风浪联合作用下的钢格构式基础海上浮式风机耦合动力响应分析

结合半潜式和单立柱式海上风机浮式基础的特点,提出了一种用于海上风机的新型钢格构式基础.首先,根据美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)提供的5 MW海上风机样机对提出的新型浮式基础进行了结构设计.然后,采用水动力-空气动力-控制系统-系泊系统耦合方法对...     

张力腿基础刚度对大跨浮式悬索桥风-浪动力响应的影响

采用张力腿基础的大跨度浮式桥梁是一种新型跨海桥梁体系,由于张力腿结构横向刚度弱,风-浪作用下结构响应受基础设计的影响大。该文构建了浮式桥梁风-浪荷载计算及结构运动响应有限元分析方法,以某采用张力腿基础的浮式悬索桥为对象,分析了张力腿基础淹没深度、张力腿拉索倾角等设计参数对张力腿基础横、竖向刚度以及风-浪作用下浮桥动力响应的影响。结果表明,风荷载对浮桥主梁的动力响应起主导性作用;通过增加张力腿基础的淹没深度增大结构的竖向刚度,能直接有效地减少大跨浮桥的动力响应;调整张力腿拉索倾角为75°～80°时可以有效降低结构的横、竖向运动响应,过小的倾角虽然可以提供较大的横向刚度,但会增大主梁的运动响应。因此,张力腿基础刚度是大跨浮式桥梁结构动力响应的控制性因素,应对基础设计参数开展重点研究。     

风浪夹角变化对海上浮式风机系泊的影响

海上风机结构的设计中通常只考虑共线风浪。然而浮式风机的动力特性与传统的固定式风机有显著不同,风浪荷载对其结构的影响仍需进行深入研究。为探究风浪夹角变化对浮式风机系泊的影响,采用FAST-Orcaflex软件建立了浮式风机的耦合模型并进行了时域分析,得到了多种代表海况及不同风机运转状态下系泊的张力和平台的运动响应,并对模拟结果进行了分析。结果表明:共线风浪会造成最大的系泊张力以及除艏摇外最大的平台运动响应;但在温和海况下,风机停机时,不共线风浪会造成更大的系泊疲劳损伤。因此建议:在评估温和海况下系泊的疲劳损伤时,至少考虑风机停机状态下风浪夹角为0°和90°的工况;在系泊的疲劳寿命评估中,应结合风浪作用方向散布图,考虑温和海况下的风浪不共线工况。     

浮式平台失效模式分析和安全监测参数选择

如何合理的确定监测参数是实现结构健康安全有效监测的关键,当前监测参数的选取原因与依据上缺乏系统的深入研究.文中提出了基于失效模式的浮式平台监测参数的确定方法.首先分析了众多浮式平台事故原因和可能产生危害平台安全的各种因素,总结了浮式平台的失效模式;其次基于失效模式对浮式平台监测系统的监测参数选择进行了分析,合理的确定了浮式平台监测系统的监测参数,为科学合理地选取监测参数提供了依据.     

不同波浪理论下近海风机桩基础内力和变形比较分析

近海风机所处海域水深较浅,波浪非线性较为明显,而现行海港水文规范采用修正的线性波理论进行近似计算,因此需要进一步研究不同波浪理论对海上风机桩基性状的影响。基于线性波、Stokes五阶波和流函数三种波浪理论,将Morison方程与往复循环荷载下p—y曲线结合来分析风机桩基础的受力与变形。结合某海域波浪参数,首先对比分析了三种波浪理论下的速度、加速度和波面分布,然后计算单位高度波浪力的竖向分布差异,最后分析了桩基内力(剪力与弯矩)和变形(水平位移与倾角)的差异性。结果表明相对于线性波,流函数和Stokes五阶波计算的桩身弯矩偏大18.5%和26.7%,位移偏大25.2%和32.6%,因此近海风机基础设计中应慎重选择适用的波浪理论。     

海上风机基础结构的疲劳及其可靠性研究现状

近年来我国开始大力发展海上风电工程,海上风机基础结构是海上风机的重要组成部分。目前我国还没有海上风机基础结构相关设计标准或规范出台。对于海上风机基础结构疲劳荷载起控制作用,文中总结和回顾了海上风机钢结构基础的疲劳及其可靠性研究领域的进展。其中包括:海上风机钢结构基础的疲劳分析方法、荷载组合及波浪模型的选择、疲劳可靠性分析方法和研究现状等,并对今后这一领域的研究发展作了展望。     

超大型浮式结构基于频域法的流体弹性分析

浮舟式超大型浮式结构(VLFS)是一种漂浮于海面上的巨型工作平台,其具有表面积大、吃水较浅的特点。在波浪荷载作用下VLFS处于弹性工作状态,这种波浪与结构间的流固耦合作用被称流体弹性。为了评估波浪荷载下VLFS运动及应力状态,需要在设计过程中对其进行流体弹性分析。基于频域方法给出了包括铰接式和任意外形在内的VLFS的相关流体弹性分析公式,并且讨论了连接方式及平面形状对减小VLFS动力响应的影响。同时也研究了海床倾斜情况与结构动力响应间的关系。     

深水浮式桥梁研究应用进展

深水浮式桥梁是一种依靠水浮力承载上部结构自重和活载的桥梁结构,在宽水面、高水深、弱地基水域的跨越工程中具有显著的应用优势。文章首先对深水浮式桥梁的发展历史和结构体系进行回顾和总结。随后结合近年来国内外相关研究情况,从结构动力响应、实桥监测、浮式深水基础、锚索振动疲劳等方面较为全面地综述了深水浮式桥梁的研究和应用进展。通过对已有研究成果深入分析,重点讨论深水浮式桥梁研究中存在的问题和难点。最后对深水浮式桥梁的发展方向进行了展望,指出未来应重点在动力响应机理、结构模型试验、合理结构体系、复合材料应用、工程风险评估等方面开展研究工作,以推动深水浮式桥梁的工程应用。     

海床波浪响应的积分变换解及其分析应用

考虑土骨架和孔隙水的压缩性,基于平面应变条件下的Biot方程,研究线性波浪荷载作用下海床的动力响应。采用积分变换的方法,推导突加波浪荷载引起的海床中的孔隙水压力、应力和位移解。以北海的波浪和海床特征为参数的算例表明:在进行近海结构物设计时应注意到突加波浪荷载作用下海床的瞬态响应与稳态响应有较大的差别,其最大瞬时液化深度和区域,较稳态响应计算得到的结果要大;对行波和驻波作用下海床响应的主应力旋转进行描述,指出对于有限厚度海床两种波浪响应的应力路径有显著差异;同时研究土性参数对孔压响应的影响。     

海上风电基础研究现状

海上风电基础作为海上风机重要组成部分,在不同工况环境条件下受到了波浪、风、地震、冲击等各种动力荷载的交互作用,介绍了不同种类海上风电基础适用条件、研究现状,对风电行业基础的研发和设计提供了理论指导。     

Floating forest: A novel breakwater-windbreak structure against wind and wave hazards

A novel floating breakwater-windbreak structure (floating forest) has been designed for the protection of vulnerable coastal areas from extreme wind and wave loadings during storm conditions. The modular arch-shaped concrete structure is positioned perpendicularly to the direction of the prevailing wave and wind. The structure below the water surface acts as a porous breakwater with wave scattering capability. An array of tubular columns on the sloping deck of the breakwater act as an artificial forest-type windbreak. A feasibility study involving hydrodynamic and aerodynamic analyses has been performed, focusing on its capability in reducing wave heights and wind speeds in the lee side. The study shows that the proposed 1 km long floating forest is able to shelter a lee area that stretches up to 600 m, with 40%–60% wave energy reduction and 10%–80% peak wind speed reduction.     

基于风电场最大风速情况对风机基础的优化设计

由于风电场一般均建在风向较固定区域,风机基础的受力往往出现偏心极大方向和极小方向。针对此种情况,并结合风电场风资源特性,考虑各风机点位特点,论文提出"最大风速玫瑰图"概念,给出了风机基础设计的新思路,并通过"最大风速玫瑰图"将常规圆形、八边形基础,优化为矩形基础,使风机基础受力性能更好,有效减少基础混凝土量,同时节省项目建设时间。     

Motion analysis of a floating offshore wind turbine considering rotor-rotation

Development of offshore wind energy is desired as a countermeasure against global warming. This article presents motion analysis of a floating offshore wind turbine during the rotor-rotation under wind loads. A 2 MW downwind turbine is mounted on a floating foundation of the spar-type. The wind loads acting on the rotor blades are calculated using the blade element momentum theory. The multibody dynamics system theory is employed to consider the effect of the rotor-rotation. As a result, the motion of yaw, sway and roll are generated due to the effect of the gyro-moment for the rotor-rotation.     

沿海滩涂地区风机基础设计

风能作为一种清洁能源,具有显著的社会和环境效益。近年来世界风电装机容量平均以27％的速度增长,滩涂和近海的风力资源开发则更具潜力。风机基础是风机结构的关键部分,其主要计算内容包括：荷载组合值、地基承载力、稳定性、地基变形及基础受冲切、抗剪切等。当采用桩基础时,尚应复核桩身强度,桩基方案应结合承台及单桩承载力综合确定。由于风力发电机组对倾斜敏感,基础变形往往成为控制指标。在风机塔筒与基础的联接设计、地基基础长期变形发展规律、抗震抗风设计等方面还需做进一步专门研究。此文所研究的成果可供类似沿海地区风机基础设计参考。     

Feasibility Study of Submerged Floating Tunnels Moored by an Inclined Tendon System

Concepts of submerged floating tunnels (SFTs) for land connection have been continuously suggested and developed by several researchers and institutes. To maintain their predefined positions under various dynamic environmental loading conditions, the submerged floating tunnels should be effectively moored by reasonable mooring systems. With rational mooring systems, the design of SFTs should be confirmed to satisfy the structural safety, fatigue, and operability design criteria related to tunnel motion, internal forces, structural stresses, and the fatigue life of the main structural members. This paper presents a feasibility study of a submerged floating tunnel moored by an inclined tendon system. The basic structural concept was developed based on the concept of conventional cable-stayed bridges to minimize the seabed excavation, penetration, and anchoring work by applying tower-inclined tendon systems instead of conventional tendons with individual seabed anchors. To evaluate the structural performance of the new type of SFT, a hydrodynamic analysis was performed in the time domain using the commercial nonlinear finite element code ABAQUS–AQUA. For the main dynamic environmental loading condition, an irregular wave load was examined. A JONSWAP wave spectrum was used to generate a time-series wave-induced hydrodynamic load considering the specific significant wave height and peak period for predetermined wave conditions. By performing a time-domain hydrodynamic analysis on the submerged floating structure under irregular waves, the motional characteristics, structural stresses, and fatigue damage of the floating tunnel and mooring members were analyzed to evaluate the structural safety and fatigue performance. According to the analytical study, the suggested conceptual model for SFTs shows very good hydrodynamic structural performance. It can be concluded that the concept can be considered as a reasonable structural type of SFT.     

插环式风机基础疲劳损伤机理研究

通过对国内多台问题风机基础进行现场勘查和基础环水平度,混凝土强度及基础环下法兰视频探测等,分析了插环式风机基础的风致疲劳损伤。结果表明插环式风机基础疲劳损伤形成及演变主要包括3个阶段,即主风向初始裂缝;裂缝扩展至下法兰,下法兰松动导致其周边混凝土经研磨形成空腔,上穿环孔内及周边混凝土压溃;随着下法兰周边空腔的加大,基础环因上下位移加大而导致上穿环钢筋与基础环接触而被疲劳剪断,风机筒身亦因倾斜过大以致于无法正常运行。根据风机基础荷载,对最不利穿环钢筋单元进行了基于极端荷载和疲劳强度工况下的承载力验算,认为穿环钢筋的存在难以满足风机基础受剪承载力要求,建议设计中应采取相应措施予以加强。     

某新型风电机组塔筒倾斜及安全性检测鉴定

某3MW风电试验机组采用新型预应力混凝土基础形式,在机组试验运行阶段发生机组塔筒倾斜,风机安全运行受到严重威胁。本文通过对该风电机组基础的检测鉴定,分别从风机基础设计和施工角度查明了机组倾斜的原因,针对性地实施了纠偏加固处理。并针对纠偏加固处理效果进行了检测分析,同时采用动力测试技术分析了风机塔筒的动力特性,为风机的安全运行提供了技术依据。本文开创了此类风电机组基础检测鉴定的先例,指出了该类型风电机组基础设计以及施工中存在的问题,本文的实践研究成果将为此类风机基础的设计、施工和检测鉴定提供宝贵的技术参考。     

Research on floating wind turbines: a literature survey

This article presents a literature survey of research and development on floating wind turbines. The various, proposed conceptual designs for floating platforms used for floating wind turbines are described and the working principles of these various floater concepts are outlined. This is followed by an overview of the research work that has been undertaken pertaining to floating wind turbine technology by several research institutes and the academic community. The research work undertaken to date is reviewed categorically according to the proposed floater concept (spar-buoy type, TLP type, semi-submersible type, pontoon type and others) as per sections 3–7. Based on the research work undertaken thus far, recommendations for future work are suggested.