近海风电结构台风环境动力灾变与控制

开发海上风能是实现我国碳达峰、碳中和“3060”目标的重要举措.海上风电的大型化是降本增效的主要途径,已成为近年来的发展趋势.目前海上风电基础结构设计标准由欧洲领衔;区别于欧洲的海洋环境与地质条件,我国海上风电结构面临强台风、软弱土等挑战,极易发生动力灾变,大型化可能进一步加剧风电结构灾变风险.防灾降载的关键在于深入理解海上风电相关的空气动力学、水动力学、结构动力学、土动力学等的一体化耦合与智能控制.本文围绕台风环境风机动力灾变与控制相关领域的交叉力学问题,结合笔者团队近年研究成果,较为详细地评述了国内外最新研究进展情况,主要包括:台风风场及其诱发的波浪场工程尺度性状,台风环境中风机气动、水动载荷及智能控制策略,风浪流多向载荷联合作用下基础失效模式与结构灾变机制,以及考虑风浪流-结构-基础-海床-风机控制耦合作用的一体化分析设计方法.在此基础上,建议了我国海上风电大型化进程中仍有待突破的研究重点:需更深入掌握台风风场工程尺度性状、台风和台风浪载荷特性,需探索台风环境中的风机控制策略,亟需建立台风环境中大型海上风电整机一体化设计理论并开发国产化工业软件.上述相关领域的突破,对于我国实现海上风能产业的全球引领,具有重要的科学意义和工程应用价值.

西藏高原风场实测及非平稳风特性研究

为研究高原风特性,于海拔4465 m的西藏南部浪卡子县离地10 m高度处进行了1年4季昼夜的风速风向实时连续采样实测,筛选出1256个有效大风样本.采用平稳模型、EMD非平稳模型及最优时变均值非平稳模型处理实测非平稳风速样本,分析了3种风速模型的平均风速、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱等风场特性参数,并与低海拔地区多种类别风场实测结果进行对比.结果表明:西藏高原冬半年脉动风湍流强度大于夏半年;在相似地貌下,高原脉动风湍流强度要高于低海拔地区,而与一些特殊地貌及特殊风场如峡湾风、台风等的湍流强度接近;湍流积分尺度计算结果受风速平稳程度影响很大,平稳模型高估了湍流积分尺度;西藏高原脉动风拟合风谱与各标准谱均有一定差别,且具有较大的高频能量.因此,高原建筑结构抗风设计应注意高原脉动风参数与低海拔地区的区别,并充分考虑高原风的非平稳性,合理选择非平稳模型.

新月形薄覆冰导线气动力特性数值模拟研究

通过CFD方法对亚临界状态下的圆柱绕流开展了数值模拟,将不同计算工况下的平均风压、平均风速、脉动风速、斯托劳哈数(St)等结果与试验结果进行对比,研究了近壁面网格及展向长度对结果的影响,比较了LES与k-ωSST湍流模型的计算结果。在此基础上,针对覆冰导线分别建立二维与三维计算模型,计算了新月形薄覆冰单导线的气动三分力系数,并与试验结果进行对比。利用覆冰导线表面风压分布特性对空气动力学参数随攻角变化出现的尖峰现象进行了分析。结果表明,二维与三维覆冰导线模型存在较大区别,采用三维计算模型是必要的,展向长度取3倍导线直径能取得较好的计算结果。

输电塔钢管涡激振动控制措施的风洞试验研究

为了深入研究输电塔钢管的涡激振动特性,对安装不同设计参数扰流板的输电塔钢管进行了风洞试验。验证了输电塔钢管涡激振动临界风速和最大振幅的预测公式,并得到了扰流板外形、间距、长度、肋高等参数对输电塔钢管涡激振动抑振率的影响规律。在此基础上综合考虑材料成本、制作安装成本和抑振效果对不同设计参数下扰流板的抑振性价比进行了评估,最后基于帕累托最优解法选取了考虑成本后的扰流板最优设计方案,研究结果为扰流板设计参数的取值提供参考。

基于实测数据的某高层建筑结构动力参数和气动阻尼识别

根据在北冕台风及汶川远震作用下某270 m高大楼顶层实测得到的加速度响应数据,对该高楼的结构动力参数和气动阻尼进行了识别。采用两种方法识别得到了该大楼的模态振动频率和阻尼比参数。一是经验模态分解(EMD)结合随机减量法(RDT)及希尔伯特黄变换法(简称EMD+RDT),另外采用了基于贝叶斯理论和快速傅里叶变换的识别方法。利用EMD+RDT法,还得到了阻尼比随加速度幅值的变化规律。两种方法识别得到了非常一致的模态振动频率结果。然而,在台风作用和地震作用下所识别的大楼阻尼比特性却表现出明显不同的特性和规律,这种不同主要是由于在台风作用下的建筑物阻尼包含了气动阻尼成分。如果把地震作用下识别得到的该高楼阻尼比作为结构阻尼比,台风条件下识别得出的阻尼比为总阻尼比,则二者相减可以作为该楼气动阻尼比的估计。

高层建筑粘弹性阻尼器的优化设置

采用遗传算法 (GA)来确定在被动控制高层建筑中每一层阻尼器合适的安装数量 .根据阻尼器的耗能特性及建筑规范对抗震结构的要求来设计评价函数 .其中选取了建筑物各层在整个反应时程加速度响应的方均根值、建筑物顶层位移响应的最大值、阻尼器的数量、及阻尼器的耗能情况来分别考虑高层建筑的震动控制、位移控制、经济性和各层阻尼器的工作性能 .通过理论分析和仿真计算表明 。

基于Copula函数的杭州地区多风向极值风速估计

为了合理确定建设场地的结构抗风设计风速,提出多风向极值风速估计方法.以杭州地区日极值风速风向为统计样本,采用核密度-广义帕累托混合模型来描述各风向下的极值风速边缘分布,提高了Up-crossings法估计极值风速的准确性.基于严格选择的Copula函数建立杭州地区风速风向联合分布模型.采用该联合分布模型计算得到了不同重现期下考虑风向相关性的多风向极值风速,并与不考虑风向相关性的极值风速估计值进行对比.结果表明,具有给定重现期的设计风速估计应考虑风向相关性的影响.在不考虑风向相关性的情况下,容易给出偏于风险的极值风速估计值.

大跨越钢管塔双平臂抱杆的风致响应

基于风洞高频天平测力试验,获取抱杆结构在不同风向角和平臂姿态条件下的体型系数;建立施工全过程中典型工况下双平臂抱杆有限元模型,计算得到抱杆结构在多种施工工况和不同风向下的动力时程响应和风振系数,并与高耸结构设计规范的风振系数取值进行比较分析.结果表明,对于抱杆杆身部分,基于时程分析的风振系数结果沿高度变化规律比规范风振系数更加复杂;对于第一道腰环拉索以上部分,即抱杆顶部悬臂部分,规范给出的风振系数较为保守,显著大于时程分析方法风振系数.对于抗风最不利工况,抱杆顶部在0°和45°风向角下的时程风振系数分别达到3.05,2.24(45°x向)和2.28(45°y向).

基于风压谱和Hermite模型的大跨干煤棚风压场数值模拟研究

大跨干煤棚表面风荷载脉动特性较为复杂,通常需要风洞试验确定。基于四参数风压谱模型和Hermite变换关系,提出了大跨干煤棚随机风压场的数值模拟方法,对非高斯风压场进行高效模拟;同时在该方法中引入基于非高斯数字特征的误差控制参数,能够在给定精度要求的条件下修正模拟结果;利用某大跨开敞式干煤棚网架结构的刚性模型高频测压风洞试验数据,得到了大跨干煤棚表面各区域风压谱模型的四个参数,并采用该方法开展了大跨干煤棚非高斯风压场的数值模拟。通过数值模拟结果和风洞试验结果在时域和频域内的对比,验证了方法的有效性。

考虑风速风向分布的干煤棚结构风振疲劳分析

针对大跨开敞式干煤棚结构在风荷载作用下易发生风致疲劳破坏的问题,基于干煤棚结构的多点同步测压风洞试验结果,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,分别采用雨流法、等效应力法、等效窄带法和等效宽带法等时域与频域内多种方法,计算得到干煤棚网架的风致疲劳损伤结果.通过建立风速风向联合概率密度函数,考虑煤棚所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响,利用高强螺栓应力经验公式,估算网架结构球节点的疲劳损伤.结果表明,等效宽带法是频域法中较精确的疲劳损伤计算方法.与其他风向角相比,干煤棚网架结构在40°~60°斜风向作用下更容易引发疲劳损伤.在考虑风速风向联合分布的条件下,螺栓球节点的年均累积疲劳损伤比杆件本身更显著.

基于BIM仿真与多目标决策的网架结构安装方案优选

杭州市上城区体育中心工程为叠合式体育综合场馆,该工程屋盖采用双层正放四角锥形网架结构。为保证网架施工质量、安全、经济、高效,将BIM技术与多目标决策理论相结合,利用BIM技术对备选方案进行仿真分析,运用多目标决策理论建立优化模型,得到相对最优的网架施工方案。该方法充分利用BIM技术优势,避免多目标决策过程中量化结果的失真,减小优化过程的随机误差,保证优选结果的准确性和合理性。

超高层建筑脉动风压的非高斯特性

对带切角的菱形超高层建筑进行风洞试验,将试验得到的风压时程数据进行时域、幅域信息分析,研究该类体形超高层建筑表面风压的非高斯分布特性.基于在各风向角下风压系数的3阶、4阶矩统计量,对高层建筑各立面风压进行高斯与非高斯分布的分区,发现侧面的前缘气流分离区、背风面以及迎风面切角区域的脉动风压存在显著的非高斯特性.对高斯区和非高斯区设计风压系数的峰值因子取值问题和估算方法进行讨论,发现在实际应用中对非高斯区的峰值因子取值偏小.

不同厚度新月形覆冰对导线气动力特性的影响

对4种不同覆冰厚度新月形断面的覆冰导线进行了气动力特性风洞试验。在5％的均匀湍流场下，获得了0°～180°攻角间单导线、二分裂导线及四分裂导线的气动三分力系数。将覆冰厚度标准化后，研究了0．25D、0．5D、0．75D和1．0D四种覆冰厚度下导线气动力的变化规律。考察了分裂导线与单导线的气动三分力系数差异。结合DenHartog和Nigol舞动机理，分析了驰振的不稳定区。试验结果表明：较厚覆冰时，升力和扭转系数在15°～20°之间出现尖峰；分裂导线升力系数与单导线基本一致，阻力系数部分攻角下降幅较大，扭转系数则与单导线有较大区别。两种机理下，15°～30°攻角都是覆冰导线驰振不稳定区。

台风下香港K11大楼风振响应实测及分析

对香港K11大楼开展台风下风振响应实测研究,给出2008年台风北冕(Kammuri)作用下该楼的风振响应实测数据.基于三阶和四阶统计量对其风振加速度的时程数据进行统计分析,评价该大楼的风振舒适度.利用谱分析识别结构的自振频率,与该楼的有限元计算及自振频率经验公式结果进行对比.并通过基于零穿越率的峰值因子法和基于经典极值理论的改进Gumbel法对加速度响应的峰值因子进行计算,结果表明,两种方法所得结果基本一致,而GB50009-2001取值偏低.

高层建筑脉动风压的非高斯峰值因子方法

为了更好地确定建筑表面的设计极值风压,以具有"靴型"造型的复杂超高层建筑为例,研究非高斯峰值因子的计算方法.在风洞试验的基础上对各风向角下的风压系数时程数据进行三阶、四阶矩统计量分析,研究该复杂超高层建筑表面风压的非高斯分布特性.分别通过基于零穿越率的峰值因子法、改进峰值因子法、Sadek-Simiu法和改进Gumbel法对各风向角下风压数据的峰值因子进行估计,并在改进峰值因子法的基础上提出偏度非高斯峰值因子法.对各种方法的适用性及计算结果进行对比分析表明,改进峰值因子法在峰度小于3的情况下不适用;偏度非高斯峰值因子法与Sadek-Simiu法相比,两者的计算结果十分吻合.

钢桁架人行天桥的振动实测分析与舒适度评价

对连接2栋建筑净跨度达45 m的某曲线型钢桁架人行天桥展开现场人行振动加速度响应实测,得到了在各种行走和跳跃工况下人行天桥加速度响应的现场实测数据.基于希尔伯特-黄变换,对人行天桥结构的动力特性,包括自振频率和结构阻尼,进行了有效识别.利用有限元软件建立了该人行天桥结构有限元模型,分析天桥结构在行人荷载激励条件下的动力响应.对实测数据和数值分析结果进行比对,数值分析结果基本符合现场实测数据.最后,结合国内外规范对该天桥的人行舒适度进行了合理评价.

大跨干煤棚网壳风振时程分析和等效静风荷载研究

以某热电厂大跨干煤棚网壳工程项目为背景,对开敞干煤棚网壳结构进行风洞测压试验。基于风洞测压试验所得的脉动风荷载时程数据,开展大跨干煤棚网壳风振时程分析。分析不同风向角下是否堆煤对该开敞干煤棚网壳结构风振响应的影响。研究了基于时程计算结果的大跨屋盖结构等效静风荷载计算方法,分析比较几种常用的风振系数计算公式及其与峰值因子的关系。研究结果表明:考虑Weibull分布峰值因子的局部轴力风振系数能够用于确定合理有效的等效静力风荷载,实现大跨干煤棚网壳结构风振响应的静力等效,且便于工程应用。

基于Copula函数的建筑动力风荷载相关性组合

为了得到经济合理的抗风设计方案,提出一种基于Copula函数的高层建筑动力风荷载相关性组合方法.在某高层建筑模型高频动力天平试验(HFFB)数据的基础上,通过Copula函数和风荷载分量的边缘分布构建任意两分量的联合概率密度函数(JPDF),引入条件极值,计算二者的相关关系和组合值;利用各风向角下的组合值构建了最不利包络荷载组合,并以此为结构的设计风荷载.结果表明,该方法能够确定给定保证率下任意两风荷载分量的组合关系;以最不利包络荷载组合为设计风荷载能保证结构的抗风安全性.

风浪耦合作用下桥塔-基础体系的极限荷载效应

为了准确地估计风浪耦合作用下桥塔-基础体系的极限荷载效应,基于统计外推法提出多种环境变量联合作用下结构极限荷载效应的统计方法.该方法根据环境变量的联合分布特性和结构的动力特性统计外推出荷载效应极值的分布函数,极限荷载效应则为给定超越概率下的荷载效应极值.利用该方法计算风浪耦合作用下某跨海大桥桥塔-基础体系的基底剪力极限荷载效应,并讨论风浪耦合效应对计算结果的影响.结果表明,该方法能够准确地估计风浪联合随机作用下结构的极限荷载效应,能够为结构设计提供合理依据.

基于POD法控制模态选择的大跨屋盖结构风致动力响应分析

为了提高大跨度屋盖结构风致动力响应频域分析的计算效率,提出先挑选控制模态再进行风致响应有效计算的"二步法"过程.将本征正交分解(POD)法和模态叠加法相结合,建立风荷载作用下大跨屋盖结构各阶模态响应的快速估算方法,并以估算结果作为衡量准则进行控制模态的挑选;在经过挑选得到控制模态后,采用考虑了荷载空间分布相关性和广义风荷载谱中虚部成分的精确完全二次项组合方法(ACQC)进行风致响应的有效计算.将该方法运用于某大型火车站站台屋盖结构,计算表明:在采用相同的模态参与阶数的条件下,本方法得到的风致响应结果具有更高的精确性和更快的收敛性.