超长期循环荷载作用下海上风机大直径单桩动力特性演变规律研究

大直径单桩基础是目前应用最广泛的一种海上风机支撑结构，其现有相对成熟的研究主要集中在承载力、累积变形和初始动力特性计算等问题。而海上风机对海洋环境中的风、浪、流、地震波及其运行荷载等动荷载非常敏感，因此在长期循环荷载作用过程中，其振动特性变化规律必须得到充分研究。通过在干砂中对大直径单桩进行室内1g模型试验，以模型桩承载力为参考值，施加相同频率、不同幅值的循环荷载，并在加载过程中进行频响分析，得到桩顶水平位移频响函数，进而得出了以下结论：(1)桩基一阶共振频率随循环次数增大而增大；(2)阻尼比随循环加载次数整体呈降低趋势；(3)桩顶刚度则受循环荷载的致密作用和振动坑的形成等多因素影响，割线刚度主要呈下降趋势，卸载刚度呈增大趋势。     

单桩基础型近海风机系统自振频率实用计算方法

"软-刚"（soft-stiff）设计的系统频率限制是海上风电结构与基础设计的关键性难点之一。该文基于有阻尼系统运动方程,考虑桩土相互作用和风机塔筒的变截面特性,建立了单桩基础型近海风机系统自振频率求解数值计算方法。利用实际工程进行了方法应用和有效性验证。频率偏移因素分析表明,地基土模量非均一对系统自振频率影响较小;系统自振频率对地基弹性模量、海床高度变化、桩径的敏感性较强,对地基土阻尼的敏感性较弱。同时,该文方法可以精确分析海上风机在服役期间的系统自振频率的偏移,为近海风机的结构和基础设计提出有效评估,并建议减小频率偏移的工程措施。     

长期反复荷载作用对海上风电单桩基础的影响分析

国内外已建成的海上风电通常采用大直径单桩基础,需承受多种复杂外部荷载,如风荷载、波浪荷载和潮流荷载等。在长期反复荷载作用下,单桩基础产生累积变形,侧向刚度发生变化,而这些性能的变化会对海上风电整体安全性产生重要影响。对于这个问题,目前设计中采用规范给出的简化设计方法考虑长期反复荷载的影响,即在传统的p-y曲线上乘以一个降低系数,而没有针对海上风电大直径单桩基础给出具体的设计方法。鉴于p-y曲线是基于较小直径桩试验结果所得,对于大直径桩是否安全可靠,还需要验证。鉴于此,采用文献提出的桩周边土体在反复荷载作用下变化的简化模型,建立了整体三维有限元模型,考虑长期反复荷载作用对桩周边土性能的影响,以一实际海上风电案例为背景,研究长期反复荷载对海上风电基础自振频率和桩体变形性能的影响以及参数敏感性分析,分析结果对海上风电单桩基础设计有一定的参考作用。     

三桩基础海上风机整体结构的共振分析

该文对三桩基础的海上风力发电整体结构进行了共振分析。通过有限元软件ANSYS,建立了海上风机整体结构的有限元模型,进行了模态分析,得到了前十阶的自振频率和固有振型。然后分析了引起结构振动的主要振源,计算了这些振源的振动频率,将其与海上风机整体结构的自振频率进行了共振分析。结果表明各种主要振源不会引起海上风机整体结构的共振。     

可变荷载对结构模态分析评定影响的讨论

通过试验方法获得结构的动力特性,以进一步对结构的分析模型做出评定.为了评估建筑结构中可变荷载计入体系质量矩阵后对结构自振频率的影响,本文经理论分析以及应用结构分析软件进行建模分析两种方法,分析了建筑结构体系中折算活荷载计入体系质量矩阵前后结构较低阶固有频率的变化,认为对于设计时可变荷载较大的高层及超高层建筑主体,在完工初期进行结构的动力特性测试时若先考虑可变荷载对其自振频率的影响,再对结构进行整体评价,得出的结果将更加理想.     

考虑桩-土作用及冲刷影响的海上风电结构损伤检测研究

海上风电结构长期服役于恶劣的海洋环境中，损伤不断累积，严重时导致整体失效。现有损伤检测方法可以识别结构损伤，但未考虑桩-土作用、冲刷效应对结构动力特性的影响，若直接应用于实际工程容易导致损伤误判。基于交叉模型交叉模态(cross-model cross-mode, CMCM)法，考虑桩-土作用和冲刷效应，优化了桩基的边界条件，发展了CMCM结构损伤检测方法。建立了单桩-土体有限元模型，结合已有试验数据，验证了砂土地基条件下数值模型及检测方法的可靠性。进一步地，研究了桩-土作用、冲刷效应对整体结构模态的影响，并基于不同地基假定的基准模型，对数值模型中的结构损伤进行检测。结果表明，考虑桩-土作用、冲刷效应后的地基刚度降低，从而导致结构频率降低、模态振型改变；该模型边界更符合实际工程地基状态，排除导致误判的干扰因素后，结构损伤位置、程度均可被准确识别，提升了CMCM方法的准确性和工程适用性。     

单桩基础海上风机横向自振频率求解及参数敏感性分析EI北大核心CSCD

梁理论的合理选择对风机横向自振频率的求解意义重大。以往提出的海上风机自振频率计算方法都基于某一种梁理论,且缺乏各参数的敏感性分析。为了对比不同梁理论对风机自振频率求解的影响,采用回传射线矩阵法,分别基于Bernoulli-Euler梁、经典Timoshenko梁和修正Timoshenko梁理论,提出海上风机横向自振频率计算方法,通过实测数据验证了该方法的准确性,并综合对比各参数的敏感性。研究结果表明:Bernoulli-Euler梁理论未考虑剪切变形与转动惯量,自振频率计算结果略大于Timoshenko梁理论;剪切变形引起的转动惯量可以忽略不计,修正Timoshenko梁理论与经典Timoshenko梁理论计算结果一致,但物理意义更加清晰;基频对塔筒结构参数的敏感性最高,其次是连接段与桩基;基频对塔筒高度的敏感性最高,对海床高度与叶轮机舱组件质量的敏感性较高,壁厚变化对基频的影响不显著。     

考虑初始荷载影响下梁动力特性的有限元分析

从非线性弹性理论出发,应用Hamilton原理,给出了考虑初始弯曲和轴向应力影响的一般形式的单元刚度矩阵,建立了考虑初始荷载影响时梁动力分析的有限元方法,编制了电算程序。通过与解析解结果的比较,验证了有限元公式。讨论了初始荷载的类型、大小及结构自身刚度（惯性矩、惯性半径、跨度）等因素在考虑初始弯曲应力影响时对不同约束情况下梁动力特性的影响。结果表明,荷载初始弯曲应力的存在提高了梁的自振频率,这种影响与荷载的大小及结构自身的刚度有关。     

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究EI北大核心CSCD

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。     

基于分层设计变量的复合材料层合板优化设计及灵敏度分析

在复合材料层合板的结构优化设计中,提出分层设计变量的优化方法以满足实际工程需要。在结构位移、自振频率和屈曲临界荷载灵敏度分析中,给出了刚度矩阵对分层厚度和分层角度设计变量的灵敏度计算公式,考虑了分层厚度变化引起层合板对称中心的改变,保证了计算准确性。数值算例验证了灵敏度算法的精度,应用实例显示了分层设计变量方法的实用性。     

变刚度地基上基础隔震结构动力学特性变化规律试验研究

基于饱和砂性土地基动孔压比变化对地基刚度的影响规律,通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上土-桩-隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对基础隔震结构动力学特性的影响规律。结果表明,随着结构-土体相对刚度比的增大,变刚度地基上基础隔震结构一阶自振频率降低,但体系阻尼比明显增大,尤其是隔震层的隔震效率发生了明显的降低。变刚度地基上结构-土体相对刚度比显著影响隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应较刚性地基时增大越显著。基于系列振动台模型试验结果,初步给出了基于结构-土体相对刚度比的小高宽比隔震结构模型周期延长率、阻尼比、层间位移角SSI影响率以及隔震层位移SSI影响率的预测公式,该研究结果有助于推动结构隔震技术的更广泛应用。     

上部结构刚度改变对桩基地震反应的影响

用整体有限元方法进行桩-土-结构动力相互作用体系的地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟;在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处,用补充约束方程的方法进行节点耦合,使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩、土、结构及荷载参数,重点讨论了3种不同的上部结构刚度对桩基地震反应的影响,求出了3种上部结构刚度下体系1阶~6阶的自振周期和桩基的最大位移及内力等,并进行了分析和比较,得到了一些对工程实际有益的结论。     

冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖静力挠度及振动性能试验研究

对冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖足尺模型进行改变边界条件的振动试验, 研究组合楼盖在四边支撑和梁端简支、四边支撑和梁端固结、两边支撑和梁端简支、两边支撑和梁端固结四种不同边界条件时静力荷载下的挠度及人沿平行和垂直楼盖梁方向行走、脚跟冲击、沙袋从空中落下、激励锤冲击不同动力荷载工况下的自振频率。研究表明:边界条件的变化会引起组合楼盖挠度和自振频率的变化, 可以通过改变边界条件来提高组合楼盖的振动性能;边界条件不同时组合楼盖在1kN集中荷载作用下跨中挠度均小于2mm, 在动力荷载作用下除个别情况外自振频率均高于15Hz, 建议组合楼盖在1kN集中荷载作用下跨中挠度限值设为2mm, 振动舒适度要求较高时自振频率限值设为15Hz。另外, 采用等效刚度法提出的理论公式能较好地预测不同边界条件时组合楼盖在静力荷载下的挠度及动力荷载下的自振频率。     

循环荷载水平与加载频率耦合作用下的软粘土特性研究

通过不排水循环三轴试验,并考虑不同循环应力水平及加载频率的影响,研究了软粘土在循环荷载作用下的孔隙水压力及变形特性,分别探讨了这些特性随循环加载时间和加载次数的不同变化规律。研究结果表明,对于相同循环应力水平,相同加载次数下不同加载频率的软粘土特性有所不同,而相同加载时间下不同加载频率的软粘土特性基本相同。此外,无论加载频率为何数值,一旦循环应力水平超过临界值,软粘土破坏必将发生。为了深入研究应力水平和加载频率的耦合作用,该文从应力控制循环加载试验中的应变速率着手,对软粘土的特性进行了分析。结果表明,在应力水平相同的情况下,软粘土在不同加载频率下的应变速率是基本相同的,由此可得对于软粘土在循环荷载作用下特性的影响,应力水平比加载频率更为重要。     

风-波浪荷载对海上风机地震响应的影响

建立广义单自由度模型,考虑运行、停机两种工作状态,揭示风-波浪荷载影响海上风机地震响应的机理。针对NREL 5MW单桩式海上风机,通过风-波浪统计关系确定波浪谱参数,采用FAST软件分析结构地震响应,验证初步分析结果的正确性,并探讨风-波浪影响海上风机地震响应的规律。结果表明:风-波浪作用的气动阻尼和动荷载效应使其显著影响海上风机地震响应;对于运行状态的海上风机,轮毂高度处平均风速等于额定风速时,支撑结构最危险;强震作用下,风-波浪作用减小泥面内力和塔顶位移幅值;弱震作用下,风-波浪荷载增大泥面内力和塔顶位移幅值。     

爆破地震波频率对多自由度弹性体系动力响应的影响分析

通过对一个三自由度弹性体系在垂直方向上分别加载多个不同主频的实测爆破地震波和理想正弦波,使用集中冲量法利用计算机编程求解出各爆破地震波激励下的竖向动力响应,并通过分析该结构体系的各动力响应幅值变化来探讨爆破地震波频率对三自由度弹性体系动力响应的具体影响。计算结果表明,结构的第一自振频率在分析结构各层质点的响应幅值中起主导地位;考虑爆破地震波是一个包含很多频率成分的复杂的振动信号,在分析实测爆破地震波频率对结构动态响应的影响时,除主频外,应同时考虑其它占有相当能量比例的优势频率的影响。     

径向软化成层土中单桩风机水平振动特性研究

基于多圈层平面应变土体水平振动模型,得到桩周土体径向软化水平动刚度的解析解。在此基础上,建立径向非均质成层土中桩基水平振动模型,利用传递矩阵法得到桩顶动刚度阵,采用等效固定梁模型将桩土系统耦合到风机仿真软件FAST 8中,对桩周土径向软化对风、波浪荷载作用下单桩风机水平动力响应的影响进行研究。结果表明:桩周土软化对桩顶动刚度影响显著,当土体模量衰减系数为0.25时,与均质土相比桩顶水平刚度降低28.66%;随桩周土模量衰减系数的减小,与均质土相比风机系统的1阶和2阶自振频率分别降低13.08%和16.67%;风机塔顶位移、转角的时程和谱响应表明桩周土土体模量衰减系数为0.25时,塔顶位移和转角的方差与均质土分别相差2.68%和1.37%,位移和转角响应谱峰值约为均质土的2.77倍和2.69倍。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

任意形状板考虑初始荷载效应的动力特性有限元分析

基于板考虑初始荷载效应的动力控制微分方程,运用等参变换方法,提出了任意形状板考虑初始荷载效应影响的动力有限元分析方法,编制了相应程序。同时,为验证提出的有限元方法的正确性,分别运用伽辽金法、瑞利法求解了几种典型板考虑初始荷载效应的基频近似解和简支正方形板考虑初始荷载效应的前三阶频率近似解。对比验证说明了提出的基于等参变换的任意形状板考虑初始荷载效应的动力有限元分析方法和频率近似解正确、有效。并通过计算分析,讨论了初始荷载大小、板的厚度等因素对板自振频率的影响,结果表明:初始荷载的存在提高了板的自振频率,并主要与荷载大小,板的跨厚比和边界约束条件有关。计算分析中应重视初始荷载效应对板的结构行为产生的影响,以做到精确分析和合理结构设计。     

改进的台风下单桩海上风机易损性分析方法及应用EI北大核心CSCD

提出了一种改进的台风作用下单桩海上风机易损性分析方法,该方法包括:进行台风模拟,根据模拟台风确定单桩海上风机处的风浪强度指标;将风浪荷载施加在单桩海上风机上,在考虑荷载随机性的情况下得到风机塔筒和桩基的响应极值概率分布曲线;基于非线性屈曲分析得到风机主要构件的承载力概率分布曲线;结合风机主要构件的屈服和屈曲等承载力概率分布曲线,求得单桩海上风机在屈服或屈曲模式下的破坏概率。同时结合江苏某风电场的风浪特性对某5 MW风机进行了风致易损性分析。分析结果可为提升海上风机抗台风风险能力提供参考。