地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。     

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。     

长周期地震动下软夹层地基的层间隔震结构振动台试验研究

长周期地震动易使隔震结构地震响应强烈,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后隔震结构可能更不利。为探究长周期地震动下软弱夹层地基SSI效应对层间隔震结构的动力响应规律及减震性能的影响,开展刚性、软夹层地基上大底盘单塔楼层间隔震结构的数值模拟和振动台试验。结果表明：考虑SSI效应后结构的自振周期较刚性地基增大,但采用隔震技术后延长的周期倍数降低;软夹层地基对输入地震动具有明显放大和滤波效应,与地震动的峰值和频谱特性相关;SSI效应对层间隔震结构的地震响应以放大作用为主,对下部底盘和隔震层的影响较大;考虑SSI效应后长周期地震动下隔震结构的地震响应较普通地震动更为强烈,减震效果变差,特别是近场脉冲地震动下隔震层位移超限,体系发生失效破坏。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

长周期地震动-脉动风耦合作用下风电塔架动力响应分析与混合试验初步验证

随着我国对绿色能源需求的不断增加,风力发电场的建设逐渐向我国地震多发区扩张,风力发电塔面临着地震的严峻考验。地震荷载与常规风荷载共同作用下的风电塔性能正在成为设计中的重要参考标准。水平轴、三叶片风电塔是最为常见的风电塔类型,属于自振周期较长的高柔结构,对低频成分突出的长周期地震动比较敏感。因此,本文针对运转状态风力发电塔在长周期地震作用下的动力响应进行了分析。选择一座1.5 MW在役风电塔为原型结构,基于ABAQUS平台建立其壳单元模型,选择典型长周期地震动记录,通过动力时程分析对风电塔停机状态下的地震响应进行估计。基于Kaimal谱生成脉动风荷载,对地震-风耦合作用下的风电塔架动力响应进行模拟。结果表明:长周期地震动对风电塔塔顶位移放大作用明显,可超过风荷载成为控制荷载。为解决风电塔试验模型缩尺比较小与复杂荷载模拟问题,开发了混合试验的软件平台。通过混合试验的数值模拟结果与ABAQUS模型分析结果的对比,实现了风-震作用下风电塔混合试验的数值仿真验证。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响

跨海或库区的大跨度桥梁在地震作用下不仅需要考虑水体与桥墩的动力相互作用,同时由于各桥墩间跨度较大应考虑地震输入的行波效应。该文采用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力,建立了考虑地震动输入空间效应的深水桥梁地震响应分析方法,并考虑行波效应对深水连续刚构桥进行地震响应分析。研究表明:动水压力增大了桥梁结构的地震响应,其影响程度随着输入地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异;考虑行波效应时地震动水压力对桥梁结构动力响应的影响较一致激励而言有所差别,同时地震动水压力对桥梁地震响应的影响随着视波速的不同而变化。由此得出结论,为合理评价地震动水压力对深水长大桥梁动力响应的影响应考虑地震动输入的行波效应。     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。     

高速铁路简支梁桥地震反应特性研究

近年来高速铁路建设方兴未艾,地震作用下的高速铁路桥梁动力响应问题日益引起公众及研究者关注。基于有限元法,建立了高速铁路多跨简支梁桥的杆系单元全桥空间分析模型和单墩实体模型,利用有限元软件及弯矩-曲率关系程序,计算了不同地震强度、不同地震荷载组合下高铁桥梁在是否考虑桩土作用、不同车速以及不同墩高等工况下的弹塑性地震反应,分析了不同参数影响下的地震反应特性。计算与分析结果表明: 地质条件较好的情况下,桩土作用对地震响应的影响较小,可以采用简化方法考虑桩土作用;随着地震强度、车速和墩高等参数的增加,桥梁动力响应相应增加;地震波频谱特性对结构地震响应影响较大;桥墩在罕遇地震作用下会进入弹塑性状态,塑性铰在墩底形成,应加密墩底横向钢筋以保证其塑性变形能力。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁 梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。     

运行状态风力机地震响应的解耦分析方法

对于运行状态的风力发电机,其地震响应涉及风荷载与地震的联合激励。为建立风-地震共同作用下风力机动力响应的解耦分析方法,该文基于最小二乘法,建立水平轴风力机模态气动阻尼比简化模型;将叶轮气动阻力以等效阻尼比施加于支撑结构,形成风力机地震响应的解耦分析方法,与耦合方法模拟结果进行比较,验证解耦方法的可靠性。结果表明:双线性模型能够准确模拟风力机模态气动阻尼比随轮毂高度处10 min平均风速变化的规律,解耦方法得到的风力机塔顶加速度和塔底弯矩峰值与耦合方法所得结果的误差不超过15%,同时,解耦方法的计算效率也高于耦合方法。     

考虑墙体作用的低层冷弯薄壁型钢轻型房屋住宅体系弹塑性动力分析

低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系的抗震性能是进行该类结构推广应用的关键。该文基于ANSYS软件建立了该类结构体系的数值模型,在考虑冷弯薄型钢构件及门窗洞口加强与否、考虑组合墙体作用与否等情况下,分别进行了设防烈度为7度时常遇地震下的静力分析和弹性时程分析和设防烈度分别为7度、8度和9度时罕遇地震下的弹塑性时程分析。结果表明:常遇地震作用时结构弹性层间位移由风荷载控制,罕遇地震作用下结构弹塑性层间侧移则由地震作用控制;是否考虑组合墙体及墙面板材料特性对结构承载力、变形及抗震性能影响显著。在设防烈度分别为7度、8度和9度时的罕遇地震作用下,考虑组合墙体时结构最大弹塑性层间位移角可满足现行抗震规范(GB50011-2010)要求,双面OSB墙面板且角柱进行加强时抗震性能最好。该文结果可为进一步进行此类结构体系的抗震性能研究及应用提供参考。     

提高地铁车站结构抗震能力的理论及数值分析

1995年阪神地震中,地铁车站等地下结构遭受了严重的破坏,其中大开地铁车站破坏尤为严重,一半以上的中柱发生坍塌,为了提高地铁车站结构的抗震能力,本文基于第二类拉格朗日方程首先建立了地震荷载和轴力联合作用下柔性动边界梁动力响应的分析方法,并讨论了轴力和弹簧刚度与阻尼系数对动力响应的影响特点与规律,然后利用ABAQUS软件对阪神地震荷载作用下大开地铁车站在有无设置隔震器时进行了三维非线性动力分析。研究结果表明：)     

高烈度软土场地桥梁地震与冲刷联合作用效应研究

冲刷会导致桥梁基础裸露,土体对桩基的约束作用减弱,使得桥梁基础在地震作用下的危险性增大,因此建立冲刷与地震联合作用下桥梁的失效概率模型,分析震区连续刚构桥冲刷作用组合分项系数具有重要的意义。以地震基本烈度Ⅷ度区某连续刚构桥为依托工程,基于Monte-Carlo法确定冲刷深度的分布函数,并采用CSIBridge有限元软件建立不同冲刷深度下全桥空间有限元动力模型,进行48条地震波下的增量动力分析(IDA),计算不同冲刷深度的地震作用效应分布函数,并采用直接积分法求得桥梁基础的失效概率及可靠度指标。研究结果表明:通过冲刷与地震的联合作用框架下失效概率分析,可建立冲刷深度与失效概率的非线性关系;该方法可合理确定冲刷与地震作用组合下荷载组合分项系数,可为桥梁在冲刷与地震联合作用下的风险评估和设计提供参考。     

风机塔架PS-TMD被动控制装置机理分析及参数调谐优化研究

随着风电机组向大兆瓦方向发展,风机塔架的高、柔特性愈发突出,在风、浪及地震等运营荷载下塔架结构的振动问题日益显著。针对风机载荷复杂、共振频带较宽的问题,结合风机塔筒结构的特殊构造和振动特点,提出一种新型被动预应力调谐质量阻尼装置(PS-TMD)。基于结构动力学原理,给出了风机及PS-TMD装置体系的简化力学计算模型,推导了体系动力系数及分支点共振频率比,分析了PS-TMD的减振机理,推导了体系的最优频率比、阻尼比、质量比,从理论上阐明了体系参数的最佳调谐。通过某风机塔筒理论分析表明:与相同条件下的传统TMD相比,PS-TMD的最优频率比可达0.9974,最优阻尼比为0.35%,且PS-TMD有阻尼体系不存在共振发散现象,在接近结构自振频率附近减振效果可达60%以上。有限元模拟结果表明,在三组不同风荷载作用下,塔顶位移减振控制均可达到35%以上,能有效抑制塔架结构的共振。     

不同地震作用方向下混凝土核心筒基于增量动力分析的抗震性能评估

强震作用下,核心筒对混合结构发生破坏乃至倒塌有着重要影响。选择合适的地震输入,进行核心筒在双向或多向地震作用下的地震反应分析是值得深入研究的。采用动力时程分析方法,通过不同方向地震作用与单向地震作用下混凝土核心筒的地震效应对比可知,在进行结构设计时,大震作用下,斜向地震作用下的内力要明显偏大,仅考虑单向输入的水平加速度的设计结果会偏于不安全。并通过输入与Y轴45°斜向地震记录基于单条地震记录的增量动力分析方法（IDA方法）对核心筒进行抗震性能评估。结果表明,斜向地震输入对核心筒IDA曲线有一定影响,但各性能点对应的量化位移指标与Y向单条地震输入时相差不大。     

叠层橡胶支座与抗风支座组合隔震反应分析

为研究隔震层增设抗风支座对处于风压较大地区的隔震结构减震效果的影响,以某实际隔震工程为背景, 设定结构水平向减震系数分别小于0.53和0.40的目标,建立有(无)设置抗风支座的两种隔震结构模型,采用时程分析法对比结构在地震作用下的响应。结果表明,相较于抗震结构,两种隔震结构地震响应都有显著的降低;无抗风支座隔震方案增加了LRB数量,满足抗风设计要求,但降低了减震效果;而有抗风支座隔震方案,减少了LRB的数量,提高了减震效果。在正常使用条件和小震作用下,抗风支座参与工作,隔震层不屈服;当结构遭遇中震作用时,抗风支座能屈服并破坏,退出工作,不影响上部结构的减震效果。     

核电厂房安全壳流固耦合动力响应分析

在地震荷载作用下,核电厂房安全壳水箱内水会发生晃动,这种流固耦合作用会影响到安全壳的动力响应。采用简化附加质量法和光滑粒子流体动力学(SPH)法,分别对应不考虑和考虑水体晃动的效应,选取常用自然波Northridge波和上海人工合成波作为地震动输入,获取了7个水位工况下包括基底剪力、位移和加速度的动力响应。通过对比两种方法的模拟结果,发现考虑水体流动的SPH法要比不考虑水体晃动的简化附加质量法的动力响应要小,水箱内水的晃动对结构整体的动力响应起到了减震的作用;并分析SPH法各水位工况下的动力响应,结果表明:水位高度4.0 m时,安全壳动力响应相对较小,是水箱较为合理的储水水位。