理论,均将设计风荷载表示成设计风速与设计风压系数的乘积;设计风速的确定需要考虑地貌、局部地形、季节、风向、相邻建筑干扰等因素的影响,各国规范对这些因素考虑的详尽程度不一;设计风压系数则需要考虑来流湍流和特征湍流共同作用下风压的时间随机性和空间分布不均匀性、不同方向来流时建筑表面风压的差异性、建筑表面风压相关性等因素,各国规范均通过风压分区和面积折减较好地考虑了这些因素,不同之处在于不同规范所涵盖的建筑体型、考虑建筑几何参数影响的风压分区结果及面积折减的特征有所区别。

新型复式抗风浪养殖网箱的设计及其在海洋环境下的受力计算

深海抗风浪网箱养殖区别于传统近海网箱、围栏等养殖方式,适合发展高经济价值的鱼类养殖,现已成为沿海渔民转产转业的重要方向。为缓解近岸养殖压力、拓宽深海水域养殖,基于中国海域养殖条件,设计了一种可以应对恶劣海况条件的新型复式抗风浪深海养殖网箱。该网箱放弃了传统的浮架和浮圈结构,采用双浮筒可调节结构,以适应不同海域海浪状况,减少因刚性连接而发生的中拱和中垂现象;此外,浮筒与立体浮框连接而成的垂荡体可以提供较大的垂荡以及纵向摇摆阻尼,控制网箱的运动幅度。同时采用莫里森公式和伯努利方程对网箱承受的风、浪、流等环境载荷进行受力计算,并与传统高密度聚乙烯(High density polyethylene,HDPE)网箱进行对比,结果显示新型复式抗风浪网箱比传统HDPE网箱更能承受海洋中的环境负载。研究结果为后续研究和发展大型抗风浪网箱养殖提供了设计参考。

高空升降框架的结构优化与有限元分析

沙漠环境中易出现的极端风载对设备的安全性能提出极高要求,现有高空升降框架的设计主要依靠工程经验,存在用料多、自重大、安全余量高等不足。针对此,采用CREO软件建立高空升降框架的三维实体模型,根据国标规定将风载等效为静载荷,采用ANSYS软件对极端风载作用下高空升降框架力学特性进行仿真计算。结果表明:系统与风载不存在共振风险,极限风载作用下系统最大应力幅值为166 MPa。进一步提出设计精细、造价经济的高空升降框架优化设计方案,在极限风载作用下,优化框架静力学计算结果表明:优化后系统的最大应力幅值在降低约35%的同时,可实现整体减重约17%。

基于风洞试验的典型工业厂房屋面风荷载分布特征

随着我国经济发展,大型工业厂房建筑越来越多,由风荷载导致的工业厂房屋面也越来越多,因此,有必要对工业厂房屋面风荷载分布特征进行研究。以沿海某厂房为研究对象,作缩尺比为1∶100的刚性模型,进行刚性模型测压风洞试验,研究不同风向下的屋面平均、脉动以及高阶矩风荷载特征,其结果可为厂房的主要受力构件设计和屋面围护结构设计提供风荷载设计参数。

高层建筑中高耸结构风振控制等效设计

在常规的风振控制等效设计中,我国现有技术标准对高层建筑中高耸结构的风振响应计算时仍然存在较大偏差,由于选择刚性结构搭建建筑框架,使得其结构会受到较高风载荷,从而导致风振受力过高等问题。为了准确计算高耸结构的风振响应,将结构脉动响应分为背景部分和共振部分的基础上,选择振动控制作为设计基础以确定其结构应力,通过阵风因子法和荷载组合法分析高耸结构的顺风向风振响应,在风振控制的荷载中实现了对风速的变化模拟。最后,再对高耸结构开展实例分析并对计算结果进行了比较,结果表明,文中研究的设计方法的特点和适用范围比传统控制方法的风振力等比减小15%~18%,具有较为突出的风振控制优势。

海上单桩风力发电机组载荷-基础全工况一体化设计

海上风电机组受到的外力载荷较为复杂,如何考虑所有外载的相互耦合对于获得更为准确的结构内力和变形等动力响应起到了关键性作用,同时也是响应海上风力发电机组降本需求的重要手段。通过浙江某海上风电项目的单桩基础分析对比分离式设计和一体化设计的区别,结果表明:分离式设计相比于一体化设计在风力机载荷和波浪载荷上缺乏时间的一致性;因波浪作用产生的部分惯性效应被重复考虑以及载荷相关系数的规定上也更为保守;一体化设计无论是在极限还是疲劳分析上都更优于分离式设计,能较大节约海上风力机基础的成本。

基于荷载组合的海上浮式风机中外规范探讨

目前我国海上浮式风机的设计规范仍处于起步探索阶段,本文旨在推动我国相关标准规范进一步建立健全。本文选取了4部具有代表性的相关设计规范和标准,对结构设计中关于工况、荷载组合的相关规定进行了介绍,给出了各规范对我国海上浮式风机工程设计的适用性和可参考性。在此基础上,提出了发展我国海上浮式风机标准规范的建议。

粗糙条对某超高层建筑风荷载影响的风洞试验研究

超高层建筑外幕墙围护结构的骨架等粗糙条构件,会改变建筑表面绕流形态,从而对风效应产生影响,但目前我国建筑结构荷载规范中尚缺乏相关规定。文中以某典型超高层建筑项目为研究对象,对建筑模型表面设置粗糙条与去除粗糙条两种工况进行刚性模型同步测压试验对比研究,通过分析建筑模型表面风压系数、基底倾覆弯矩和体型系数等风荷载特性的变化,以研究建筑表面粗糙条对超高层建筑结构风荷载的影响规律。研究表明:设置粗糙条对建筑表面极值正压影响不大,但会显著降低建筑表面极值负压绝对值、最大降幅约39.8%,将显著影响建筑角区及侧风面,使建筑侧风面的平均和脉动风压系数显著减小、最大减幅分别为24%和30%,整体上,设置粗糙条有利于建筑围护结构的抗风设计。设置粗糙条会影响结构整体风荷载,在0°正吹风向角下,粗糙条会使建筑沿层高分段风荷载体型系数略微增大、最大增幅约为8%,使塔楼基底绕X轴的倾覆剪力和倾覆弯矩略微增大、增幅分别为4.9%和6.0%;设置粗糙条对建筑顶部峰值加速度极值出现的风向角有影响,且可降低峰值加速度幅值,降幅约为7.91%。

基于均匀设计的海峡两岸高层建筑顺风向风荷载多因素分析

为明确海峡两岸高层建筑顺风向风荷载的异同,对两岸建筑风荷载标准进行了对标分析,并采用均匀设计方法进行了高层建筑顺风向风荷载多因素分析。研究表明:两岸风荷载标准中基本风速取样方法和极值分布参数取值方法存在明显区别,风压高度变化系数分布和不同重现期的设计风速转换系数大致相同,台湾地区标准给出的湍流强度建议值明显大于内地标准;台湾地区标准分类计算建筑物主体和围护结构的设计风压,内地标准采用统一表达式,两者给出的设计风荷载组合方式区别明显;以基底剪力和基底弯矩作为评价指标,H/(BL)(1/2)(高宽比)、α地面粗糙度指数)、C_(g)(脉动效应系数)、C_(p)(风荷载体型系数)和Iz(湍流强度),对高层建筑顺风向风荷载的影响程度依次减小,H/(BL)(1/2)和α为主要影响因素;随H/(BL)(1/2)的增大,C_(g)对顺风向风荷载的影响逐渐增强,当H/(BL)(1/2)增大到一定程度时,C_(g)成为主导因素。

浙江交投金融中心结构设计要点与分析

浙江交投金融中心塔楼总高210m,位于杭州钱江世纪城核心区块单元,项目塔楼体型为“玉贝”状,建成后将成为钱塘江岸的标志性超高层建筑。塔楼各层平面为变化的弧形平面,外框柱为逐层向内收进的弧形斜柱。本文根据项目特点及规范选取了设计参数与抗震性能目标,采用YJK和ETABS软件研究了塔楼结构动力特性;采用MIDAS Gen软件对穿层斜柱进行屈曲分析,并求得可靠的柱长度计算系数,采用实体有限元方法对弧形柱节点进行应力分析。针对塔楼弧形平面特点探讨了塔楼在风洞风荷载与规范风荷载作用下的结构响应。为研究地震作用下塔楼各构件屈服机制,补充7度大震作用下弹塑性分析。分析表明,塔楼结构体系、构件及节点可靠,抗风性能良好且抗风设计经济,各构件抗震延性良好。

单/双承力索桥梁接触网设计风荷载研究

为解决桥梁接触网设计风荷载取值问题,提出桥梁接触网设计风速及风荷载的修正方法。通过桥梁节段及风屏障缩尺模型风洞试验,确定某桁架桥梁接触网的桥梁断面及风屏障的风速修正系数;通过刚性节段模型测力风洞试验,确定了单承力索、双承力索、接触线、单线单导和双线单导等不同布置形式接触网的体型系数;根据试验测试的修正系数,计算按本文修正方法计算的设计风荷载取值与规范值对比。研究结果表明:考虑桁架梁断面及桥上风屏障后,桥面接触线位置处风速修正系数取1.13,承力索位置处风速修正系数取1.14,可知桥梁断面及风屏障会提高接触网设计风速;不同布置形式接触网体型系数按不同风速工况的包络值,接触线取1.4,单承力索取1.5,双承力索取1.75,明显大于现行规范的取值1.2。根据试验测试的修正系数计算的接触线、单承力索和双承力索设计风荷载结果是现行规范的1.46倍、1.6倍和1.86倍,表明桥梁接触网设计风荷载取值会比普通接触网显著增加。研究成果可为桥梁接触网设计阶段风荷载取值提供参考,为我国电气化铁路接触网设计规范的条文修订提供支撑。

基于均匀设计法的定日镜群镜风力系数变化规律研究

根据部分工况的试验数据,通过均匀设计法和回归方程来得到全部工况的数据,以达到简化定日镜风洞试验、提高试验效率的目的,并在此基础上对定日镜群镜平均风力系数进行研究。首先,根据风洞试验得到群镜13个工况的平均风力系数值;其次,分别确定二元非线性回归方程,利用回归方程计算出全部工况下群镜的平均风力系数回归值;再次,通过对典型工况下平均风力系数进行研究得到其变化规律,并分析出全部工况下群镜平均风力系数整体的变化规律;最后得出群镜平均风力系数与单镜平均风力系数变化规律基本一致等相关结论。

幕墙穿孔金属面板及其背衬板的风荷载调整系数和计算方法研究

幕墙穿孔金属面板及其背衬板的风荷载取值,以及穿孔板本身变形、应力的计算方法,在现行设计规范中尚无规定。该文完成了三组共计11个工况的风洞试验研究;分析得到了穿孔率、风速、风向角、背衬板间距对穿孔单板、前面板、背衬板所受风荷载大小的影响规律;提出了在现行规范风荷载标准值计算公式基础上乘以多个调整系数的方法,用以计算幕墙穿孔金属板及其背衬板所受的风荷载值,并给出了调整系数的取值或计算公式;完成了144个穿孔金属板的有限元分析,揭示了穿孔率、长宽比、荷载大小对穿孔金属薄板变形值、应力值的影响规律;基于现行规范对非穿孔金属薄板大挠度变形值、应力值的计算方法,提出了用于计算不同穿孔率金属薄板变形值和应力值的调整系数。

菱形风电运维平台结构设计与强度分析

随着海上风电场的开发逐步走向深海,对风电运维模式要求也愈发严格。本文提出以风电运维平台为中转站运维模式设计的一种菱形风电运维平台。在舷侧结构在浮式风电运维生活平台方案设计的基础上,对平台浮体提出2种结构方案,运用SESAM中Genie模块建立菱形平台有限元模型,确定边界条件和约束,施加环境载荷,对这2种结构方案在各工况下进行有限元强度分析,对比校核,最终得到结构强度满足要求且运维效率更高更安全可靠的平台结构。

超高层建筑结构设计要点探讨——以某中心为例

以国内一栋超高层建筑为例,详细分析其结构设计过程,总结其结构设计经验,按照个案到一般的规律总结超高层建筑结构设计要点。对超高层建筑结构设计理论依然适用,通过正确确定计算模型,利用缩减模型进行地震台模拟和风洞试验,选取合适的计算参数,进行两个软件计算并比较其结果,确定竖向受力构件体系和抗侧力受力构件体系,同时认真设计构造措施,总结出超高层建筑结构设计的一般要点,供结构工程师参阅。

施工临时设施抗风设计研究综述

随着超高层建筑的数量和高度不断攀升,施工临时设施的抗风安全成为超高层建造的关键技术之一。然而,目前我国对于临时设施的风荷载规范和标准相对较少,导致临时设施设计的安全性和经济性指标很难平衡。因此,施工临时设施的抗风设计研究变得十分重要。本文旨在介绍国内外关于临时设施设计风速和风荷载关键参数取值的问题,并系统总结了国内外在临时设施抗风研究方面的进展和存在的问题,还对施工临时设施抗风的研究方向进行了展望。

交通标志结构设计优化研究

针对现有交通标志结构设计理论存在的不足之处,从交通标志实际应用出发,提出了以公路等级、设置位置、标志功能重要度、标志支撑结构形式为影响因素的结构重要性系数修正思路。分析了在原设计理论中被忽视的车辆引起的风载和雪荷载两个可变荷载对交通标志结构设计的影响,并对相关计算公式进行了优化修正。这些优化修正可以为交通标志结构的设计提供有益的借鉴。

台风环境下配网用玄武岩纤维复合横担结构选型及力学特性仿真研究

首先,根据区域台风历史极限风速修正了横担应用的气象条件,从理论上分析了风吹导线、风吹横担以及断线工况下风荷载数值以及断线张力大小;然后,针对各地区情况设计了4种矩形截面的横担,并通过受力分析确定了芯棒的最优截面;最后,利用仿真软件分析了结构的应力、应变特性。在极限台风风速60 m/s条件下,推荐使用规格为34 mm×54 mm的复合横担芯棒截面。在风以极限风速吹扫导线工况下,最大弯曲应力产生于芯棒与中央金具上边缘相接处,数值为121.76 MPa;此时,芯棒截面最大剪切应力为40.502 MPa,位于芯体与中间金具相接的下边缘。以上结果满足芯体的弯曲以及剪切应力要求。若考虑平均台风风速24.7 m/s,则推荐复合横担芯棒截面尺寸采用28 mm×42.5 mm规格。该研究结果可为玄武岩纤维增强复合横担的结构优化以及应用提供参考。

荷载与结构设计方法课程教学中工程事故案例的巧运用

荷载与结构设计方法课程是土木工程专业的一门重要专业基础课。针对该课程教学实践环节中学生重视程度低、章节内容跳跃性大、深层次学问延伸不足等问题,该文首先结合实例探究工程事故案例分析在改善相关问题中起到的积极作用,包括提升重视度、导入新内容、强化知识点和培养求知心等四个方面。其次,就如何在教学中合理运用工程事故案例,给出几点体会。探讨案例的选取原则及其用途角度而言的多面性。总之,相关教学观点及策略,均旨在提高本课程教学质量。