Application of artificial neural networks in optimal tuning of tuned mass dampers implemented in high-rise buildings subjected to wind load

High-rise buildings are usually considered as flexible structures with low inherent damping. Therefore, these kinds of buildings are susceptible to wind-induced vibration. Tuned Mass Damper（TMD） can be used as an effective device to mitigate excessive vibrations. In this study, Artificial Neural Networks is used to find optimal mechanical properties of TMD for high-rise buildings subjected to wind load. The patterns obtained from structural analysis of different multi degree of freedom（MDF） systems are used for training neural networks. In order to obtain these patterns, structural models of some systems with 10 to 80 degrees-of-freedoms are built in MATLAB/SIMULINK program. Finally, the optimal properties of TMD are determined based on the objective of maximum displacement response reduction. The Auto-Regressive model is used to simulate the wind load. In this way, the uncertainties related to wind loading can be taken into account in neural network’s outputs. After training the neural network, it becomes possible to set the frequency and TMD mass ratio as inputs and get the optimal TMD frequency and damping ratio as outputs. As a case study, a benchmark 76-story office building is considered and the presented procedure is used to obtain optimal characteristics of the TMD for the building.

A Review of the Calculation Methods of Lifting Capacity in Wind Loads on Ocean Platforms

Wind load is a control load that affects the safety of structures in the design of ocean platforms. It has not only direct and powerful effects that may cause structure resonance but also has indirect effects causing waves or currents in the ocean. By analyzing the domestic and international norms, this study presents a review of calculation methods of wind load on ocean platforms, which belongs to large-scale non-entity structure used in the open sea while surrounding wind has no fixed direction. Current computations according to the norms are not accurate, which even not takes the force of the wind against the surface perpendicular to the structure into consideration. Additionally, this study also introduces and compares the lift model of platforms based on different theories, such as vortex-excitation and vibration, engineering structure dynamics, gas flow pressure theory, analyzing their applicability, advantages, and disadvantages. This paper analyzes the limitations and applicable conditions of the existing calculation method itself, such as the lift model is suitable for the existence of stable vortex wake;the calculation method of the structural dynamics of marine engineering must be combined with the wind tunnel test and consider the mistakes caused by the position relationship;the numerical simulation method is accurate but tedious. This study provides an insight into the calculation methods of lift in designing ocean platforms, including the finite element method for simulating fluid force and updating formulas in Chinese norms.

Multi-Objective Optimal Dispatch Considering Wind Power and Interactive Load for Power System

With the rapid and large-scale development of renewable energy, the lack of new energy power transportation or consumption, and the shortage of grid peak-shifting ability have become increasingly serious. Aiming to the severe wind power curtailment issue, the characteristics of interactive load are studied upon the traditional day-ahead dispatch model to mitigate the influence of wind power fluctuation. A multi-objective optimal dispatch model with the minimum operating cost and power losses is built. Optimal power flow distribution is available when both generation and demand side participate in the resource allocation. The quantum particle swarm optimization (QPSO) algorithm is applied to convert multi-objective optimization problem into single objective optimization problem. The simulation results of IEEE 30-bus system verify that the proposed method can effectively reduce the operating cost and grid loss simultaneously enhancing the consumption of wind power.

浮式风力机若干特征动力学问题综述

总结浮式风力机类型及其对应的特征动力学问题,针对浮式风力机气动荷载、水动荷载的计算方法以及结构动力学、控制动力学典型问题进行论述。讨论了气动—水动—结构—伺服耦合分析的难点,重点分析了二阶波浪力、畸形波等非线性波浪荷载、流荷载及涡激运动对浮式风力机特征动力响应的影响。阐述了浮式风力机动力学研究的试验方法、数值仿真方法、样机测试方法,并对模型试验技术的相似理论、气动模型的实现和难点以及数值仿真的频域方法、时域方法和分析工具进行了归纳对比。研究表明:浮式风力机多场、多体耦合动力分析机理及相关技术仍不成熟,气动荷载、高阶非线性波浪荷载耦合模型的建立是动力学问题研究的重点,数值仿真及模型试验是浮式风力机动力响应研究的主要方法,样机测试技术的积累将促进设计标准的完善及浮式风电的产业化发展。

基于减载风电和储能的双层模型预测控制风电波动平抑策略

储能在平抑风电功率快速波动过程中频繁地充放电和过高地放电将深度影响储能寿命。为此,提出一种减载风电和储能协同平抑风电功率的方法,利用减载风电出力来减小储能充放电切换次数和放电深度。建立风储系统模型,利用双层模型预测控制优化方法:上层控制基于风功率预测数据进行滚动优化,在满足风电并网波动要求基础上,以储能和减载风电总出力最小为目标函数,通过模型预测控制方法求得储能和减载风电总功率;下层控制以储能功率变化率最小和出力能力最大为目标函数,通过模型预测控制方法分配储能和减载风电出力。最后对某风电场进行仿真研究。结果表明,所提控制策略使储能寿命和出力能力得到有效提升。

含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风电场等值建模方法

为建立准确的具有主动支撑能力的直驱风电场等值模型,提出一种含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风电场等值建模方法。首先,建立包含减载控制和虚拟惯量控制的直驱风机并网系统模型;其次,依据适应性分析选取转速、减载系数、惯性系数和阻尼系数作为分群指标;然后,基于分群指标利用改进K-means算法对直驱风电场中的机组进行聚类分群,得到直驱风电场的等值模型;最后,利用实际算例在不同场景下进行仿真和计算,对等值建模方法的准确性进行验证。

基于变论域云PI的含风电负荷频率控制方法

随着风电渗透率不断提高,其不确定性严重影响了电力系统频率稳定。基于此问题,建立了含风电的互联电力系统负荷频率控制模型,其中风机通过附加下垂与虚拟惯性控制参与频率调节。在此基础上,为解决风电接入系统引起的频率波动问题,提出变论域云PI负荷频率控制策略,对云模型输入和输出论域动态调整。为避免增加控制器的复杂程度,基于函数形式设计论域的伸缩因子。最后,仿真结果表明,所设计的控制器能进一步提高云PI控制器的自适应能力,更好地处理风电不确定性对系统频率的影响。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

考虑负荷侧惯量不确定性的机组组合

针对新能源高占比电力系统的频率安全问题和频率安全评价指标中只考虑电源侧惯量的问题,提出一种考虑电源侧惯量和负荷侧惯量并计及预测误差随机性的安全约束机组组合优化模型。首先,推导包含系统整体惯量的频率变化率和频率最低点公式。然后,深入研究电网调度运行的不确定因素,利用蒙特卡洛对风电功率预测误差概率分布模型抽样生成典型场景,利用随机规划理论对负荷侧惯量预测误差建模,在机会约束规划的基础上将其纳入频率约束中,建立随机机会约束的频率安全机组组合优化模型。最后,通过改进的10机算例,验证所提模型的经济性和频率安全性。

海上风机支撑结构承载性能试验研究

基于波流水槽开展的模型试验,设计了风机支撑结构受到水流、循环荷载、无水和静水环境条件等工况,获得了单向流作用、循环荷载作用以及单向流与循环荷载共同作用等不同荷载组合下风机支撑结构的承载性能.结果表明:循环荷载作用下风机支撑结构在无水条件下的产生的累积位移是静水条件下的46.12%,单向流和循环荷载共同作用时,支撑结构累积位移较单独荷载作用效果叠加时增加了60.84%.在有水的环境和多种荷载共同作用下,风机支撑结构承载性能有明显降低,因此,在海上风机结构设计和安全评估时应考虑多种荷载共同作用的影响.

基于荷-储碳流模型的电力系统双层优化调度

为减少高耗能机组出力,同时增加风电消纳能力,考虑负荷和储能两类灵活调用资源,提出基于荷-储碳放流模型的电力系统双层经济低碳优化调度方法。基于电力系统碳排放流理论,分别建立负荷和储能设备的碳排放流模型;设计考虑荷-储协同优化的低碳调度策略,在负荷侧建立基于负荷节点碳势的电-碳耦合价格需求响应模型,同时鉴于荷侧降碳调节的局限性,在储能侧建立基于碳流模型的低碳调度策略,实现荷-储协同低碳调度策略;考虑经济性和低碳性,建立包含上层经济调度、下层低碳调度的双层优化调度模型。通过改进IEEE-14节点系统对优化调度方法进行仿真验证,结果表明:提出的优化调度方法在保证经济性的同时,减少了弃风,并降低了高耗能机组出力,从而有效降低了全系统的碳排放。

基于节段模型测力方法的塔式起重机风荷载特性研究

塔式起重机被广泛应用于铁道工程和土木工程施工过程,属于高耸结构体系,风荷载是塔式起重机结构设计的控制性荷载。为完善《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—2017)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的塔式起重机斜风向设计风荷载计算方法,解决风向、吊臂、平衡臂位置等因素对塔式起重机遮挡和干扰引起的设计风荷载计算问题。选取平头塔式起重机为研究对象,对塔身、吊臂、平衡臂进行多工况的节段模型测力风洞试验,研究湍流强度、节段干扰和遮挡等因素对塔式起重机节段风荷载特性的影响规律,研究不同风向下节段阻力系数分布规律,对比标准化阻力系数与当前主要规范的异同,进而探讨节段斜风向标准化阻力系数计算方法。研究结果表明湍流强度对节段阻力系数影响较小,可忽略,而平衡臂和吊臂相邻节段的干扰会减小测试节段的阻力系数;在斜风向下,由于吊臂和平衡臂之间存在相邻节段干扰,国内外规范方法的计算值均会大于干扰工况的节段风洞试验值;当前主要国家规范规定的垂直风向塔身、吊臂、平衡臂阻力系数与风洞试验测得的阻力系数值较为接近,基于风洞试验结果给出典型风向的塔式起重机各节段的风荷载系数取值可用于结构设计;基于风洞试验测试结果推导的塔式起重机斜风向风荷载计算方法具有较好的拟合效果。研究成果可推荐相关工程应用,可为相关规范的修改或补充提供参考。

基于HSS模型海上风电桶形基础水平循环承载特性对比研究

采用土体本构模型对黏土中的桶形基础进行了有限元模拟,以研究桶形基础的水平循环承载特性。利用有限元方法模拟了在不同单调组合荷载作用下黏土中的桶形基础离心机试验,与试验结果对比验证了使用小应变硬化土(HSS)本构模型的适用性。在此基础上,基于HSS模型和硬化土(HS)模型对比研究了不同循环荷载和小应变模量对桶形基础累积转角、旋转中心和桶-土相对刚度的影响。结果表明,黏土中桶形基础的累积转角随着循环次数和水平荷载的增加而增加,然而每个循环中累积转角的增加逐渐减小。另外,提出了Tb和ζb之间的拟合关系式预测黏土中桶形基础的累积旋转。无论处于疲劳极限状态(ζb=0.3)还是正常使用极限状态(ζb=0.5),旋转中心类型都是从深中心变为浅中心。桶-土相对刚度随循环次数的增加而减小,并且循环荷载越大刚度衰减越大。另外,小应变模量对基础累积转角和桶-土相对刚度有较大影响而对旋转中心无显著影响。与已有的研究结果对比发现,HSS模型更加适用于精细化设计。

极值风环境下空间缆索体系悬索桥吊索耐久可靠度分析

空间缆索悬索桥是一种主缆、吊索等缆索系统向横桥向内侧倾斜或是外侧倾斜的悬索桥体系,其中吊索是重要的传力构件,但是其抗力会随着桥梁服役期的增加而下降,这会导致构件失效概率的增加和结构安全性问题。以主跨1666 m的整体式钢箱梁悬索桥为工程背景,采用不同的主缆内倾角度,试设计了7个空间缆索体系悬索桥方案。通过建立吊索抗力时变概率模型、恒载内力时变概率模型以及风载内力时变概率模型,分析比较了在恒载和极值静风荷载作用下,空间缆索悬索桥吊索可靠度指标随服役期的变化规律。分析结果表明:受均匀腐蚀与点蚀影响的吊索抗力在钢丝体开始腐蚀后的10年内,吊索的抗力不拒绝伽马分布;在第10年到第30年间,吊索抗力不拒绝韦布尔分布。吊索风载内力在服役期40年内不拒绝对数正态分布。悬索桥吊索的时变可靠度与空间缆索体系的内倾角度不相关,且同一悬索桥不同位置处的吊索耐久可靠度变化形式一致。

基于水电储能调节的风光水发电联合优化调度策略

为缓解新能源装机容量扩大引起的弃风弃光现象,在已有梯级水电上下电站之间加入储能泵站,提出风光水储短期优化调度策略。构建以风光水储系统负荷跟踪误差最小、梯级水电站发电量最大和梯级水电站发电耗水量最小的多目标优化调度模型;提出基于季节性自回归移动平均(seasonal auto-regressive lntegrated moving average, SARIMA)模型和Copula函数的风光出力预测模型作为优化调度模型的边界条件,通过SARIMA预测模型将风光出力历史数据分解为季节性分量、趋势分量以及随机噪声余项进行全天96个调度时段风光出力预测,并叠加上基于Copula函数生成风光出力预测误差,然后通过拉丁超立方采样以及K-means聚类进行场景生成和缩减得到5个风光出力场景。选取风光典型日出力数据为例进行算例分析,算例结果表明:所提预测模型较SARIMA模型可以显著提高预测准确度,模型预测风光出力均方根误差从33.34、229.49 MW分别下降至0.697、9.534 MW;所提优化调度策略可以在全年丰、平、枯水期有效减少弃风弃光现象,并可将过剩新能源中的50%转化为上级水库储存水能。

基于非平稳高斯过程的高空风场偏差建模方法

高空风场偏差建模方法对运载火箭气动载荷计算和总体性能优化具有显著影响。目前工程常用方法未考虑不同高度层风速相关性,所得样本与实际风场特征存在差异,难以精确预示火箭气动载荷。提出将U/V风速分量建模为关于高度的非平稳高斯过程,基于大量历史风场样本统计分析实际风场在不同高度层的特征参数,利用扩展最优线性估计方法生成与实际风场具有相同分布的子样。结果表明提出的方法相比传统手段能够从形态上更加准确表征真实风场剖面。基于真实飞行器仿真程序对风致载荷进行计算,结果显示该方法对气动载荷裕度的预示误差远小于目前工程方法,对提升火箭运载效率和放行概率具有重要意义。

强对流天气下输电塔-线体系倒塌破坏与风雨组合系数研究

极端气象灾害给输电线路的安全运行带来了严重威胁,相对低电压等级的角钢输电塔出现了较高频次的倒塌破坏事故。基于现象学非线性滞回模型,开展了输电塔-线体系在强对流天气下的倒塌破坏研究,总结了雨荷载对输电塔响应的影响规律;基于风雨气象记录,进行了风雨组合分析并提出了风雨组合系数。结果表明,在极端强对流天气中,所研究输电塔的薄弱部位主要为第3、4节段,该部位的大量斜材和少量主材陆续屈曲是造成输电塔倒塌的主要原因,极端风雨气象条件下有必要考虑雨荷载对输电塔-线体系响应的影响。不同重现期下风速和雨量的组合值均小于其相应的标准值,该地区50 a重现期下风速和雨量的组合系数建议值分别为1.0和0.7。

SANISAND本构模型对不同荷载下桩土相互作用的适用性研究

该文通过土体三轴试验数据确定本构参数,并建立场地试验和离心机试验的有限元模型,研究SANISAND本构模型对于静力、地震和循环荷载下桩土相互作用的适用性。结果表明,SANISAND本构模型能较好再现水平静力荷载下不同桩径的桩顶荷载-位移特性,地震作用下加速度和孔压时程曲线变化趋势以及短期循环水平荷载下的桩变形特性,但无法较好地再现砂土由于剪胀引起的孔压负峰值和长期循环荷载下的累积变形,所以主要关注这些问题时建议选择更合适的本构模型。

基于风洞试验的典型工业厂房屋面风荷载分布特征

随着我国经济发展,大型工业厂房建筑越来越多,由风荷载导致的工业厂房屋面也越来越多,因此,有必要对工业厂房屋面风荷载分布特征进行研究。以沿海某厂房为研究对象,作缩尺比为1∶100的刚性模型,进行刚性模型测压风洞试验,研究不同风向下的屋面平均、脉动以及高阶矩风荷载特征,其结果可为厂房的主要受力构件设计和屋面围护结构设计提供风荷载设计参数。

非高斯风荷载极值估计:基于HPM转换过程的经验公式

风荷载极值概率信息对于结构抗风可靠性设计十分重要,基于Hermite多项式模型(Hermite polynomial model,HPM)转换过程方法由于在估计强非高斯性风荷载极值方面表现优异,因而受到研究人员的青睐从而被广泛应用。另一方面,该方法的使用过程烦琐且有较强的理论性,不利于工程应用。为此,该文基于该方法提出非高斯风荷载极值估计的经验公式,首先系统地阐述基于HPM转换过程方法,接着对风荷载的极值分布函数模型展开讨论,之后通过回归分析提出风荷载极值分布函数的经验公式,并对其适用性和精确性加以验证。研究成果表明,仅需知晓风荷载若干统计特征的情况下,经验公式可快速估计风荷载极值,精度上与HPM转换过程方法基本相同,而在效率和便捷性方面显著提升,便于在工程中推广使用。