考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

长期循环荷载作用时单桩式海上风力机结构自振频率的影响规律研究

基于FLAC^3D有限差分计算平台,建立风力机结构自振频率数值计算模型,并与工程监测的自振频率数据进行对比验证模型的有效性;然后通过嵌入土体刚度衰减模型（DSM）,考虑长期循环荷载对地基刚度的影响;探讨不同大小的循环荷载、不同的循环加载次数对海上风力机结构体系自振频率的影响规律,提出自振频率衰减公式;最后结合既有的风力机结构体系自振频率简化计算方法,建立单桩式海上风力机长期自振频率简化评价方法。结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风力机结构体系自振频率较小;风力机结构体系的设计自振频率应偏移3P,以保证海上风力机的长期运营安全。     

近海风力机水平受荷单桩简化p-y曲线研究

开展近海风力机水平受荷单桩的现场试验,实测得到桩顶荷载-位移关系、桩身变形和弯矩,揭示水平荷载作用下桩-土相互作用规律。考虑地基土埋深效应来修正初始地基反力模量,提出适用于砂土和黏土中水平受荷桩承载特性的简化p-y曲线模型,并与实测值和API规范计算值进行对比,最后对极限抗力系数和形状参数进行敏感性分析。结果表明：简化方法计算的桩顶位移和桩身最大弯矩与实测值相对误差分别为15.6%和3.2%,提出的简化方法能提高计算精度;极限抗力系数和形状参数对水平受荷桩内力和变形均较为敏感,以变形控制为设计原则的单桩基础建议取较大值。     

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。     

黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。     

承台群桩风力机基础水平向力学反应分析

介绍一种基于Winkler地基模型能够考虑群桩效应以及土体分层特性的群桩水平力学反应简化计算方法。采用有限元法对已有风力机基础工程实例进行建模分析,并与简化方法计算结果进行对比。采用简化方法详细分析群桩效应对群桩风力机基础位移内力的影响。分析表明:简化方法能够考虑群桩效应以及土体的分层特性,计算较简便,且计算精度满足工程要求,在风力机基础水平力学分析计算得到较好应用。     

响水海上风电钢管桩基础水平承载特性对比研究

结合江苏响水海上风电场2 m桩径钢管桩水平试验工程,以ANSYS有限元软件为平台建立海上风力机钢管桩的单桩基础模型,根据设计提供土层参数,采用API规范建议的p-y曲线法、港口工程桩基规范的m法和m折减法进行水平承载力计算,与实测的桩顶荷载-位移曲线、桩身变形和弯矩曲线进行对比分析,结果表明,API(American Petroleum Institute)规范建议的p-y曲线计算结果偏于安全,m法和m折减法偏于不安全,总体上m折减法与实测值更接近。上述几种分析方法的对比研究尚需更多的试验数据和计算分析工作。     

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。     

水泥土复合单桩水平承载性能模型试验研究

为研究水泥土复合桩水平承载性能,开展水泥土复合桩水平承载性能模型试验,对比分析水泥土加固前后单桩极限承载力、桩身弯矩和桩周土抗力变化规律;考虑桩周土径向非均质性来修正初始地基反力模量和极限土抗力,提出一种适用于水泥土复合单桩水平承载性能的简化p-y曲线模型,并与试验结果进行对比,验证该简化p-y曲线模型的合理性。结果表明：相比未加固桩,加固桩极限承载力得到明显提高,2种加固宽度下单桩极限承载力分别提高5.34倍和2.68倍;无论加固桩或未加固桩,桩身弯矩随荷载和深度变化趋势大致相同,最大弯矩点位置不同,加固桩最大弯矩点位于泥面附近;水泥土加固有效提高桩身土抗力,进而提高桩基水平承载性能;对比试验结果发现,该文计算值与实测值均吻合较好,验证了该简化计算方法的合理性。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

密实度对桩端承载力影响的离散元分析

为探究土体密实度对桩基的滑动面和破坏机理产生的影响,采用PFC3D软件模拟浅埋条件下的单桩在密实和松散砂土中的载荷试验,从微观角度揭示密实和松散两种状态对桩端承载机理的影响。结果表明,在桩端承载力与沉降位移的关系曲线中,密实地基的桩端阻力存在明显的峰值并出现沉降软化,松散地基的桩端阻力不断增大;通过颗粒速度场随桩体位移的变化,密实地基的破坏面与MEYERHOF G G提出的破坏面类似,松散地基的破坏面与VESIC A S提出的冲剪破坏面和局部剪切破坏面类似;通过颗粒位移场随桩体位移的变化,密实地基桩端附近土体发生侧向挤压和隆起而松散地基桩端土体仅发生严重的侧向挤压;通过分析地基破坏后的颗粒接触力,密实地基的力链有沿桩端向桩端以上的地基边界和桩身发展的趋势,松散地基的力链集中在桩底以下并向下传递;通过孔隙比和应力状态随加载过程的变化可知,密实地基发生土体剪胀,松散地基发生土体剪缩。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL 5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制。结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔顶振动控制效果并不明显;粘滞阻尼器也能缓解因地震造成的支撑结构上Von-Mises应力集中现象且在粘滞阻尼器安装位置效果最好;粘滞阻尼器能够显著降低风力机桩基部分所受剪力最大值,而对弯矩的控制效果则在风力机支撑结构部分效果最明显。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

考虑桩基础柔性的地震风浪作用下海上风力机结构耦合响应机理研究

基于FAST海上风力机整体耦合分析理论和桩基线性化理论,建立包含桩基础柔性的海上风力机基础结构的整体耦合运动方程。进而,通过对FAST v8进行二次开发,同时考虑桩基础柔性,建立包括转子机舱组件-风力机塔筒-基础结构的海上风力机在地震、风、浪荷载作用下的结构耦合仿真模型。根据建立的整体耦合数值仿真模型,开展地震、风、浪荷载联合作用下海上风力机动力响应研究,着重探讨桩基础柔性对于海上风力机结构在地震组合工况下的动力特性及耦合响应机理的影响。结果表明,桩基础柔性对于海上风力机结构动力特性有显著影响。与耦合弹簧边界相比,当忽略桩基础柔性时,会低估整体结构二阶频率对于地震作用下塔顶位移响应的影响,并在基底倾覆力矩响应中激发高阶模态,造成海上风力机结构动力响应变化规律的显著差异。因此,在海上风力机结构抗震设计与研究中必须考虑桩基础柔性的影响。     

基于现场试验的钢管桩分层土p-y 曲线研究

基于江苏某海上风电项目2 m直径钢管桩水平单调加载试验,实测获得桩身弯矩、桩身位移随深度变化规律——桩身最大弯矩位于泥面以下3倍桩径深度附近,桩身弯矩与位移零值点随水平荷载增加逐渐下移。基于现场试验推算浅层土反力随位移变化关系,揭示分层土中土反力受土层厚度与地基反力系数的综合影响。综合m法和双曲线法p-y曲线,考虑分层土的地基反力系数、弹簧节点影响范围、深度及桩径等因素对地基土初始刚度的影响,在此基础上该文提出双曲线法,并与m法、API规范法、双曲线法等进行比较。结果表明:m法只考虑了线弹性变形,在计算桩基的水平小变形时与实测结果接近;API规范p-y曲线计算结果偏于保守;双曲线法p-y曲线计算水平位移值偏小,结果偏于危险;该文提出的双曲线法计算结果与实测值吻合良好。     

纵向水平地震作用下全直桩码头结构Pushover分析

为研究全直桩码头结构的抗震能力,以江苏某全直桩码头结构段为例,采用SAP2000软件对结构进行了纵向静力弹塑性分析,讨论了不同桩基刚度等因素对Pushover分析结果的影响,得到了荷载因子-顶点位移关系曲线、桩身高度-纵向位移曲线、码头结构的屈服次序和位置及桩基内力等规律。结果表明,桩径的增大可提高结构所能承担的极限水平荷载;纵向水平地震作用下桩基以纵向受弯破坏为主,桩基纵向弯矩由海侧向陆侧逐渐增大;塑性铰一般由陆侧向海侧发展,同一排桩沿纵向由一端向另一端发展,同一桩基由底端向顶端发展。     

摩擦阻尼器对海上风力机塔架抗震性能研究

为分析摩擦阻尼器对近海单桩风力机结构抗震性能的影响,以单桩式NREL 5MW海上风力机为研究对象,基于有限元理论,建立三维多物理场模型,对多组实测地震下摩擦阻尼器在近海风力机结构抗震中的应用效果展开研究。结果表明：摩擦阻尼器对风力机塔顶振动具有显著控制效果,伪谱加速度最大时可使塔顶位移降低54.79%,但进入滑移状态后其无法复位的特性会导致风力机塔顶位移平均值无法恢复到震前状态;摩擦阻尼器可有效缓解因地震激励造成的塔壁应力集聚现象,Mises应力最大值降低17.96%;摩擦阻尼器对强伪谱加速度（PSA）地震导致的风力机塔顶位移及海床处弯矩控制效果更佳,而对弱PSA地震导致的结构响应控制效果则较为一般。     

软基高挡墙之间护底与墙底桩基联合抗力分析

现阶段高挡墙桩基设计时一般不计入护底的受压作用,而是假定水平荷载均由桩基承担,导致布桩数量过多、设计偏于保守。为了优化桩基布置,基于位移协调一致原理,提出了一种考虑护底与桩基联合承受水平荷载的设计方法。分别采用联合承载计算方法和三维有限元法对实际泵站工程进行计算,并利用实际监测资料对计算结果进行验证。结果表明,高挡墙考虑护底受压后,约90%的水平荷载由护底承担,群桩的水平荷载很小,故设计时宜以满足竖向承载力为优先条件,适当减少布桩数量。     

基于中国实测地震有效持续时间的风力机地震动力学研究

基于我国实测地震,对10 MW单桩陆上风力机在地震及湍流风载荷作用下的结构响应和局部损伤特性进行研究。采用阿里亚斯强度计算有效地震持续时间,从而对风力机进行时域分析。采用壳单元精细有限元模型,构建考虑湍流风、地震及土-构耦合效应的多物理场模型,开展10 MW单桩式陆上风力机的结构动力学研究。结果表明：湍流风载荷和地震载荷分别为影响风力机塔顶前后向位移和塔顶侧向位移的决定因素;地震载荷不同会导致地震诱导结构屈曲模态发生变化。     

海上风力机高桩承台基础反应特性研究

采用ANSYS建立由实体单元、壳单元、杆单元和管单元组成的海上风力机高桩承台混合模型。对极端工况下高桩混凝土承台进行有限元分析,得到承台混凝土和钢结构应力分布模型。通过对不同荷载组合下混凝土拉应力超限区域分布对比得到海上高桩承台基础结构在风力机荷载作用下的反应特性。结果表明:桩基础结构应力主要受波流荷载影响,塔筒过渡段结构应力主要受风力机荷载影响。高桩承台基础最易发生破坏结构为混凝土承台,在风力机荷载和波流荷载联合作用下,混凝土承台拉应力超限区主要分布在法兰盘受压区混凝土和钢管桩管壁处填芯混凝土。风力机上部结构产生的风力机荷载使高桩承台迎水面填芯混凝土处和与中心法兰盘接触处的混凝土拉应力超限;在波流荷载作用下,该超限区中高桩承台与风力机塔筒连接处和迎水面填芯混凝土处的拉应力超限区域减小。