多土层桩-土耦合效应对静止状态下近海超大型风力机地震动力学响应及屈曲的影响分析

以近海DTU 10MW超大型风力机为研究对象,选用东海实测海床土壤参数构建桩周土水平抗力-桩基形变(p-y)曲线,并基于非线性弹簧单元建立纯砂土、纯黏土及多土层桩-土耦合效应模型,选取实测地震位移数据作为地震载荷,采用有限元方法对比研究了3种桩-土耦合效应下风力机动力学响应特性。结果表明:多土层桩-土耦合效应下塔顶位移、塔顶前后位移及侧向位移峰值及其波动的剧烈程度小于纯砂土,但大于纯黏土,采用纯砂土或纯黏土构建桩-土耦合效应模型将导致预估响应结果不准确;不同桩-土耦合效应下,塔架一阶模态均被地震载荷诱发;地震作用时纯砂土桩-土耦合效应下塔架屈曲因子最小,多土层次之,纯黏土最大;塔架最大剪应力峰值位于塔架支撑结构处,地震作用时塔架下端易发生局部屈曲,结构设计时应重点关注此处。

基于三维地震作用下桩-土耦合效应近海超大型风力机动力学响应研究

近海风力机的大型化更易受地震侵袭,地震能量通过土基传递至结构,以准确的桩-土耦合效应模型考虑三维地震诱导的动力学响应十分必要。为此,以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,基于p-y、t-z及q-z曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合效应模型,选取实测地震位移数据为地震作用于风力机,采用有限元方法对不同桩-土耦合效应模型的单桩式风力机动力学响应进行研究。结果表明:采用集中质量点模拟叶片等上部结构的简化模型与风力机整机结构动力学特性差异较小,垂向桩-土耦合效应加剧了前四阶模态相对位移且改变三阶及四阶模态振型,垂向桩-土耦合效应使得塔架固有频率远离共振频率,安全裕度更大;桩周土摩阻力和三维地震作用下桩-土耦合效应加剧塔顶加速度响应波动及峰值,峰值分别增加49%及124%,标准差分别增大2%和52%,且流、横及垂向塔顶加速度响应也剧增,横向增幅最大,分别增大209%和318%;若仅以p-y曲线及p-y、q-z曲线构建桩-土耦合效应模型,将导致对地震作用下风力机动力学响应的评估不足;支撑结构最大等效应力在考虑垂向地震作用下的桩-土耦合效应后大幅降低,最大降幅为566%;三维地震作用下桩-土耦合效应加剧桩基及其各高度处位移响应。

不同桩-土耦合效应对风浪联合作用下风力机动力学响应及结构损伤影响分析

以近海DTU 10 MW大型单桩式风力机为研究对象,利用Kaimal风谱模型与P-M谱分别建立湍流风场并定义波浪分布,基于绕射理论计算波浪载荷。选用东海某风电场土壤参数建立桩-土耦合效应模型,对比分析风浪载荷下基于不同桩-土耦合效应的风力机动力学响应、疲劳寿命及稳定性。结果表明:桩-土耦合效应对风浪载荷下风力机动力学响应起阻尼作用,将大幅降低其动力学响应,在抗风浪研究中,桩-土耦合效应不可忽略,否则将过度估计动力学响应;基于线性桩-土耦合效应与非线性桩-土耦合效应的风力机动力学响应、疲劳损伤及1阶屈曲因子相差较小,而较之于非线性桩-土耦合效应,风浪联合作用下多土层桩-土耦合效应风力机动力学响应略剧烈,疲劳寿命及1阶屈曲因子略小。

中央扣对大跨径自锚式悬索桥地震反应的影响

为了研究不同形式中央扣对大跨径自锚式悬索桥地震反应的影响,结合某自锚式悬索桥工程实例,利用Midas/Civil程序建立其未设中央扣、设置刚性和柔性中央扣的三种有限元模型,在同时考虑纵横竖三个方向的地震作用下,先用相对运动法(RMM)法来考虑行波效应,然后采用等效嵌固模型考虑桩土耦合效应。研究表明:行波效应使结构地震反应明显增大;当进入弹塑性阶段,中央扣能较好地降低结构的变形、弯矩;但设置中央扣对结构不同构件的受力影响规律不相同。

波流荷载对导管架塔架动力特性的影响

以导管架基础塔架为研究对象,建立了4种桩-土相互作用数值模型来考虑桩-土耦合效应,计算分析了波流荷载作用下不同复杂程度的桩-土耦合模型对导管架基础塔架动力特性的影响。结果表明:1)塔架振动模态、自振频率、风机整体动力响应受桩-土耦合效应影响显著;2)采用各模型计算的塔架顶端加速度、桩基位移、节点内力、桩身弯矩等规律类似;3)采用6D简化模型,不能考虑桩-土相互作用,只可用于初步分析;4)采用目前应用范围最广的p-y+t-z曲线非线性模型计算得到的动力响应偏大,计算结果偏于保守;5)三维有限元模型能较好地考虑桩-土相互作用的影响,但计算时间偏长,不适用于工程设计,但可用作其他模型的校核与准确性评价。