Wind Vibration Study of Long-span Steel Arch Structure of Beijing Capital International Airport

The wind-induced dynamic response of long-span light-weight steel arch structure of the global transportation center (GTC) of Beijing Capital International Airport was studied. A composite technique with combination of WAWS(Weighted Amplitude Wavelet Superposition) and FFT(Fast Fourier Transformation) was introduced to simulate wind velocity time series of hundreds of spatial points simultaneously. The structural shape factors of wind load was obtained from wind tunnel model test. The wind vibration factor based on structural displacement response was investigated. After comparing the computational results with wind tunnel model test data, it was found out that the two results accord with each other if wind comes from 0° direction angle, but are quite different if wind comes from 180° direction angle in the area blocked off by airport terminals. The possible reasons of this difference were analyzed. Haar wavelet was used to transform and analyze wind velocity time series and structural wind-induced dynamic responses. The relationship between exciting wind loads and structural responses was studied in time and frequency domains.

Wind-Induced Failure Analysis and Retrofit of an Existing Steel Structure

The “Dimitrios Vikelas” athletic center in Ermoupolis of Syros, Greece, consists of two buildings. Building B has a steel superstructure that was constructed approximately 35 years ago. It was initially used as a boat shelter and no design calculations were made. It contains steel columns with varying cross section heights. The spans are bridged via trusses and I-beams. Significant geometrical inconsistencies are noted among the existing steel connections and failures have been recorded as a result of buckling in several beams and bracings during the service life of the athletic center. The current study presents an investigation performed in order to diagnose building structural problems and propose strengthening and intervention measures. The goal of this study was to improve the load-carrying capacity of the structure in order to comply with the current design codes. Moreover, enhancement of the dynamic properties of the strengthened structure was demonstrated using modal analyses. The structural behavior was determined in a more precise manner via non-linear wind time-history and incremental static analyses. The analytical results explain the development of failures in the existing structure.

Self-Similar Characteristic for the Ramp Structures of Wind Speed

Time series of wind speed are composed of large and small ramp structures. Data analysis reveals a power law relation between the linear slope of ramp structures and the time scale. This suggests that these ramp structures of wind speed have a self-similar characteristic. The lower limit of the self-similar scale range was 2 s. The upper limit is unexpectedly large at 27 rain. Data are collected from grassland, city, and lake areas. Although these data have different underlying surfaces, all of them clearly show a power law relation, with slight differences in their power exponents.

Design of Offshore Wind Power Foundation with Multi-bucket

Three- and four-bucket offshore wind power foundations with a new form of force-transferring structure are proposed in this paper, and the integrated finite element model of foundation-soil-transition structure is established by using ABAQUS. The carrying capacity of the proposed foundations is studied under vertical load, horizontal load and bending moment. It can be seen that the vertical bearing capacity of multi-bucket foundation can be roughly estimated by the vertical bearing capacity of single-bucket; the horizontal bearing capacity of the three-bucket foundation scheme is controlled by displacement, while that of the four-bucket foundation scheme is controlled by the internal forces of soils. Moreover, the carrying capacity is provided by the overall structure formed by multi-bucket before soil failure. Compared with the conventional single-bucket foundation, there are mainly tension and pressure that are applied to the multi-bucket foundation, so that the carrying capacity of the foundation can be fully utilized. The probability of soil failure can be well reduced with the proposed multi-bucket foundation, and the stress transmission of force-transferring structure is more consistent through steel beams with variable cross-section.

南京仙新路长江大桥主桥结构设计

南京仙新路长江大桥主桥为跨径1760 m的单跨钢箱梁悬索桥,主缆垂跨比1/9,边跨跨径580 m,边中跨比0.33。该桥上、下游各设1根主缆,单根主缆由169股127∅5.4 mm镀锌铝高强钢丝索股组成,采用PPWS法施工,钢丝标准抗拉强度2100 MPa。吊索与索夹采用销接式结构,跨中设置柔性中央扣索,短吊索设置关节轴承。主索鞍采用宽鞍槽单纵肋铸焊结合构造,散索鞍采用底座式全铸结构。加劲梁采用扁平流线型封闭整体钢箱梁,总宽31.5 m,梁高4 m,顶板与U肋之间采用双面埋弧全熔透焊接。桥塔采用门形混凝土结构,总高277.3 m,其上横梁为预应力混凝土结构,外包N字造型钢结构;桥塔基础采用直径2.8 m钻孔灌注桩。南锚碇采用外径65 m圆形地下连续墙基础;北锚碇采用沉井基础,平面尺寸70 m×50 m,高50 m。对结构进行静力分析及抗风性能理论和试验研究,结果表明:结构强度、刚度均满足规范要求;在加劲梁上设置0.67 m高中央稳定板、两侧风嘴处设置1 m宽水平稳定板后,大桥的颤振、涡振等抗风性能均满足要求,且具备一定的阻尼储备。

附加阻尼控制下风电机组机网耦合载荷建模及分析

针对附加阻尼控制下风电机组机械载荷问题,开展风电机组机网耦合载荷建模及载荷特性分析研究。采用FAST与Matlab/Simulink软件联合方法,建立综合考虑机组机械特性和电气特性的并网风电机组机网耦合载荷模型。采用所建模型开展附加阻尼控制对机组机械载荷影响的仿真分析,并复现附加阻尼控制下风电机组机械系统与电力系统的机网共振现象。结果表明,所建模型能够表征附加阻尼控制下风电机组机械系统与电力系统的耦合互作用,系统低频振荡会导致机组关键结构出现明显振动载荷,且系统振荡频率与机组机械结构固有振动频率接近时两者共振会急剧加大机组振动载荷。

海上风电五连筒导管架基础及筒顶节点受力分析

以广东某深远海域大容量风电机组五连筒导管架基础为研究对象,采用有限元软件对五连筒基础在倾斜率、极限承载力和屈曲特性等方面开展深入研究,并对筒顶处导管架与基础连接节点进行多参数敏感性分析,从而得到受力及承载最优的结构体型。研究结果表明:满足相同容量机组荷载运行要求的前提下,五连筒基础与单筒基础结构相比,前者在倾斜率、承载力及抗屈曲特性上优势明显;随着筒顶节点的外移,筒型基础边筒竖向变形逐渐增大,中筒则相反;当筒顶节点靠近中筒时,主要由中筒受力,应力最大部位主要集中在边筒和中筒筒裙底部连接处;当筒顶节点向外偏移时,受力部位由中筒转移到边筒,且应力最大部位转移到沿加载方向的边筒筒裙顶部;基础的极限承载力均随导管架根部开度增加呈线性趋势增长,在水平及弯矩荷载分别作用下,旋转中心附近的被动土压力受筒顶节点位置影响较大,筒顶节点越往外偏移,被动土压力越小;旋转中心以下的主动土压力受筒顶节点位置影响同样较大,筒顶节点越往外偏移,主动土压力越大。

水滴形大跨钢屋盖结构风洞试验和风振分析

自然风经过大跨结构时,由于结构屋顶形状不规则,通常会引起柔性屋面的振动,因此针对大跨屋面结构抗风设计需要考虑风压分布和风振响应。以陕西省水务集团矿泉水生产车间为工程背景,制作了1∶200的刚性模型,通过刚性模型风洞试验测得该水滴型大跨钢屋盖结构的表面风压,研究了屋盖表面典型测点及整体的风压分布规律。基于风洞试验数据,对结构进行风振时程分析,得到了屋盖表面的风振响应和风振系数。结合刚性模型风洞试验和风振分析,深入研究了水滴形大跨屋盖结构的风压分布规律和风致振动特性,并总结了其共性规律。

钢纤维对海上风电灌浆料及灌浆连接段模型性能的影响研究

开展了不同体积掺量的钢纤维对海上风电灌浆料以及小型灌浆连接段模型力学性能影响的研究。结果表明:当钢纤维掺量为1.0%时,能在保障灌浆料工作性和微膨胀性能的基础上,灌浆料的28 d抗折强度和抗压强度相较于未掺钢纤维时分别提高了65.4%和31.0%,且灌浆连接段模型的极限承载力和极限位移分别提高了12.0%和15.5%,有效提高了灌浆料的延性;灌浆连接段模型在轴心荷载作用下,主要受力和变形部位为内筒上部剪力键和外筒下部,在今后的灌浆连接段设计中,可对该部位进行适当加强,以便充分发挥灌浆连接段的整体性能。

避免频率二次跌落的风储联合调频控制策略

风电高渗透电力系统中,风机释放转子动能参与频率响应改善系统频率稳定性,但存在欠响应支撑效果不足或过响应导致系统频率二次跌落现象。储能响应不受时空因素影响,通过整定储能响应参数,可提升风电频率响应的有效性。该文首先基于统一结构模型分析系统频率二次跌落与风机控制策略之间的作用机理。其次,整定充分利用风机频率响应能力及避免系统频率二次跌落的风电机组频率响应系数。然后,引入频率稳定裕度概念,并基于关系矩阵整定的储能最小出力,等效扩展系统频率稳定裕度。基于以上分析,综合考虑时空因素对系统频率响应影响,提出一种多时间尺度下避免频率二次跌落的风储联合调频控制策略。最后,基于DIgSILENT搭建风电高渗透4机4区系统进行仿真验证。结果表明,所提控制策略在不同风速下兼顾风机频率响应能力,同时避免频率二次跌落,提高全网频率安全稳定裕度。

海上风电用S460钢的疲劳行为研究

为了分析不同控冷控轧(TMCP)工艺条件下的组织对S460海上风电用钢疲劳性能的影响,根据前期试验研究结果,选用综合力学性能最优的S460-14号样板和对比样板S460-11进行了疲劳性能测试,通过对S460钢的力学性能、断口形貌、EBSD观察和织构分析,揭示了海上风电用S460钢的疲劳行为机制。

海上风机与养殖网箱融合系统中网箱系泊绳张力与导管架基础结构的安全性

海洋牧场与海上风电融合发展是现代渔业和清洁能源产业融合发展的典型代表,有利于构建“海上粮仓+清洁能源”的新产业模式。本研究基于福建漳浦六鳌海上风电场风机导管架构建养殖网箱与海上风机融合系统,运用Aqua-FE™有限元工具探究极端波流条件下不同网箱布设深度、波流入射角、生物附着程度对网箱系泊绳张力的影响;采用海洋工程专用设计软件SACS,计算分析风机导管架结构在波流及网箱系泊绳张力作用下的应力分布,评估养殖网箱系泊绳张力对风机导管架基础结构安全性的影响。结果显示,网箱布设深度的增加能够减少网箱系泊绳最大张力,显著改善网箱风机整体结构受力状态;波流入射角的改变对于网箱风机整体结构安全性影响不大;网衣生物附着程度的增加会显著增加网箱系泊绳最大张力,从而造成风机导管架基础杆件大量失效。研究表明,养殖网箱可布设于适当水深以减少受力,同时应及时清理附着生物,适当增加网箱系泊点附近的导管架杆件和导管架底部桩土点杆件的壁厚,以确保养殖网箱与海上风机融合系统结构安全。该结果可为深入研究网箱与风机融合系统的受力,评估该系统的安全性,优化设计养殖网箱与风机融合系统提供数据支撑。

新型深海风机钢管桩基础安装用导向架结构优化

为解决水深45.000 m深海风机钢管桩基础安装作业可靠性差和精度低等问题,对一种新型深海风机钢管桩基础安装用导向架进行结构优化。采用有限元法(Finite Element Method, FEM)与试验相结合的方法,从环境参数与作用载荷、结构形式、作业工况和结构强度与结构稳定性等方面对导向架进行综合研究。经海试验证,优化的导向架的打桩精度与打桩高效性均满足技术指标要求,可大幅提高深海风机钢管桩基础安装作业速度和质量。

海上漂浮式风电机组塔筒优化方法研究

为适应复杂多变的海上环境,高效利用风资源、减少用钢成本,开展漂浮式风电机组塔筒的结构优化设计。以船载风电机组为研究对象,引入漂浮式基础的动态响应,作为影响塔筒弯曲变形的重要约束条件。在保证风电机组稳定功率输出的前提下,以质量最轻为优化目标,以塔筒构造要求和规范为基本约束条件,建立漂浮式基础风电机组塔筒的数值优化模型,并利用遗传算法完成了模型优化。结果显示,在保证风电机组稳定性和正常功率输出要求下,塔筒的质量降低了35%,刚度提高了25%。

基于多物理场耦合的Q345钢应力腐蚀行为研究

海上风力机组的支撑结构和相应的变压器平台极易受到腐蚀,腐蚀缺陷会导致应力集中,从而严重影响风机设备的使用寿命。以Q345钢为研究对象,采用COMSOL多物理场仿真软件建立一种Q345钢表面腐蚀缺陷生长预测的有限元模型,模拟研究海洋环境中Q345钢的应力腐蚀行为。通过电化学腐蚀试验得出Q345钢的Tafel关系,应用多物理场耦合计算应力对腐蚀缺陷处电化学腐蚀的影响,结合Faraday定律开展腐蚀缺陷的生长预测。结果表明:随着拉伸应变和缺陷深度的增加,缺陷处的应力也随着增加,加速了缺陷处的失效;当应力在缺陷处引起塑性变形时,局部腐蚀活性显著增强;在缺陷处的力学和电化学效应改变了缺陷中心的应力分布,增强了缺陷中心腐蚀速率。

基于主材防屈曲的输电塔新型抗风加固方法研究

输电塔属于高柔结构,风致响应敏感。主材角钢作为输电塔的主要构件,其承载能力特别是受压抗失稳能力是影响输电塔抗风性能的主要因素。以提高主材角钢受压状态下的防屈曲能力为目的,兼顾考虑降低开螺栓孔对原主材的损伤,提出一种新型加固方法。并通过对6个足尺角钢构件进行加载试验,检验该新型方案的加固效果;分析不同加固参数对提升主材性能的影响;采用有限元方法对试验进行数值模拟,确立合理的有限元建模方法,为输电塔整塔加固方案设计提供依据。结果表明:该方案能够大幅提高构件的抗压承载力,并有效改善构件的延性;端部螺栓数目对加固效果影响明显;确定了抱箍间距的合理取值;拼接副主材的应力滞后对加固效果基本没有影响。

轻钢房屋整体风致易损性分析

轻钢房屋被广泛用于民宅和厂房等低矮建筑中。该类结构轻质,对风荷载较为敏感,在台风中破坏严重,造成了巨大的经济损失,因此对该结构进行风灾评估具有重要意义。首先,基于随机模拟技术提出了轻钢房屋整体结构风致易损性的分析框架,其中涉及风荷载随机化方法、主体结构和围护结构风致易脆性分析方法以及房屋整体结构风致易损性分析流程。其次,基于所提框架对一具体轻钢结构风致易损性进行了案例分析,结果表明,所提方法较好考虑了飞掷物和风压联合作用及其造成的内压变化效应,并可将主体结构和围护结构的风灾损失进行融合,获得结构整体易损性曲线。

济阳黄河公铁两用特大桥主桥设计关键技术

济阳黄河公铁两用特大桥主桥为四塔三主跨、非对称矮塔钢桁梁斜拉桥,孔跨布置为(84+144+228+240+300+120+60)m。桥塔采用扁钢箱形桥塔,主墩采用矩形截面实心门式墩,主墩基础采用直径2 m钻孔灌注桩,主梁采用双层板桁结合的钢桁梁。通过结构体系比选,主桥采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系,可显著降低长联钢结构温度效应。主梁采用超宽双主桁直桁及铁路桥面非行车道区域镂空设计,构造简洁且能很好地与结构体系相适应。铁路桥面系顶板采用不锈钢复合板,提高了耐久性和经济性;公路桥面采用压重设计,解决了负反力问题。该桥桥塔采用了融入齐鲁文化的“齐鲁之魂”造型,使结构更好地融入周围环境。主梁节段模型和全桥气弹模型风洞试验表明,主梁的颤振性能、涡振性能及静风稳定性均满足抗风安全需求。通过阻尼器斜置的减隔震设计方案,解决了桥梁顺桥向及横桥向2个方向的抗震难题。应用钢结构桥梁参数化建模、智慧建造及健康监测技术,保障桥梁结构安全。

海床加固对海上风电单桩基础的动力特性影响

建立海上风电单桩基础浅层土体三维数值有限元模型,分析不同范围、不同形状海床加固方式,以及作用不同幅值、不同方向循环荷载单桩基础的累积变形、振动特性动力响应影响,为加固体应用于单桩桩周土体加固工程提供优化建议。结果表明:不同加固条件下,风力机一阶自振频率改变较为显著;加固后单桩基础相较于未加固单桩基础,在循环荷载作用下,单桩桩身位移、转角和内力响应极值均有所减小,泥面位移极值最多可降低81%;桩周土体剪应力与剪应变亦减小,随着循环次数增加,剪应变增幅减少,土体塑性区域变小。

提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学建模

富裕风电电解水制氢,耦合高污染的钢铁冶炼过程,既促进炼钢产业低碳转型,又可有效提升风电消纳能力。为了模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响,综合考虑钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性,确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统内部交互关系和反馈机制;结合钢铁行业发展趋势和绿氢替代潜力,建立了提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学模型;同时考虑到政府支持力度与制氢技术的发展,构建差异化情景,分析不同条件下的氢能需求规模和风电消纳水平。基于新疆案例表明,加大氢冶金支持力度和提高制氢电解效率,能够有效提升钢铁行业的绿氢替代率并加速绿氢成本降低,进而实现风电的全额消纳,有效解决“弃风”难题。