跨海特大型桥梁风-浪耦合作用的随机振动分析

考虑风-浪耦合场中风和波浪特征参数的相关性,建立了基于有限元法与边界元法联合分析的特大型桥梁风-浪耦合作用运动方程.其中,作用在大型深水基础上的波浪力采用势流理论和边界元法进行计算,并建立有限单元与边界元单元组的映射关系,将边界单元组上的波浪力映射到结构有限单元上;作用在桥梁上的气动力通过有限元法进行计算,包括由脉动风激发的非定常抖振力和由气弹相互作用产生的自激力.在此基础上,基于随机振动分析的高效算法——虚拟激励法,建立了计算桥梁风-浪耦合作用响应的分析方法.最后,针对某跨海超大跨桥梁方案进行研究,结果表明:与风致响应相比,风-浪耦合作用下桥梁深水基础内力显著增大,其中波浪激发的侧向剪力占主导地位,波浪激发的侧向弯矩在海床附近与风致响应基本相当,但在海床以下更大;斜风-波浪耦合作用下的主梁内力响应和深水基础内力响应比正交风-波浪耦合作用下的结果更大.因此,在跨海桥梁设计中,必须考虑风-浪耦合作用效应.

风-浪-流-RNA运行耦合作用下近海风电结构动态响应分析

近海风电结构不仅长期遭受风、浪、流等荷载的耦合作用,还需承担风轮-机舱组件(Rotor-Nacelle Assembly,RNA)运行作用带来的额外动力影响,这不仅会加剧结构受载集中部位的损伤,还会影响甚至中断发电机组的正常运作。为探索近海风电结构关键部位的动力特性及振动模式,该文建立考虑风-浪-流-RNA运行的单桩风电塔的耦合分析模型,采用Von Karman风谱模型和叶素动量理论计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪及海流荷载,对NREL 5MW单桩塔的塔顶、叶根及单桩底部开展动力响应分析。基于频谱分析法探究结构各关键部位的响应激励源;研究了在3~30m/s风速范围内,近海风电结构动态响应随风速及海流流速的动力特性变化规律。结果表明:近海风电结构动态响应在不同工作状态下会呈现不同的频谱特征,其动态响应时程的均值与峰值随风速增加呈非线性的变化趋势。

连续刚构桥风-浪作用效应分项系数确定方法

立足于海上多跨连续刚构桥,研究其在海上风-浪联合作用及不利的车辆布载影响下的可靠性能和设计表达式.从随机理论的角度出发,将作用于跨海连续刚构桥的汽车、风、浪作用简化为泊松过程,在采用Ferry Borges-Castanheta(简称FBC)法组合时进一步假设其为FBC过程.其中涉及的风、浪、车均为极端情况,风-浪作用组合时考虑两者的相关性,汽车作用的极端性体现在它的布置而非其荷载的大小上.为了确定极端风-浪作用影响下的跨海连续刚构桥设计表达式,采用思路步骤相对简单、主要依赖于计算机数据处理的Monte-Carlo方法进行模拟计算,根据结构可靠度指标与目标可靠度指标之差平方和为最小的原则,得出最佳设计分项系数.

浅海风-浪-流-海床耦合场非定常时空演化规律及评价指标

浅海地区海床地貌与波浪场、海流场和风场之间存在很强的实时耦合作用,现有分析模型无法直接考虑海床的影响因素,更难以解释典型海床地貌与海浪、剪切流和梯度风耦合场的非定常演化机理.基于STAR-CCM+平台二次开发,构建了海底平原、海底斜坡、海槽和平坦地貌4种典型海床地貌条件下的浅海风-浪-流数值水池;提出多层质点速度耦合方法并建立了多层风-浪-流耦合模型,在初始时刻即实现了风-浪-流场解耦,对比分析了各海床地貌下波浪场、海流场和风场的时空演化规律;引入主成分分析法对各典型海床地貌下风-浪-流非定常效应进行评价,建立风-浪-流-海床耦合场全生命周期非定常评价指标.结果表明:多层风-浪-流耦合模型能更真实反映垂向风速和流速分布不均匀对波浪场的影响;海床地貌会导致波浪场在演变过程呈多阶段时程分布,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工况共分为波面激增、衰减和稳定阶段,海底平原工况分为外破波、内破波和爬坡阶段;海流场在演变过程呈多段式空间分布,海床导致海流场形成多涡积聚或多涡共存的现象;风-浪-流-海床耦合演化对风剖面指数产生放大作用,海床床面高度与风剖面系数成正比关系;平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化终期非定常评价指标分别为0.268、4.612、0.672和0.926.

风-浪-流耦合作用下跨海斜拉桥涡动力特性

为了提高跨海桥梁的安全性,基于两相流理论,建立了跨海桥梁-随机风-波浪-水流四者耦合的三维计算流体动力学模型,对跨海斜拉桥在单风和风-浪-流耦合作用下的涡动力特性、绕流特性和桥梁表面的气动响应进行了对比研究。结果表明:风-浪-流耦合作用造成的桥梁周围绕流和涡结构破碎现象相比单风更加复杂;自由液面以下,水体会对涡量产生抑制作用,导致桥梁在单风作用下的涡量大于风-浪-流耦合作用下;在自由液面附近,随机风对桥梁涡动力的影响增强,使涡量产生骤增;风-浪-流耦合作用下,风会助推波浪,导致下部桥塔所受冲击荷载大于上部桥塔;在一定距离范围内,波浪和水流会对桥上的气动力造成影响。

海洋工程数值风-浪-流水池模拟及分析

针对海洋工程中风-浪-流三者之间复杂的非线性相互作用,系统研究了风-浪-流相互作用机理。基于不可压缩Navier-Stokes方程,通过对FLUENT软件进行二次开发,构建了三维海洋工程数值风-浪-流水池。将数值水池模拟结果和理论值进行了对比,二者吻合较好,表明所建模型具有较高的精度;借助所建立的数值模型,成功模拟了波浪、波浪-海流以及海风-波浪-海流之间的相互耦合作用。研究结果表明,单独浪-流耦合作用时海流对于波浪运动参数具有较大影响,波流同向时,海流导致波浪传播速度和波长增大,幅值减小;波流逆向时,波浪传播速度和波长均减小,波幅增大,且海流速度越大,波浪参数增大或减小的幅度越明显。风-浪-流三者耦合作用时,风会导致波浪传播过程中波长增大,波幅减小,同时会导致波峰呈现一定倾角,加速波浪发生破碎。本文研究成果可为处于风-浪-流中的海洋工程结构物力学分析提供借鉴。

考虑RNA运行作用的近海风电结构TMD振动控制研究

为探究风轮-机舱组件(RNA)运行作用对近海风电结构调谐质量阻尼器(TMD)振动控制的影响,以NREL 5 MW单桩风电塔为对象,基于风-浪-流-RNA运行耦合的近海风电结构分析模型,通过定点理论对风电塔架一阶频率设计TMD参数。结合RNA控制策略下风电机组的时变振动特性,分别研究TMD对近海风电结构塔顶前后向及侧向动力响应的控制机理。结果表明:由于前后向与侧向动力条件的不同,TMD无法有效控制塔顶前后向振动,但可显著抑制塔顶侧向振动响应。

风-浪-潮耦合作用下桩基荷载确定方法研究

为解决风-浪-潮耦合作用对跨海大桥桩基的影响,对比分析中、英、美三国规范计算波浪力的方法,结果表明各规范的区别在于定义结构物大小尺度以及参数取值,美国规范适用范围最小,我国规范在参数取值方面考虑了增大系数和群桩系数,使得波浪力的计算方法适用范围更广,参数取值更为合理。在规范方法的基础上,提出了同时考虑风荷载、波浪荷载、潮流荷载三因素的风-浪-潮耦合作用桥梁桩基外荷载计算公式,并给出风-浪-潮耦合荷载等级及参数具体取值,为分析跨海大桥桩基风-浪-潮耦合作用问题时提供了理论方法与参数依据。

地震载荷对15MW海上风力机动态响应的影响

为研究地震载荷对15 MW海上风力机动态响应的影响,基于模态加速度法计算了15 MW海上风力机在风-浪-震耦合工况下的支撑结构载荷、塔顶加速度和气动性能,并与无地震工况下的计算结果进行比较。结果表明:地震载荷对侧向剪切力和横摇弯矩影响显著,而纵向剪切力及俯仰弯矩主要受到湍流风作用;地震发生后塔顶最大加速度增幅可达441%,风轮气动推力和扭矩均发生大幅振荡,发电机功率在短时间内波动剧烈程度增大一倍左右;在风电并网的相关研究中,应当考虑由地震载荷引起的短时功率波动对电网的冲击作用。

随机车流-风联合作用下沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳寿命预测

为了预测沿海大跨度斜拉桥拉索在车流、风和波浪等变幅荷载长期作用下的疲劳寿命,提出了沿海大跨斜拉桥拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下拉索应力谱的计算方法和步骤,并基于线性疲劳累积损伤理论建立了斜拉桥拉索疲劳可靠度的计算框架。首先,根据桥上实测车流数据,建立了随机车流模型,基于桥址处风浪观测数据,运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型。然后,将生成的随机车流及风浪荷载作为外部激励,基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台,实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。最后,基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式,并以一座沿海大跨斜拉桥为例,结合桥址处的实测车流、风和波浪数据,计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明:车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值,风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分,而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小,可以忽略。此外,在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下,拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布,并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低,为121年。研究成果可为沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳可靠度分析及疲劳寿命预测研究提供参考。