海上风电大直径单桩的修正p-y曲线模型

单桩基础是当前海上风电常用的基础形式,常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时,API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度,引起桩基水平位移计算结果不准确。因此,分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素;对p-y曲线模型中的关键参数进行修正;根据FLAC3D数值模拟计算结果,引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响,建立修正p-y曲线模型。在此基础上,开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证,与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比;结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好,验证了建立的修正模型的合理性。     

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。     

长期水平荷载对单桩式海上风机结构自振频率的影响分析EI北大核心CSCD

海上风机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,从而引起地基刚度变化,海上风机结构体系属于动力敏感型结构,预测其自振频率的长期变化具有非常重要的工程意义。基于动力运动方程,考虑了桩土相互作用,通过嵌入地基刚度衰减模型考虑长期循环荷载引起的地基刚度变化,建立了单桩式海上风机结构自振频率的简化计算方法,利用实际工程和数值模拟验证了方法的可行性。最后通过开展参数分析,探讨长期循环荷载大小、加载次数对海上风机结构自振频率的影响规律;结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风机结构体系自振频率较小,风机结构体系的自振频率应偏移1P;该方法可以评估长期循环荷载下单桩式海上风机结构自振频率的变化,为近海风机结构自振频率的设计提供参考。     

横向推力单桩的动力非线性分析

在考虑了土的自重产生的围压对土极限承载力的影响后,利用Mohr-Coulomb屈服准则得到了土的极限承载力沿深度的变化关系,并采用双曲线函数来描述这一关系。在对几种p-y曲线的特性进行探讨后,建议采用双曲线函数p-y曲线,再由p-y曲线确定的土弹簧系数建立桩的非线性动力微分方程,给出了非线性方程的差分解。为便于工程应用,还给出了桩的简化分析方法。在简化分析方法中桩被划分为埋入土中和自由两部分,桩的非线性特性通过改变自由部分长度考虑。最后用数值算例来说明进行非线性分析的必要性及简化分析方法的可靠性。     

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

双参数层状地基中大直径单桩水平振动解析解与分析

基于Pasternak地基和桩体Timoshenko梁理论,考虑了轴向作用二阶效应,建立了大直径桩-成层土相互作用体系水平振动分析简化模型,采用微分变换方法和双剪切理论,结合桩土连续边界条件,进而推导出桩身位移、内力、转角解析解,并与已有相关解析解进行退化对比验证。在此基础上,探讨了桩身长径比、地基剪切系数、桩土模量比、桩身剪切变形系数及轴向荷载对桩基水平振动特性的影响规律。计算分析结果表明推导所得对应解析解,能综合考虑轴向压力二阶效应、桩周土和桩身剪切变形的影响,可为大直径桩基工程相关水平向振动分析和设计提供参考。     

桩顶竖向荷载作用下桩土响应的数值分析

为提高软土地基的承载力,常用桩基础进行施工。桩基础承载力高,施工方便。以大直径空心桩基础为研究对象,研究桩顶竖向荷载作用下的桩土响应。以实际工程为依托,采用MARC建模软件,建立实体三维模型,分析3种工况下,桩在不同竖向荷载作用下的承载能力及桩周土体变形,并根据土体变形,分析桩土之间的相互作用,得出以下结论 ：桩的承载力一部分取决于桩侧土体的性质,在对桩侧土进行注浆加固且桩周土体采取水泥搅拌桩处理后,桩的承载力明显提高,并且桩周土体变形明显降低。     

DX桩单桩承载力的有限元分析

用有限元法对竖向桩顶荷载作用下DX桩桩周土的应力变形及桩身荷载传递特点进行了数值分析。给出了桩周土体的应力位移等值线,分析了扩径体数量、间距及形状对DX桩承载性能的影响,进一步揭示了DX桩的单桩承载力机理,可为DX桩的承载力设计提供参考。     

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。     

长期荷载作用下方钢管混凝土压弯构件的力学性能

基于ACl(1992)方法,提出一种适合于长期荷载作用下方钢管混凝土构件变形计算的方法,理论结果和试验结果基本吻合。考虑长期荷载作用效应的影响,提出轴心受压时方钢管混凝土核心混凝土的应力－应变关系模型,据此利用数值方法成功地计算出考虑长期荷载作用影响时方钢管混凝土构件的荷载－变形全过程关系曲线,理论计算结果和试验结果吻合良好,在此基础上,可给出长期荷载作用下对方钢管混凝土压弯构件承载力的影响系数。     

基础模拟方式对泰州大桥地震响应的影响

建立了3种基础-土相互作用模拟方式,分别为考虑一定桩身柔性的固结独塔模型,基于“m”法的线性独塔模型,以及采用“p-y”曲线法的非线性独塔模型。采用El-Centro和Kobe两种地震波分别对3个模型进行计算分析,结果发现,基于“m”法的线性独塔沉井模型与“p-y”曲线法的非线性独塔沉井模型相比响应偏大,而基于“m”法的线性独塔群桩基础模型则与“p-y”曲线法的非线性独塔群桩基础模型有较好的吻合。     

挤扩支盘桩承载变形特性的试验研究及承载力计算

根据单桩静载荷试验及桩身轴力的测试结果,深入分析了竖向荷载作用下挤扩支盘桩的荷载传递机理和变形特性;同时给出挤扩支盘桩的单桩承载力计算公式。通过分析计算,指出了支盘的承力特性具有明显的时间效应和端承性质,揭示了支盘桩高承载力和S型Q-S曲线的内涵。     

海上单桩风机桩基及整机振动测试和分析

盐城市某海上风电项目中所安装的100台4 MW风电机组,全部采用大直径无过渡段法兰单桩设计,为了解单桩基础及吊装完成的风机在海洋环境下的实际振动情况,对比风机吊装前后振动的差异,对4台单桩基础进行振动速度测试,通过对振动数据自功率谱平均分析,获取海洋环境中单桩基础的振动频率,另外对风场内吊装完成的1台风力发电机在相同位置处进行振动测试和分析,发现无论是桩基还是整机水平向振动强度都是竖直向振动强度的10倍至20倍,对比吊装前后测试数据可知风力发电塔在吊装后固有频率降低,风机桩基主要振动频率受环境耦合因素影响较大,但风机塔吊装完成后,振动响应主要集中在风机固有频率处。研究结果可为此类风机施工过程中桩基振动检验、海上风机的振动监测和故障诊断提供参考,也丰富了海洋环境中风机振动的研究资料。     

考虑土-结构相互作用的海上风力机结构振动控制研究EI北大核心CSCD

利用耦合线性弹簧模型模拟桩基础和土体之间的相互作用,基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象,基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数设计;基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出:考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。     

海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

研究了海上风电三脚架支撑结构的随机性优化分析。与陆上风电相比,海上风电支撑结构成本较大,而支撑结构受到复杂载荷作用,且其海上维修、安装费用较大,在设计中必须要考虑支撑结构在海洋环境下的安全可靠性。因此采用了随机性动力优化设计的方法一方面降低了成本,另一方面充分考虑了海上风电工作过程中由于随机性因素引起的安全性问题。首先考虑了风、浪、流及地震载荷作用,对海上风电支撑结构进行了整体动力分析,确定结构随机性优化的响应约束条件。然后通过实验设计的方法简化设计变量,通过代理模型的方法构造变量与响应之间的数学模型。最后在代理模型基础上采用全局优化算法对海上风电支撑结构进行随机性优化。优化后的三脚架支撑结构在满足强度与刚度设计要求下即节省了一定的成本又提高了结构的可靠性。研究算例表明,所提出的海上风电支撑结构的随机性动力优化分析研究具有可行性。     

海上风电站遭遇船舶侧向撞击时的结构动力响应分析

海上风电站的抗撞特性是设计中必须考虑的要素之一。利用非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran模拟了一艘5000吨船舶以不同速度侧向撞击海上风电站的动态过程,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力-撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据。根据数值仿真计算结果,分析了风电站的结构抗撞特性,并对撞击过程中风电站的结构变形特征以及撞击能量对风电站结构损伤的影响程度进行了探讨。     

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。     

考虑实际分布形式的水平受荷桩桩周土抗力分析方法

p-y曲线法被广泛应用于水平受荷桩荷载位移响应的分析中,但该方法无法准确地反映出桩周土抗力的实际分布形式。鉴于此,该文考虑了桩-土实际相互作用,假定随着径向位移的增加,桩的被动侧径向土压力呈双曲线形式增大,主动侧径向土压力呈线性减小,从而建立了桩周径向土压力与径向位移的关系;在此基础上,对摩阻力的初始刚度进行修正,引入双曲线荷载传递模型求解了桩周环向摩阻力;最后提出了考虑实际分布形式的桩周土抗力分析方法,并通过2个算例验证了正确性。通过参数分析表明:径向土压力和环向摩阻力对土抗力的贡献程度与水平位移有关;极限状态下,传统的桩侧环向摩阻力水平分量不均匀分布的形状系数偏大,该文给出了建议的取值;对径向土压力水平分量和环向摩阻力水平分量进行归一化分析,得到了拟合曲线公式,可为后续分析提供参考。     

基础刚度对高层建筑抗震性能影响研究

该文建立了可以同时考虑基础刚度与地下室周边土体约束影响的结构分析模型,给出了确定单桩竖向刚度的原则与计算周边土体弹簧刚度的方法。通过对21层、32层和43层剪力墙结构在7条地震波作用下的时程分析,考察基础刚度和地下室周边土体弹簧刚度对结构抗震性能的影响。计算结果表明,考虑基础刚度后,结构自振周期加长,层间位移角增大,楼层水平剪力与倾覆力矩略有减小,地下室外墙土体反力显著增大,桩顶反力变化幅度减小。对于矩形平面的建筑,考虑基础刚度对短边方向的影响远大于对长边方向的影响。随着建筑高度与高宽比增加,考虑基础刚度引起的各种结构效应随之增大。由于高层建筑的高宽比大,侧向刚度起控制作用,基础刚度对结构抗震性能的影响值得高度关注。