地震与水平环境荷载下风电单桩基础动力响应分析

为探究复杂环境荷载和地震共同作用下饱和场地中单桩基础的动力响应,文中采用有限差分整体时程数值分析方法,对饱和砂土场地中海上风电单桩基础在水平环境荷载与地震荷载联合作用下的动力响应进行了非线性分析。通过与离心机试验结果对比,验证了所建立的数值分析模型的合理性与有效性。基于数值计算结果,对地震单独作用和水平环境荷载-地震联合作用2种工况下海上风电单桩基础的动力响应规律差异进行探讨,并进一步分析了上部结构质量、埋深等对联合荷载作用下单桩基础动力响应的影响。研究结果表明,在海上风电单桩基础结构设计中应考虑水平环境荷载与地震联合作用的影响,且应将桩的埋深作为重要设计参数加以考虑,而结构质量对联合荷载作用下海上风电单桩基础结构体系响应的影响较小。

长期水平荷载对单桩式海上风机结构自振频率的影响分析

海上风机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,从而引起地基刚度变化,海上风机结构体系属于动力敏感型结构,预测其自振频率的长期变化具有非常重要的工程意义。基于动力运动方程,考虑了桩土相互作用,通过嵌入地基刚度衰减模型考虑长期循环荷载引起的地基刚度变化,建立了单桩式海上风机结构自振频率的简化计算方法,利用实际工程和数值模拟验证了方法的可行性。最后通过开展参数分析,探讨长期循环荷载大小、加载次数对海上风机结构自振频率的影响规律;结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风机结构体系自振频率较小,风机结构体系的自振频率应偏移1P;该方法可以评估长期循环荷载下单桩式海上风机结构自振频率的变化,为近海风机结构自振频率的设计提供参考。

覆水场地地震反应分析

随着各种海洋结构物的兴建,覆水场地的地震反应逐渐成为研究热点。基于任意拉格朗日-欧拉描述,推导时变区域上的流体运动方程,给出流场、结构的接触条件和流场网格运动控制方法。对于平坦覆水场地,水平向地震动作用下,根据Couette流理论证明该类场地流体作用可以忽略;竖向地震动激励下,横向均匀场地可以通过动水压力公式准确考虑流体作用,横向非均匀场地则需要通过流固耦合方法考虑流体作用,以海底隧道为例加以说明。对于起伏场地,天然起伏场地在地震动激励下的动力反应具有明显的流固耦合特征,以三角形起伏场地为算例;结构物的兴建造成的人工起伏场地同样需要考虑流固耦合效应,以某沉管隧道在水平向地震动激励下的动力反应为算例,并根据结果初步提出该类结构物流固耦合分析的简化计算方法。

考虑流固耦合的水中结构物地震反应方法

基于运动控制体的雷诺输运定理,采用任意拉格朗日-欧拉描述推导控制流体运动的Navier-Stokes方程;提出考虑流固耦合效应的水中结构物地震反应计算方法,并以水中垂直板的地震反应为例,阐明流固耦合体系的求解方法。分析地震动频率和水深对场地土-结构-流水构成的流固耦合系统动力反应的影响,结果表明:采用不可压缩流算法的Navier-Stokes方程能够合理模拟流场的位形变化,并保证流固耦合计算的收敛;考虑流固耦合作用使得结构地震反应幅值明显增大,并使频谱特性发生改变;水深对流固耦合效应的影响较大,并具有明显的非线性特征。

运行状态风力机地震响应的解耦分析方法

对于运行状态的风力发电机,其地震响应涉及风荷载与地震的联合激励。为建立风-地震共同作用下风力机动力响应的解耦分析方法,该文基于最小二乘法,建立水平轴风力机模态气动阻尼比简化模型;将叶轮气动阻力以等效阻尼比施加于支撑结构,形成风力机地震响应的解耦分析方法,与耦合方法模拟结果进行比较,验证解耦方法的可靠性。结果表明:双线性模型能够准确模拟风力机模态气动阻尼比随轮毂高度处10 min平均风速变化的规律,解耦方法得到的风力机塔顶加速度和塔底弯矩峰值与耦合方法所得结果的误差不超过15%,同时,解耦方法的计算效率也高于耦合方法。

风力发电机的一致概率风-地震作用组合方法

针对高地震危险性区域的风电场,提出一致概率风-地震作用组合方法。采用Weibull分布描述轮毂高度处平均风速随机特征;通过地震危险性分析,确定地震动参数;假定风、地震为独立事件,建立二者联合概率模型。随后,以NREL 5 MW风力发电机为例,基于一致概率风-地震作用组合,分析结构动力响应。结果表明:风-强震激励下,地震动控制结构响应;风-弱震作用下,风-地震共同控制结构响应;一致概率风-地震作用下,结构动力响应特征与地震动特性有关。

风-波浪荷载对海上风机地震响应的影响

建立广义单自由度模型,考虑运行、停机两种工作状态,揭示风-波浪荷载影响海上风机地震响应的机理。针对NREL 5MW单桩式海上风机,通过风-波浪统计关系确定波浪谱参数,采用FAST软件分析结构地震响应,验证初步分析结果的正确性,并探讨风-波浪影响海上风机地震响应的规律。结果表明:风-波浪作用的气动阻尼和动荷载效应使其显著影响海上风机地震响应;对于运行状态的海上风机,轮毂高度处平均风速等于额定风速时,支撑结构最危险;强震作用下,风-波浪作用减小泥面内力和塔顶位移幅值;弱震作用下,风-波浪荷载增大泥面内力和塔顶位移幅值。

工作状态对风力发电机地震响应的影响

风力发电机受到的气动力作用表现为气动阻尼和空气动力荷载,对结构地震响应分别具有阻尼效应和动力效应。该文建立理论分析模型,考虑运行和停机两种工况,分析工作状态影响风力发电机地震响应的规律和机理;针对NREL 5 MW基准风机,采用FAST软件分析不同风-地震组合作用下风力发电机结构动力响应,验证理论分析结果的正确性;同时,分析输入地震动方向对风力发电机地震响应的影响。结果表明:工作状态对风力发电机地震响应的影响与地震动幅值和风速有关;强震作用下,停机状态地震单独作用为最不利工况;弱震作用下,额定风速-设计地震动组合是最不利荷载组合;输入地震动方向影响风力发电机动力响应。

单桩式海上风力机整体化地震反应

为了探讨风-波浪-地震共同作用下单桩式海上风机(OWTs)的动力行为,以National Renewable Energy Laboratory(NREL)5 MW风力发电机为研究对象,将风、地震作为独立事件,根据风-波浪统计关系确定波浪谱参数.改进FAST软件以模拟土-结相互作用,考虑停机、运行和应急停机3种工况,采用气动-伺服-水动-弹性耦合方法分析海上风机地震响应.算例表明,工作状态显著影响海上风机支撑结构的运动和内力,规律与地震强弱有关;地震动显著影响叶片挥舞振动速度;在风-波浪-地震的共同作用下,海上风机支撑结构危险截面剪力和弯矩峰值超过极端风-波浪作用效应.

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。

考虑流固耦合的桥梁桩基地震反应研究现状

大型桥梁桩基地震反应分析是防灾减灾领域的研究热点之一.为追踪这一课题的研究现状,基于深水桥梁桩基地震反应基本特征,总结其流固耦合、场地效应、行波效应等几个重要特征;概括该课题在这些方面的进展,针对其研究现状,指出考虑流体与桥梁基础的动力耦合作用是这一课题研究的重要研究方向;根据流固耦合问题的求解思路,从耦合算法、耦合面数据传递、流场网格运动控制几个方面总结其常用方法.基于大型桥梁桩基地震反应的特点和流固耦合力学的成果,提出将流固耦合力学研究成果引入该领域是一个重要方向;并给出实现该思路的方法和难点.

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日-欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier-Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明:流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。

新工科背景下理论力学教学实践与探索

理论力学是机械等工科专业一门重要的核心技术基础课程,具有理论体系完整、教学内容丰富和课时少等特点。随着智能手机的普及和互联网的发展,严重冲击着传统课堂教学模式。这就需要调动学生学习兴趣和主动性,活跃课堂氛围,加强课堂管理。文章从知识结构、道家哲学思想、ADAMS软件以及雨课堂平台四个方面进行了探索,以提高理论力学课程教学质量。

海上风电桩-筒复合基础承载性能研究

基于有限元软件ABAQUS平台,建立了非匀质饱和黏土场地的海上风电桩–筒复合基础数值计算模型,对比研究竖向荷载V、水平荷载H和弯矩荷载M作用下不同筒结构尺寸的桩–筒复合基础的承载力系数,并采用正交试验法开展桩–筒复合基础的各向承载性能的影响因素研究.结果表明,饱和黏土的非匀质特性系数K对竖向承载力系数N_(cV)影响较小;K对水平承载力系数N_(cH)和抗弯承载力系数N_(cM)的影响呈指数型递减.筒结构直径D和入土深度L对各向承载力系数的影响存在交互作用.D对桩–筒复合基础承载力系数的影响最大,可以通过增加筒结构直径从而有效地提高桩–筒复合基础的承载性能.研究结果为海上风电桩–筒复合基础的设计提供了依据.

深水、恶劣海况下大吨位吸力式导管架风机基础施工方案分析

随着深远海风能开发,海上风机安装及运行面临更加复杂的海洋环境条件。为实现大型吸力式导管架高效制造与安装,针对深水、恶劣海况条件,开发“分段卧式拼装+节段翻身总拼”制造技术,研发三点组合式吊具,采用基于BIM云的测量定位方法,建立导管架深水溢浆观测方法。长乐外海海上风电场A区项目采用该施工技术,实践表明新型导管架制造技术解决了88 m超高导管架制造难题,三点式吊具在深水、恶劣海况条件下的适应性强,基于BIM云的测量系统定位精确,导管架深水溢浆观测方法可行。该技术方案解决了恶劣海况下导管架深水施工难题,为后续同类型海上风电基础施工积累了可靠的经验。

海上风电单桩基础自振频率及参数影响分析

基于OpenSees有限元平台,采用Boulanger模型模拟桩-土相互作用,建立海上风电单桩基础模态分析模型,探讨水体附加质量对大直径钢管桩自振频率的影响,结果表明水体附加质量对大直径钢管桩的自振频率影响显著。在此基础上,进一步分析桩、土体、海水等参数对风电基础自振频率的影响规律。引入频率变化率的概念,探讨不同地基、不同直径下单桩基础的自振频率敏感性。

海上风机单桩基础水平位移敏感性分析

海上风机结构属于高耸结构,风机基础过大的水平位移,将会影响风机结构的整体稳定性,因此研究风机基础的水平位移的影响因素规律具有重要意义。基于OPENSEES有限元平台,建立海上风机动力分析模型,探讨了水体附加质量对桩基桩顶水平位移的影响,同时分析了海水深度、钢管桩壁厚、土的有效重度、内摩擦角、不排水剪切强度等因素对风机基础桩顶水平位移的敏感性。研究结果表明水体附加质量对大直径钢管桩的桩顶水平位移影响较小,最大约为1%;砂土地基中,影响桩顶水平位移的主要参数是内摩擦角,软粘土地基中,影响桩顶水平位移的主要参数是钢管桩的桩径;在砂土和软粘土中,桩基础的埋深对桩顶水平位移的影响均存在一个临界深度。

海上风电大直径单桩的修正p-y曲线模型

单桩基础是当前海上风电常用的基础形式,常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时,API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度,引起桩基水平位移计算结果不准确。因此,分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素;对p-y曲线模型中的关键参数进行修正;根据FLAC3D数值模拟计算结果,引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响,建立修正p-y曲线模型。在此基础上,开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证,与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比;结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好,验证了建立的修正模型的合理性。

海上风电复合基础承载性能对比研究

受到上部结构自重以及海洋环境荷载的影响,海上风电基础设计时应考虑竖向荷载、水平荷载以及弯矩荷载作用下基础的承载性能.本文通过有限元软件ABAQUS,对比研究了饱和黏土场地中大直径单桩基础、桩-平台复合基础以及桩−筒复合基础在竖向荷载V、水平荷载H、弯矩荷载M作用下的承载性能.研究结果表明两种复合基础较单桩基础呈现出显著的承载性能优势.桩-平台复合基础的竖向承载力、水平承载力以及抗弯承载力随着附加平台直径的增大呈指数型增加;桩−筒复合基础的竖向承载力以及抗弯承载力随着筒结构入土深度的增加先增大然后趋于稳定,桩−筒复合基础的水平承载力与筒直径以及筒入土深度为双参数线性增加关系.V-H以及V-M复合荷载加载条件下,两种复合基础比单桩基础的破坏包络线空间大,两种复合基础的稳定性相对单桩基础有显著提升.在一定承载范围内,附加平台结构或筒型结构可以减小桩的直径或入土深度.