基础冲刷对海上风电场塔架支撑系统动力特性的影响分析

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体的复杂作用的特点,建立三维有限元数值模型,开展不同海床冲刷深度条件下支撑系统结构的动态特性,探讨其变化规律,为海上风力机支撑系统的动力稳定设计提供科学依据。     

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。     

土基上坞式闸室结构的动力特性研究

本文用动力有限元方法,对土基上坞式闸室结构的动力性进行了分析研究。考虑结构,地基及回填土的相作用,分析了回填土范围轩基质量及基弹性量对坞室结构体系动力特性的影响。     

大型拦污栅结构液固耦合流激振动分析

以巴基斯坦真纳电站进水口拦污栅结构为对象,研究大型拦污栅结构流激振动及其影响因素。建立了拦污栅结构数值分析模型,以液固单元接触分析处理了液固耦合作用,分析了栅条作用、液固耦合、支撑约束及结构边界条件等因素对大型拦污栅结构动力特性的影响,给出了大型拦污栅避免栅体涡栅共振及栅条流激共振评判条件。结果表明:栅条作用与液固耦合对大型拦污栅结构动力特性的影响不容忽视,结构加固可能降低其动力安全性,而支撑约束及结构边界条件对拦污栅结构振动影响很小。该成果为该型拦污栅流激共振评判提供新依据,为相关技术标准修订提供参考。     

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。     

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。     

大容量海上风电机组支撑结构一体化技术研发与应用

<正>获奖情况:2022年中国安装协会科学技术进步奖二等奖一、成果研究背景一体化设计方法(integrated Design Offshore,缩写为iDO,又称整体化设计方法),考虑风和波浪耦合作用,基于耦合载荷,对整个支撑结构进行统一设计和校核。一体化设计主要包括一体化建模、一体化载荷分析、一体化结构校核,具体将塔架和基础作为一个整体,考虑风载荷和波浪载荷耦合作用,对支撑结构进行强度、疲劳校核。海上风电机组支撑结构一体化技术见图1。     

海上风力发电机组支撑结构动力特性分析

采用欧拉-伯努利梁模型来模拟海上风力发电机组的支撑结构,利用通用有限元软件ANSYS对机组支撑结构进行计算建模。在此基础上,分析了风力发电机组上端结构质量（风轮、机舱等）、整个机组重力以及海水对支撑结构固有频率的影响,并给出瞬态冲击下支撑结构的动力响应历程。计算结果表明,在计算海上风力发电机组支撑结构固有频率时应考虑上端结构质量的影响,可以不考虑重力的影响,而海水对高阶固有频率影响很大;在瞬态冲击下,上端结构质量使得支撑结构响应变得平缓。     

三峡升船机塔柱横梁混凝土施工技术

三峡升船机船厢室段塔柱承重结构的横梁混凝土浇筑施工难度大、复杂性高、无成熟技术可供参考。本文结合三峡升船机塔柱横梁混凝土浇筑的结构特点以及施工特性,总结了三峡升船机续建工程顶部横梁混凝土的施工技术,即采用分层、分块浇筑的办法,通过科学计算后进行合理的施工机械布置和浇筑施工管理,以保证塔柱横梁混凝土的施工质量。通过对贝雷架支撑系统的监测结果分析可知,贝雷架支撑系统的应力变形、挠度变形以及排架变形均满足施工承载要求,筒体位移亦满足技术要求,贝雷架支撑系统稳定、安全。三峡升船机塔柱横梁混凝土施工实践证明了本技术方案的有效性与可靠性,亦可为类似工程的施工组织设计与现场实施工作提供一定的参考。     

核电厂隔震结构支座力学性能多因素耦合地震响应研究

针对隔震支座力学性能与水平变形及竖向荷载的耦合特性,对其进行水平、竖向力学性能相关性试验研究,并输入12条剪切波速不同的地震波,对比分析考虑耦合特性与非耦合特性对核电厂隔震结构在地震作用下动力响应的影响。结果表明理论耦合力学模型与试验结果一致;数值结果显示AP1000在地震作用下考虑耦合模型同一工况下的隔震层竖向刚度衰减大于水平刚度衰减;不同地震动因剪切波速的差异对核电隔震结构的响应有较大影响,对于剪切波速较小的软土场地,双向刚度衰减程度最为显著;考虑耦合效应模型上部结构的位移响应显著大于非耦合模型。在超设计基准地震下其位移响应和刚度衰减率都有突变趋势,表明考虑耦合效应模型的支座会进入屈曲破坏阶段,上部结构进入突变倒塌。因此对超设计基准地震下核电隔震结构响应不考虑支座力学性能的耦合将低估结构地震响应。     

下卧饱和半空间粘弹性土层上基础阻抗函数的分析

由于地下水的影响,实际土层一般由含水土层和不含水土层组成。由于求解的复杂性,目前基础阻抗函数的求解中很少考虑这种地基情形。根据干土是饱和土的特殊情形这一事实,通过将液相压缩模量、孔隙比以及惯性耦合质量密度取为零,可以使干土的动力反应统一到饱和土动力反应求解方案中,从而可通过饱和地基上基础阻抗函数的一种求解方法,解决饱和土和干土并存时基础阻抗函数的求解问题。地基无限域的影响通过局部透射人工边界考虑。通过算例验证了该方法的可行性,并考察了干土层厚度以及基础埋深对动力阻抗的影响。     

结构-地基动力相互作用的实时耦联动力试验

振动台试验中如何考虑无限地基辐射阻尼是结构动力试验中的一个难题.该文采用实时耦联动力试验(RTDHT)方法,在试验系统的数值子结构中引入地基集总参数模型,将地基的数值模型计算与结构的物理模型试验实时耦联,从而实现了考虑结构-地基动力相互作用(SSI)的结构振动台动力试验.利用该方法,对一个双层结构考虑结构-地基动力相互...     

考虑有限深度土体运动的Winkler地基梁1/2次谐波共振响应分析

土-结构相互作用系统动力响应的基本特征之一是有限范围内弹性地基与其支承结构共同运动,将土体运动引入系统的动力学方程可体现其对系统动力学特性的影响。基于考虑有限深度土体运动影响的Winkler地基上有限长梁的非线性运动方程,利用Galerkin法和多尺度法,求得弹性地基梁1/2次谐波共振的幅频响应方程和位移的二阶近似解。进而通过数值计算,得到了梁1/2次谐波共振的幅频响应曲线,研究了地基深度、质量、弹性模量、Winkler参数和阻尼等对弹性地基梁1/2次谐波共振响应的影响。研究结果表明:有限深度土体运动对Winkler地基梁1/2次谐波共振响应影响显著。运动方程中引入土体运动的影响后,梁1/2次谐波共振区间明显减小。随地基深度、质量和弹性模量改变,弹性地基梁1/2次谐波共振的幅频响应曲线偏转程度、共振区间和响应幅值等均发生定量改变。当弹性地基刚度增大到一定程度,Winkler地基参数变化对系统1/2次谐波共振响应的影响明显减弱。阻尼对系统动力响应起抑制作用,当参数η增大到一定值后将不会出现1/2次谐波共振响应的非平凡解。     

土-相邻结构相互作用子结构振动台试验研究

以土-相邻结构体系和土-单体结构体系为研究对象,依托振动台并融合子结构试验技术,通过在试验中引入分支模态方法,利用多子结构间的相互作用耦合项把地基子结构的数值计算和上部模型结构的物理试验联系起来协同分析,实现了考虑土-相邻结构相互作用(SASI)效应和土-结构相互作用(SSI)效应的子结构振动台试验。以由两个相同四层钢框架结构与地基土组成的土-相邻结构体系为例,讨论了模型结构的加速度放大系数在各地震动作用下的变化规律;对比分析了土-单体结构体系和土-相邻结构体系中模型结构的顶层位移、加速度和底部剪力,研究了SASI效应对结构动力反应的影响规律。研究表明:与土-单体结构体系相比,SASI效应使结构的地震响应峰值呈现出不同程度的下降趋势,其影响程度和地震波的频谱成分组成以及体系自身的动力特性有关。     

考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析

本文提出了考虑土-结构相互作用计算大型机器基础动力反应的三维有限元方法.该方法将动力机器基础与周围地基作为一个完整的研究对象,将基础作为粘弹性体反映基础变形,建立粘-弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼和远场地球介质的弹性恢复性能,并通过构造等效弹簧实体元使这一人工边界在商业有限元程序中实现。文中进一步将上述方法用于分析燕化高压聚乙稀装置压缩机基础的动力反应，并通过数值试验定量讨论了影响大型机器基础动力反应的主要因素，得出了一些有用的结论。     

黏弹性地基中基于虚土桩模型的桩顶纵向振动阻抗研究

基于虚土桩模型,对均质粘弹性地基中桩土纵向耦合振动问题进行了研究。首先,假定桩侧土为各向同性的线性粘弹性材料,并考虑土体的竖向波动效应,结合Euler-Bernoulli杆件理论,建立了桩土纵向耦合振动的定解问题;其次,采用分离变量法求解桩侧土纵向振动的控制方程,得到了桩侧土与桩身接触面上的剪切动刚度,将所得的剪切动刚度代入到桩身振动控制方程,采用Laplace变换技术,进一步求得了任意荷载作用下桩顶纵向振动阻抗的解析解。基于所得解,详细讨论了不同桩身设计参数时桩端土厚度对桩顶纵向振动阻抗的影响。最后,将虚土桩模型与其他桩端土支承模型进行了对比研究,结果表明,对虚土桩模型选用合适的材料参数和桩端土厚度,其得到的桩端支承复刚度值介于现有多种模型的计算值之间。     

双向非均质土中填砂竹节管桩纵向振动理论与试验研究

填砂竹节管桩是一种新型复合桩基,通过竹节管桩、桩周填砂层和地基土共同承担上部荷载。基于考虑竖向波动效应的轴对称黏弹性土体模型研究其桩顶动力响应。利用虚土桩模拟桩底土体的支承作用,并对桩周介质进行径向和纵向分层,而后利用连续条件推得桩和桩周介质界面接触应力,根据拉氏变换和阻抗传递函数计算复合桩基桩顶阻抗解析解和速度时域响应半解析解,并讨论填砂层和竹节参数的影响;将理论曲线与现场试验实测曲线进行对比,结果表明,理论曲线和实测曲线吻合较好,所建模型能够反映实际工况下填砂竹节管桩的动力响应。研究成果对于填砂竹节管桩纵向振动的理论研究及工程应用具有一定的参考价值。     

软土地铁盾构隧道垂向随机振动分析模型

针对我国地铁盾构隧道与长枕埋入式整体道床的常用形式, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 并通过引入软土动刚度与应变的非线性关系表达式, 建立了软土地铁盾构隧道垂向随机振动分析模型, 用以研究非线性变化的软土动刚度对地铁盾构隧道随机振动的影响规律. 研究结果表明:当软土动刚度随应变频响非线性变化时, 盾构隧道随机振动在10Hz以上的中高频段呈下降趋势, 与此同时10Hz以下隧道低频振动不降反升, 其上升幅度明显高于隧道中高频振动的下降幅度;此外, 从地基反力幅频曲线的变化来看, 非线性变化的软土动刚度既影响地基反力频域幅值大小, 还会导致反力幅值在频域内的重分布, 特别是10Hz以下的低频段.     

基于Boer多孔介质理论的饱和半空间上刚性圆板基础竖向振动特性研究

针对饱和黏弹性半空间地基上刚性圆板基础竖向振动问题,基于Boer多孔介质动力控制方程组,应用Hankel积分变换技术并结合基础与地基土接触面混合边值条件,推导求解相关方程得到了饱和黏弹性半空间地基上刚性圆板基础的竖向动力阻抗以及振幅放大系数公式。在此基础上进一步通过数值算例对比分析探讨了液固耦合系数、基础质量比、地基土黏滞阻尼系数对所得基础竖向动力阻抗及振幅放大系数的影响规律。解析推导得出的对应竖向动力阻抗三维精确解不但丰富了基础振动理论,还可为相关工程实践提供参考和理论支持。