跨海桥梁大尺度基础波浪荷载计算方法对比研究

波浪荷载是跨海桥梁基础的主要环境荷载之一。为了探究大尺度桥梁基础上各类波浪荷载计算方法的差异,分别采用了当前研究中较常用的Morison方程、规范、基于边界元法的三维绕射理论和基于Navier‐Stokes方程的CFD方法计算了某跨海桥梁大尺度圆端型沉井基础在规则波作用下的波浪荷载,研究了不同结构相对尺度对各方法计算结果的影响,并重点比较分析了后两种数值方法的三维流场分布,三维压力场分布,以及非线性二阶力效应的影响。结果表明,在结构相对尺度为0.2左右时,上述方法的计算结果接近,随着结构相对尺度的增加,边界元与CFD方法依然吻合较好,规范方法给出了较为保守的波浪荷载,Morison方程可能高估了波浪拖曳力的贡献。边界元与CFD方法计算得到的速度场与压力场结果整体趋势一致,但在沉井前端自由液面与物面,沉井侧面的波谷等局部区域会产生明显差异,这可能是由于二者考虑绕射效应与黏性效应的理论不同。在边界元方法中考虑非线性二阶力效应会使其波浪荷载结果小幅度增大,并在频谱中增加差频二阶力及和频二阶力成分,考虑非线性二阶力效应后,边界元与CFD方法的频谱曲线更加吻合,边界元方法能更精确地计算波浪荷载。边界元与CFD方法均能合理地给出大尺度结构物波浪荷载结果,研究结论可为跨海桥梁工程波浪荷载的准确计算提供了依据。

海上风电大尺度预应力筒型基础结构预应力优化设计

应用于海上风电工程中的大尺度筒型基础为钢筋混凝土结构,中间的弧形过渡段为塔筒和筒基之间的传力过渡段,因而对其传力性能和防腐性能有着较高的要求.为优化大尺度筒型基础过渡段的传力性能和防腐性能,对基础上部弧形过渡结构施加预应力.借助有限元软件ABAQUS,对施加有预应力的大尺度筒型基础结构进行数值模拟分析.在极限荷载、交变荷载及相同的边界条件下,在弧形过渡结构上作用不同大小的有效预应力,计算各种情况下的弧形过渡结构和基础环梁受力特征,通过其主拉应力、主压应力的峰值以及主拉应力大于2,MPa的分布区域来分析结构受力性能.经过计算分析可知:弧形过渡结构在有效预应力增加到800,MPa时,继续增大预应力值,过渡结构抗裂性能趋于稳定;基础环梁在作用600,MPa有效预应力情况下,其抗裂性能最佳.在基础预应力设计中,应综合考虑两部位的受力变化趋势.有限元模拟的是有效预应力,在实际工程中,除考虑各种预应力损失外,应适当增加张拉控制应力.

大尺度海上风电筒型基础在风荷载下的响应研究

用ABAQUS有限元软件分析大尺度海上风电筒型基础在风荷载作用下的响应,通过改变土质参数(土体密度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等)和荷载幅值,主要研究沉降的发展和周围土体的反应。研究表明:土体的强度越大,筒的沉降及其对周围土体的影响范围越小;荷载幅值越大,筒的沉降及其对周围土体影响范围越大,在土体强度和荷载幅值两个影响因素中,荷载幅值的影响更为明显。在加载过程中早期阶段,土体不会沉降,但其影响区域明显,随荷载幅值的逐渐增大,筒周围的土体会产生凹形沉降;后期阶段,筒逐渐沉降,土层逐渐固结,随着已发生沉降的土的固结和筒的沉降,筒与土的相对运动最终将达到一个稳定的阶段。地基土及筒型基础在水平循环荷载作用下的累积变形与蠕变过程相似。

近海浅滩地区大尺度海上风电筒型基础在风荷载作用下的响应

把现场实测的加速度时程转换为实际荷载作用在模型中,把风速时程转化为风荷载,用ABAQUS有限元软件分析了基础和土体在荷载作用下的响应,比较了风荷载和塔架涡激振动等其他因素分别对实际荷载的贡献;主要研究了沉降的发展和基础及周围土体应力在不同时程内的变化,以及加载结束后土体内的等效塑性区等影响区域的情况,通过变化土质参数(土体密度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等),考察了筒型基础在不同土质中荷载作用下的反应情况.研究表明:随着加载的持续,土体中的应力值逐渐增大,基础周围的土体会产生马鞍形的沉降,土体中的等效塑性区产生在基础底部距筒底端约2倍筒高处,土体的强度越大,筒的沉降越小其对周围土体的影响范围也越小.

海上风电大尺度筒型基础分舱优化设计

以世界第一台可整体安装的风机结构"CBF-3-150"为对象,通过气浮理论和MOSES软件分析不同分舱形式下大尺度筒型基础的浮稳性参数,认为对大尺度筒型基础进行分舱可以明显提高结构的浮稳性;分舱大小会影响大尺度筒型基础的初稳性高和面积比;在内舱半径相同的条件下,四边形和六边形内舱分舱形式较之于有相同分舱数的圆形内舱分舱更优;对于该大尺度筒型基础结构,建议采用外接圆半径为7.5 m的正六边形分舱形式。

Towing characteristics of large-scale composite bucket foundation for offshore wind turbines

In order to study the towing dynamic properties of the large-scale composite bucket foundation the hydrodynamic software MOSES is used to simulate the dynamic motion of the foundation towed to the construction site.The MOSES model with the prototype size is established as the water draft of 5 and 6 m under the environmental conditions on site.The related factors such as towing force displacement towing accelerations in six degrees of freedom of the bucket foundation and air pressures inside the bucket are analyzed in detail.In addition the towing point and wave conditions are set as the critical factors to simulate the limit conditions of the stable dynamic characteristics.The results show that the large-scale composite bucket foundation with reasonable subdivisions inside the bucket has the satisfying floating stability.During the towing process the air pressures inside the bucket obviously change little and it is found that the towing point at the waterline is the most optimal choice.The characteristics of the foundation with the self-floating towing technique are competitive for saving lots of cost with few of the expensive types of equipment required during the towing transportation.

海上风电大尺度顶承式筒型基础承载力特性有限元分析

与现有的海上风电传统筒型基础相比,新型筒型基础——大尺度筒顶承载式筒型基础凭借其特有的宽浅式筒顶承载模式和更大的承载能力已经越来越受到关注。所以,合理地建立此类新型筒基基础的极限承载力和地基的破坏包络面,分析其承载特性,对于该基础结构设计和实际应用过程中的安全性和稳定性研究起着重要的作用。通过大型有限元软件ABAQUS,利用位移加载控制方法﹑Swipe试验加载方式和荷载-位移联合控制搜索方式,对5MW海上风机大尺度筒型基础的两种典型形式进行承载力特性弹塑性分析和对比,得出在单方向荷载单独作用下,弧线型筒型基础的极限承载力比直线型高出6%~8%,在荷载组合作用下,弧线型筒基比直线型有更广泛的三维破坏包络面,即弧线型筒基在各个方向上的极限破坏值,都要比直线型的要大,表现出更好的承载性能;同时对两种大尺度筒型基础的破坏模式进行分析。研究结果为进一步的基础结构选型和优化设计提供参考依据。