桩土相互作用模拟方法对海上风机整体结构模态分析的影响

鉴于海上风机整体结构自身的频率较低使基础设计往往受其整体频率的控制,以江苏省海上某风电场工程为例,选取m法、p-y曲线法及DP模型实体有限元方法3种桩土相互作用模拟方法,分析了不同方法对海上风机整体结构模态分析产生的影响。结果表明,3种方法计算的频率相差较小,结果可靠。     

一种可以描述桩端位移累积的新型Q-z模型

海上风电属变形敏感结构,而导管架基础海上风电结构在服役期内下部桩基础会承受较大竖向循环荷载。在竖向受荷桩基的分析与计算中,采用ABAQUS分析桩端影响区域,依据动三轴实验中砂土的应变累积特性,提出一种新型Q-z模型。与传统Q-z模型比较,该模型能通过不同参数取值,模拟在轴向循环荷载下桩端的位移累积。结合有限元软件COMSOL进行二次开发,模拟单桩轴向循环加载工况,与离心机实验进行对比,验证了该Q-z模型的合理性。在数值计算中分别采用美国石油学会（API）规范系列桩土相互作用模型（p-y）、可考虑桩-土界面强度和刚度循环弱化效应的弹塑性t-z模型,可描述桩端位移累积的新型Q-z模型,分析海上升压站在循环荷载下的响应规律,为海上升压站设计提供相应的建议。     

海上风电基础修正p-y曲线模型研究

单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。     

考虑桩周土体的海上风电大直径单桩变径体系1阶频率研究

海上风电大直径单桩体系1阶频率对风电结构的设计和使用至关重要。为研究以上问题,以4 MW风力机为例根据场地实测土层参数,分别建立未考虑环境水体和考虑环境水体的3种有限元模型,利用激振法测出以上有限元模型的1阶频率并发现:考虑桩周土体后体系1阶频率增大,环境水体对体系1阶频率影响较小。针对以上现象提出一种考虑桩周土体的海上风电大直径单桩变径体系1阶频率量化方法。新方法计算结果与有限元方法计算结果对比表明:2种方法计算结果具有一致性,在初步设计时可利用新的量化方法。     

海上风电三筒导管架基础地基土的抗液化性能研究

针对海上风电三筒导管架基础开展振动台试验,主要研究地基土的超孔隙水压力和加速度,并利用有限元软件ADINA对海上风电三筒导管架基础地基土在地震作用下的动力响应进行数值模拟,将试验结果与数模结果进行对比,发现二者吻合较好。进一步选取3种不同烈度的地震进行有限元模拟,主要分析其超孔隙水压力和加速度的分布规律,结果表明三筒导管架基础筒内土体的抗液化性能高于筒外土体,筒壁底端附近为液化高风险区,三筒导管架基础的上部荷载作用及环箍效应对地基土的抗液化性能有提高作用。     

风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。     

基于柔性基础模型的海上风电机组支撑结构优化

相比陆上风电机组,海上风电机组支撑结构长期处于风载荷与海浪载荷作用,在设计时还需考虑土壤与基础的相互作用。以某5 MW单桩式海上风电机组支撑结构为模型,考虑基础柔性对机组载荷的影响,应用耦合弹簧模型建立基础模型,计算极限设计载荷,结合有限元模型计算基础部分设计载荷,采用粒子群优化算法,在满足多约束条件下,最小化支撑结构重量。结果表明:考虑基础柔性条件下,应用粒子群优化算法优化支撑结构,在满足各项约束条件的前提下,总体重量降低7.41%。     

海上风机钢管单桩基础轴向承载力研究

针对海上风电基础形式中的钢管桩基础,采用ABAQUS软件进行三维有限元数值计算,通过计算桩顶荷载与桩顶沉降的关系,研究了钢管桩基础在单向荷载作用下的极限承载力特性,并对桩径、桩内土体压缩模量、桩外侧土体的内摩擦角等参数对轴向极限承载力的影响进行了敏感性分析,确定了钢管桩基础在单向荷载作用下影响轴向极限承载力的主要因素。     

输电线路掏挖基础的抗拔承载特性数值分析

针对输电线路掏挖基础上拔过程中基础底板周围土体的大变形问题,基于有限元软件ABAQUS建立了基础与周围均质地基土体共同作用体系的弹塑性有限元数值分析模型,采用ALE法通过变参数计算分析了土性参数、基础埋深与扩大头直径比(H/D)及基础与土接触条件对破坏模式和极限上拔承载力的影响。结果表明,该方法能准确计算和预测输电线路掏挖基础抗拔承载力的实际情况。     

海上三桩风机基础简化及荷载响应对比分析

三桩基础(Tripile Foundation)是一种新型的海上风机支撑结构,广泛适用于地质相对复杂、水位较深的风场。文章理论分析了海上风机基础桩—土相互作用简化方法,运用ANSYS建立3维有限元模型,考虑不同种地基约束简化方法,对单机3 MW三桩基础在不同方向极限荷载作用下进行数值分析。结果表明:三根桩非平均承担结构荷载,不同方向荷载作用结构响应呈规律性变化,荷载为0°方向时结构位移最大,荷载为20~30°方向时结构应力最大。实际工程计算时,需运用不同简化模型进行对比校核,重点考虑基础单桩主受拉、单桩主受压及20~30°荷载方向。