漂浮式光伏电站中漂浮方阵的流荷载数值预报研究

漂浮式光伏电站遭遇突发泄洪等极端情况时流荷载骤增,对漂浮方阵的整体安全构成威胁,正确评估漂浮方阵的流荷载变得十分重要。以国家能源菏泽发电有限公司建设的某大型漂浮式光伏电站为例,首先基于计算流体力学(CFD)方法对单个浮体模型所受流荷载进行数值研究,确定符合计算要求的最优网格数量;然后通过计算光伏组件以10行10列(即10×10)方式排布的漂浮方阵在0°~90°流向角下的流荷载,得到该漂浮方阵最大流荷载流向和初步的流荷载分布规律;最后通过对比分别利用3D、2.5D和2D计算方法得到的30×28漂浮方阵流荷载计算结果,完成了195×98漂浮方阵整体流荷载的预测。研究结果显示:1)不同流向角下,0°流向角时漂浮方阵所受的流荷载最大,随着流向角增大流荷载逐渐减小;当流向角为90°时,流荷载达到最小值,仅为0°流向角时的48%左右。2)0°流向角时,迎流第1行浮体所受流荷载最大,受遮蔽效应影响,后续各行的流荷载逐渐减小。3)漂浮方阵所受流荷载基本不随列变化;30×28漂浮方阵中间某列采用2D和2.5D计算方法得到的漂浮方阵流荷载与采用3D计算方法所得的结果一致。研究成果可为漂浮式光伏电站等类似大规模漂浮式结构物的流荷载预报提供参考。

稳定车流荷载下装配式梁桥静力效应分析研究

交通流荷载引起的桥梁结构活荷载效应大,研究组合梁桥在统计稳定交通流荷载作用下的应变和挠度,可以揭示结构的静力效应和动力响应规律,进而评价结构的使用性能.采用先进的桥梁结构健康监测技术,对交通流荷载参数进行采集和分析.首先,根据交通流荷载模型中各参数的概率分布函数,综合统计稳定的交通流荷载,应用简化的桥梁力学模型;其次,利用方差和相对熵来判断静态效应的期望、方差和概率密度函数的统计稳定性.最后,分析了静力效应达到统计稳定状态时全桥面预制梁在不同位置的静力效应期望、方差和概率密度函数的演化规律.

大跨度空间结构风雪流荷载模拟方法研究

为研究大跨度空间结构受风雪流荷载灾害影响,以两相流为理论基础,对通用流体软件FLUENT进行二次开发,编写风雪两相流数值模拟中的复杂边界条件及材料参数,大跨度钢结构为分析对象建立数值模型。并与风洞试验对比吻合的基础上,分析风雪流荷载对不同拱高的单层柱面网壳表面雪压分布影响,通过分析风场数据,以及在风场影响下的建筑物周边雪浓度数据。探究风雪两相耦合作用下对大跨单层柱面网壳的表面积雪分布状态。发现较低拱高的大跨单层网壳结构屋面,将面临更严峻的雪荷载威胁。

风、浪、流荷载组合对跨海桥梁动力响应的影响

为研究跨海桥梁所受风、浪、流环境荷载及其组合影响,采用国际结构安全性联合委员会(JCSS)提出的组合模型将风浪流荷载进行组合,并考虑了风浪流要素之间的相关性,对于风浪相关性采用了耿贝尔联合概率模型,并通过风海流实现了水流与风场的联合.以某跨海大桥为工程背景,分析了不同荷载组合对主梁动力响应的影响及其机理,并讨论了荷载组合中参与荷载时段和不同波浪场对计算结果的影响.研究结果表明:风、浪、流荷载对主梁位移响应影响较大,以风为主要荷载的JCSS组合比以波浪和水流为主要荷载的JCSS组合跨中位移响应偏大20%~30%;随机波浪和桥梁横向基阶模态对跨中横向响应贡献显著;主梁不同位置的位移响应受同一环境要素的影响程度不同,主跨跨中响应主要受风荷载的影响,塔梁结合处主梁响应主要受波浪荷载的影响;波浪场采用规则波模拟会低估主梁跨中位移响应.

风浪流荷载下基于AQWA的海上Spar型浮式基础稳定性分析

为了解决现阶段可再生能源利用的问题,实现深海风能的有效利用,针对设计出的OC3-Hywind 5MW Spar型浮式平台基础部分在风浪流荷载下的稳定性问题进行研究。利用ANSYS中的水动力模块(AQWA)分别对结构进行频域以及时域耦合运动响应仿真模拟,比较分析了不同工况下浮式结构各个自由度下的运动响应值,以及配重块在系泊不同位置处对结构运动响应值及系泊力的影响情况。结果表明:在不同工况作用下的浮式结构在纵摇自由度方向上的运动响应极值主要受风荷载影响,随着风速增大,响应极值也随之增大,在其他自由度上的响应极值受风、浪荷载影响较小;改变配重块在系泊缆上的悬挂位置对浮式基础在纵摇和首摇自由度方向的运动有着显著影响,并且随着配重块距离锚固点越近,响应值越大,越不利于浮式基础的稳定;未悬挂配重块的系泊力高于悬挂了配重块的系泊力,随着配重块悬挂位置离锚固点越远,系泊力越小,越能保证浮式基础在恶劣海况条件下的稳定性。

风、浪、流荷载联合作用下海上升压站结构动力响应研究

台风作用引起的极端荷载对海上升压站的安全性构成了极大的威胁。基于有限元软件建立海上升压站计算模型,采用线性滤波法的AR模型模拟脉动风,采用线性波浪叠加法及改进的JONSWAP谱模拟随机波浪场,研究了结构的自振特性和风、浪、流荷载作用下结构的动力响应特性。结果表明:海上升压站结构的各阶自振频率均不在共振频率影响区域,可以保证结构不会与波浪发生共振;结构的响应随着波浪重现期或者台风风级的增大而增大,风荷载是海上升压站结构的主控荷载;风、浪、流荷载联合垂直作用于结构轴面时,会产生极端应力、位移响应,结构设计时应当在支撑柱交接部位进行加强处理。

基于交通流荷载的高速公路沥青路面使用寿命分析

为探求交通流荷载下高速公路沥青路面的使用寿命,采用层状体系理论,建立ANSYS 3-D有限元粘弹性路面结构模型;根据损伤力学理论研究单轴载通过时由沥青层底部的最大拉伸应变造成的路面破坏;再由Miner’s线性累积损伤理论得到在实际车流荷载作用下沥青路面发生一定破坏程度时的使用寿命。计算结果表明,研究路段的沥青破坏路面等于或小于车轮路径处面积的10%仅需用3.4年,达到45%需4.5年;而使用轴载换算方法算得结果则为5.5年。

风浪流荷载作用下导管架基础结构特性分析

在风、浪、流荷载作用下,海上风电导管架基础受到较大水平荷载,为保证结构的安全稳定,有必要考虑桩土相互作用的影响。依托阳江某海上风电项目,采用美国石油协会(API)规范中的P-Y曲线法模拟桩土相互作用,运用Stoke五阶波理论和API规范推荐的风荷载计算方法进行了荷载计算,基于ANSYS软件建立了导管架基础整体模型,并对风浪流荷载下结构的受力特性进行分析,判断结构强度、位移、变形是否满足要求,给出相应的计算过程和结论,为导管架基础设计提供理论依据和设计参考。

基于弹簧—阻尼理论的海上变电站动力特性研究

近年来,随着海上风电的迅速发展,海上变电站的建设也逐渐兴起。然而,错综复杂、瞬息万变的海洋环境对变电站的安全性和稳定性提出了严峻的挑战,因此有必要加强对变电站分析和研究的重视。为了提高变电站数值模型分析的效率,研究以海上风电场变电站为中心,采用ABAQUS建立了实体土有限元模型和基于弹簧—阻尼理论的有限元模型,以模拟桩土相互作用。随后进行了模态分析、风浪流响应分析和地震响应分析研究。研究结果表明:使用两种模型进行模态分析得出的振型非常相似,频率误差小于5%。此外,在承受风和波流荷载时,两种模型得出的变电站结构响应具有显著的一致性。在地震荷载作用下,两个模型中样本点位移时程曲线的相位频率与测量数据非常接近。值得注意的是,基于弹簧—阻尼理论的模型计算出的振幅与地震波测量数据更为接近。此外,弹簧—阻尼理论方法还大大提高了计算效率。

基于南京长江三桥的车辆荷载模型

为了满足南京长江三桥的技术状态评估和预测的需求,基于该桥收费站7年的称重数据库和桥面监控视频资料,根据不同的轴组类型对日常运营的主要车辆进行了车型划分.采用参数估计和非参数估计方法,建立了车辆质量、轴距、车型、轴重等车辆荷载模型中相关参数的数学模型.然后,基于泊松过程理论、Markov过程理论和车辆跟驰模型,对车辆荷载模型中的车速、车辆到达时刻等时变参数进行随机模拟.研究结果表明:多数车型质量分布为多峰分布,宜采用核密度估计法确定其统计模型;生成随机车辆时,需考虑车辆质量与车速、轴重等参数的相关性;采用M CM C法模拟得到的随机车辆车型分布近似于桥梁实际运营中的车型分布.

沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究

为研究钢筋混凝土沉管管节在浮态浇筑系泊施工时的稳定性与安全性,对管节建立了仿真模型,并应用势流理论和水动力分析软件AQWA进行了模拟。研究设置两期浇筑模型及4种系泊方案,模拟计算施工的不同阶段在风-浪-流荷载耦合作用下、潮位变化时管节在6个自由度上的运动响应和缆绳张力。结果表明:在浮态浇筑施工中,位移与摇动主要发生在平行于流速方向的纵荡、平行于风向的横荡和以流速方向为轴的艏摇,纵荡的震荡幅度最大。拟定4种系泊方案中,采用六点系泊法的方案三与方案四在模型运动响应中表现较佳,其中包含12条缆绳的方案四可以显著降低管节的运动幅值,施工后期缆绳张力分布更加均匀,未超过安全张力范围,符合工程安全要求,是最佳系缆方式。

基于MTMD系统的弧形钢闸门减振分析

为了减轻弧形钢闸门因流激荷载而引起的振动,可采用多阻尼调谐质量阻尼器(MTMD)抑制结构的过大响应。首先将闸门简化为单自由度结构,建立结构-MTMD系统的运动方程,推导出结构动力放大系数计算式;然后以结构动力放大系数为工具,求出弧形闸门MTMD最优频带宽度、阻尼比和TMD数量等系统参数;在此基础上对被控闸门进行流激荷载响应分析。对比闸门设置MTMD前后的位移和速度时程曲线,结果表明:多调谐质量阻尼器能有效降低闸门的动力响应幅值。

流变荷载作用下隧道二次衬砌损伤行为研究

软弱围岩的流变效应容易导致隧道二次衬砌开裂,影响结构的安全性和耐久性。因此,文章以广甘高速杜家山隧道为例,建立考虑Weibull损伤分布的混凝土数值计算模型,对流变荷载作用下二次衬砌的损伤演化行为进行了研究。结果表明:(1)若二次衬砌与围岩接触良好,衬砌损伤区域在侧压力系数λ为0.5,1,2时,分别分布在拱腰、拱脚以及拱顶与拱底附近;(2)空洞对衬砌损伤区域及其出现顺序都有较大影响,即损伤首先在空洞附近的混凝土中产生,且该位置处的混凝土均会产生较为严重的损伤;(3)地应力对存在空洞的二次衬砌损伤模式的影响可以分为两种,即影响损伤位置出现的先后顺序,但不影响结构最终损伤形态,或既影响损伤的出现顺序,又影响结构的最终损伤形态。

基于特征熵权与样本加权的大跨桥梁多车道交通荷载聚类模型

为满足交通流荷载作用下大跨桥梁结构评估的需要,研究了基于荷载参数特征的交通流状态划分方法。首先,基于实测交通流数据,按照车道属性统计分析得到交通流的单位小时特征参数样本,选择单位小时内车型比例、车头间距及交通流速度作为交通流状态划分的参考特征;其次,改进经典k-means聚类算法以增强其对高维、复杂交通流荷载分类的鲁棒性,即通过引入特征熵值来表征各特征参数对聚类效果的重要性,同时计算样本点与周围样本点的接近程度来赋予样本点权值,以削弱样本离散性对聚类质量的不利影响;最后,通过聚类算法得到11种具有不同参数特征的交通流荷载,分析了其作用下某大跨斜拉桥拉索应力响应及造成的疲劳损伤。结果表明:改进算法的聚类质量指标比原始k-means算法提高了40%以上,对交通流状态划分具有良好的适用性;通过算法得到的不同类别的交通流荷载的特征参数差异性明显,其占有率也大不相同,同一类别的交通流荷载各样本特征参数聚拢效果良好;同车道内不同类别的交通流荷载的拉索等效应力差别较大,其变异系数均在0.2以上,尤其在考虑了不同交通流荷载模型的占有率后,这种差异性进一步增大。上述结果表明该交通流荷载聚类与模拟方法是有效、准确的,对相关大跨桥梁结构安全及耐久性评估有一定的参考价值。

并道运行状态下高速公路桥梁车辆荷载效应

为得到并道运行状态下车辆荷载对桥梁结构的作用效应,利用1座连续梁桥的实测车辆荷载数据,研究了并道运行状态下高速公路桥梁的车辆荷载效应分析方法。首先,根据车辆并道的特点,通过EM算法得到了车重、轴重、轴间距和车间距等参数的分布特征;然后,针对并道运行状态下车间距减小和拥堵的2种情况,提出了相应随机车辆荷载流的模拟方法;最后,结合随机车辆荷载影响线和极值分布理论,计算得到了并道运行状态桥梁车辆荷载效应的评估值,并分析了车间距对车辆荷载效应的影响规律。研究结果表明:并道运行状态下车重、轴重、轴间距服从混合Gauss分布,车间距服从对数正态分布;针对并道运行状态随机车辆荷载的模拟方法可以较好地分析该状态下高速公路桥梁的车辆荷载效应,其中车辆并道状态下所研究桥梁的荷载效应评估值分别为汽车超-20、公路Ⅰ级的1.13、1.03倍;当车辆并道且发生拥堵的最不利状态时,荷载效应分别为设计荷载汽车超-20、公路Ⅰ级的1.29、1.17倍;车辆并道受车间距的影响较大,车间距在2~5m时车辆间距内的效应值与车辆间距的大小基本呈线性关系,当车辆间距控制在10m以上时,可确保该桥实际车辆荷载效应小于设计荷载效应。研究结果可为并道运行状态桥梁承载能力评估和并道运行的交通布控提供参考。

基于车辆荷载模型的斜拉索索力随机模拟及疲劳分析

为了满足斜拉索状态评估和养护管理的需求,提出基于车辆荷载模型的斜拉索疲劳寿命分析方法。以桥梁收费站的静态称重数据和桥面监控资料为依据,采用极大似然估计和最大期望(EM)算法,建立了12类车型及车重、轴重、车速等相关参数的车辆荷载统计模型。基于Monte-Carlo方法、泊松过程理论和车辆跟驰模型,编写计算程序进行随机车流仿真分析,随机生成车辆荷载的作用位置和大小,并在影响线上加载得到活载索力时程,将其与长期监测系统得到的实测活载索力时程进行对比分析,验证了该模型的有效性。然后,考虑车辆荷载模型的长期趋势,结合腐蚀斜拉索的应力-疲劳寿命(S-N)曲线和Miner线性累积损伤理论,分别对未腐蚀和腐蚀2种情况的斜拉索长期性能进行了分析与预测。研究结果表明:各车型质量统计数据呈现多峰分布特征,建立随机车辆荷载模型时,宜采用混合分布模型,并考虑车重与轴重之间的相关性;建立的随机车流仿真模型计算得到的活载索力与实测活载索力具有较高的相似度,相对熵(KL)散度在0.1左右,证明该模型能较为准确地模拟实际的交通荷载流,可用于进一步的分析和预测;腐蚀是影响斜拉索疲劳寿命的重要因素,根据试验桥的分析结果,未腐蚀的斜拉索基本不存在疲劳问题,但腐蚀使斜拉索的疲劳寿命迅速降低,甚至会发生早期断裂。

重载交通路段桥梁荷载效应的分析与研究

利用山西省多条重载交通道路实际交通状况现场调查结果,分析确定其车辆荷载分布的类型和统计参数。并以此为依据,采用蒙特卡洛方法模拟实际车辆荷载流,对不同跨径、不同结构形式的桥梁计算其荷载效应,确定出任意时点的荷载效应分布函数。从而得出设计基准期内车辆荷载效应的分布类型及统计参数,并与现行规范进行对比分析,总结出重载交通条件下车辆荷载标准。