考虑SSI效应的特高压输电塔风致响应试验

为了研究风荷载作用下输电塔-基础-地基耦合效应(SSI效应)对输电塔风致响应的影响,以一座特高压输电塔-基础-地基体系为例,按照离散刚度法设计其气弹模型,采用一个刚性质量块来模拟基础,U型弹簧和阻尼器来模拟地基,对气弹模型进行风洞试验,并研究地基阻尼和刚度对输电塔结构风致响应的影响规律。研究表明:1)考虑SSI效应后,模型的振动衰减要慢于刚性地基模型;同时,随着地基刚度的减小,模型的综合刚度减少且自振周期增大;2)地基刚度的减小会使上部结构位移和加速度响应逐渐增大,对塔脚反力基本没有影响;随着地基阻尼的增大,塔身加速度逐渐减小,但位移和塔脚反力几乎保持不变。因此,在进行输电塔结构设计时应考虑SSI效应的影响。     

基于SACS的海上风机导管架基础疲劳参数敏感性分析

采用SACS软件建立海上风机导管架基础频域疲劳分析模型，选取不同波浪谱与谱参数生成波浪荷载，选用不同S-N曲线及SCF经验公式计算导管架基础及与塔筒连接部位疲劳寿命，分析关键参数对结构热点部位疲劳寿命计算结果的影响。分析表明，S-N曲线、SCF计算方法、波浪谱、腐蚀、桩土弱化作用等因素对导管架基础管节点疲劳寿命计算结果均具有较大影响。     

东海某风场4 MW风机塔筒结构疲劳特性

海上风机塔筒长期受到风荷载等外部动力荷载作用,其应力响应相当不规则,容易发生疲劳破坏。由于每个风速工况出现的概率不同,而且塔筒在各工况下的响应也存在差异,因此有必要划分风速工况来编制疲劳应力谱。本文以东海某海上风电项目为例,建立塔筒结构三维精细化有限元模型,结合风速威布尔分布模型、雨流计数法和线性疲劳累积损伤法则,采用名义应力法计算塔筒的疲劳寿命,并与简化塔筒模型的计算结果进行对比分析,以期为风力机结构疲劳研究提供思路和参考。计算结果表明：通过划分风速工况来编制疲劳应力谱的方法是可行的;塔筒结构容易发生疲劳破坏的部位在塔筒中下部筒节之间的连接处及附近;在分析塔筒疲劳特性时采用壁厚随高度均匀变化的简化塔筒模型与精细化模型结果相差较大,会带来较大误差,因此建议建立精细化模型以合理预估风机塔筒疲劳寿命。     

地震作用下固定式海上风机动力模型试验及耦合数值研究

海上风机是复杂环境荷载作用下多自由度复杂结构体系．为揭示环境荷载、转子机舱组件及支撑系统之间相互作用对海上风机结构运动响应的影响,建立水动力和结构弹性联合相似准则、气动力的牛顿相似准则,开展了地震、风、波流联合作用下海上风机整体结构动力模型试验,验证了风浪等环境荷载对于地震作用下五桩基础海上风机结构响应的影响．基于FAST v8推导并建立了地震、风、波浪联合作用下海上风机整体耦合数值仿真模型,揭示了该工况下海上风机结构响应的耦合特性,同时发现停机保护策略并不能有效降低海上风机结构地震响应．进一步,探讨了调谐质量阻尼器对海上风机在地震组合工况下的振动控制效果．     

考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析

针对某陆上风电场1.5 MW风电塔结构,建立了"塔筒―基础―地基"整体三维精细有限元模型,研究土―结构相互作用对风机运转状态下风电塔结构地震动力响应的影响规律.在风机运转状态下,使用FAST程序把风速时程转化为风荷载时程输入模型,并使用EERA程序进行土层地震反应分析得到模型土层底部的地震波,作为地震激励进行输入,对风电塔进行模态分析并计算风电塔地震动力响应.研究表明,考虑土―结构相互作用效应会引起风电塔体系自振频率降低,并显著增加风电塔的结构动力响应.     

海上风机大直径单桩水平-摇摆耦合振动特性

基于弹性半空间理论,在Abaqus有限元软件中建立海上风机三维大直径薄壁空心桩-土动力相互作用模型,通过荷载控制法研究桩的水平-摇摆耦合振动,分析无量纲频率、单桩长径比、厚径比、桩土弹性模量比值、桩基周围冲刷对单桩动力阻抗的影响,并将所得结果无量纲化,增加其适用性。研究结果表明,无量纲频率对桩基动力特性的影响与其他因素紧密相联;长径比、弹性模量比、厚径比、桩基周围冲刷坑深度对桩基动力特性均存在较大影响;刚度随着长径比的增大而增大,但存在一定的临界桩长,在无量纲频率较低时,阻尼的趋势与刚度类似;当基础周围的冲刷深度达到2倍直径时,基础的刚度将会下降到原来的1/3左右,且阻尼的下降也非常显著。     

气动荷载对浮式风机系泊疲劳寿命的影响分析

利用仿真软件FAST和OrcaFlex建立了风机-浮式平台-系泊系统在时域上的耦合分析模型,结合Miner线性损伤累积理论、雨流计算法和系泊T-N曲线,分析了浮式风机的系泊系统在不同气动模型和代表性工况下的疲劳问题,研究了气动荷载和风场湍流强度对系泊疲劳寿命的影响.结果表明:气动荷载会大幅缩短系泊的疲劳寿命,考虑湍流气动荷载时的系泊疲劳寿命仅为不考虑其影响时的1/5,故在系泊疲劳分析中应合理选择湍流风模型;当海况风速接近风机额定风速时,气动荷载会显著增大平台水平位移,导致系泊张力大幅增大,加速系泊疲劳损伤,缩短系泊疲劳寿命;平台的侧移响应会增大平台的侧倾响应,从而加速系泊的疲劳.     

基于SPH-FE方法的波浪中结构物动力特性模拟研究

海工结构物在波浪荷载作用下产生动力响应,本文基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FE)耦合方法对结构物受孤立波冲击过程中表面压力分布和动力响应特性进行研究.通过溃坝模型模拟了水柱倒塌冲击结构物的过程,分析SPH模型中粒子间距对数值结果的影响,并通过与文献结果对比验证了本文数值方法的可行性.在此基础上研究水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度对波浪到达时间、结构动力响应和波浪冲击荷载特性的影响.研究结果表明:在本文计算条件下,波浪到达结构物的时间与溃坝初始水柱高度关系不明显,但随水柱与结构物间距的增大而线性增加;结构物顶端位移响应幅值随水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度的变化较明显;结构物所受波浪冲击荷载与水动力作用呈正相关关系;当水动力作用相同,结构刚度增大时,结构物底端所受波浪力会增大.     

超高墩对山区三塔斜拉桥力学响应的影响

多塔斜拉桥是跨越宽阔水面和山谷的一种可行方案。然而,山区多塔斜拉桥的超高桥墩会改变全桥结构的整体刚度,使其力学响应有别于普通的多塔斜拉桥。为研究超高墩对三塔斜拉桥力学行为的影响程度,以某在建的超高墩三塔斜拉桥为例,首先确立了力学响应指标和计算方法,然后分析了桥墩高度、桥墩高差、主梁刚度和主塔刚度对塔顶位移、墩底弯矩、跨中挠度等结构响应的影响规律。结果表明:当桥墩高度增加时,车道荷载和温度荷载所引起的墩底附加弯矩会随之减小,而塔顶的纵向位移和主梁的跨中挠度随之增大;桥墩高差对桥墩的内力影响很大,高差较大时,矮墩会承受更多的弯矩;提高主塔刚度能够更有效的控制结构位移。     

基础刚度对砖石古塔受力机理影响研究

以西安万寿寺塔纠偏工程为研究背景,对纠偏加固后的砖石古塔的在不同基础刚度条件下的受力机理分析.分别建立增加圈梁、圈梁-地梁组合以及圈梁-地梁-托盘组合模型下的塔体与基础协同工作模型.通过数值计算对比分析基础刚度改变引起的塔体受力的变化;同时探讨基础刚度对塔体动力特性的影响.结果表明:基础刚度增大,塔体应力随之削弱,改善了塔体静力作用下的受力状态和稳定性;基础刚度增大,塔体的自振频率增大,基础刚度变化对高阶振型影响较为明显.     

海上风机结构振动监测试验与特性分析

以某海上风电试验样机为研究对象,基于现场原型观测获取整体风机结构在停机、正常运行、开(停)机及台风工况下的振动响应数据,系统地分析海上风机结构在不同运行状态下的振动响应时频域特性与变化规律,探讨影响海上风机结构振动的关键因素及其对风机振动安全性的影响规律.结果表明:在风机处于停机状态下,结构振动随环境风速的增加而显著增大;而运行状态时,叶轮转速对结构振动影响效应明显,对振动变化起到主导作用.海上风机在开(停)机过渡过程中振动显著大于正常运行状态,台风期风机在额定转速运行时的振动超过实测最大风速时停机工况的响应.塔筒顶部与基础顶部振动响应同步性说明整体风机具有很好的变形协调性.     

全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析

在Hermite矩模型基础上,根据Kaimal谱生成某典型风机结构正常风速条件下,三种不同概率特性风场(高斯、非高斯硬化和软化),在考虑来流风向和平均风速联合概率密度条件下,以塔架基础连接处为例,对风机进行疲劳寿命可靠性分析.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域和频域特性进行分析.基于线性损伤累积理论和Paris公式,对来流全风向条件下的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行了详细讨论.结果表明,裂纹形成寿命对风荷载的非高斯性较为敏感,而裂纹扩展寿命对风荷载的非高斯性并不敏感,需要考虑风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.此外,在考虑全风向来流条件下,疲劳裂纹形成和扩展阶段的失效位置相同,均在主导风向上.     

波浪与地震荷载共同作用下桩的动力响应

海洋风机单桩基础会受到波浪荷载的循环作用,同时会面临地震荷载的威胁,因此,海洋单桩基础所处的环境较为复杂.然而,目前大多理论研究主要考虑波浪荷载或地震荷载作用下的桩基动力响应问题.本文采用有限元方法建立了波浪-地震-桩-海床耦合模型,数值分析方法基于Abaqus隐式动力分析.采用Morison方程模拟波浪对于桩基础的作用,海床采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩为弹性介质,地震波通过加速度的形式添加在模型底部.主要研究埋置在海床中桩的动力响应问题,如:加速度、位移、弯矩以及剪力等.结果表明:地震荷载对于海上风机单桩基础具有重要影响.在地震荷载作用下,桩的加速度以及位移响应均有一定程度的放大.土体性质以及桩的参数对于海上风机单桩基础设计至关重要.     

磁流变调谐质量阻尼器在海上风机振动控制中的应用

针对近海风机在风、波浪和地震3种载荷作用下的振动控制问题,提出了基于磁流变弹性体(magnetorheological elastomer, MRE)调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)的海上风机半主动控制方法。首先,介绍了MRE的变刚度磁致力学特性及面向海上减振需求的MRE-TMD结构设计原理;其次,建立了海上风机-TMD动力学模型,计算了风、波浪及地震激励载荷;再次,应用半主动控制算法跟踪识别风机塔筒顶端响应的频率,实时调节MRE-TMD的刚度,进而对海上风机进行振动控制。通过分析导管架式近海风机在多种载荷作用下的动力响应可知,采用基于MRE-TMD的控制方法能够有效衰减导管架式海上风机在多种载荷作用下的振动响应。与被动TMD相比,MRE-TMD具有较好的减振效果,为海上风机振动控制提供了一种新的解决思路。     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥地震响应的影响

目的研究冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥桥塔地震响应的影响,为此类桥梁冲刷条件下抗震设计提供参考.方法采用考虑几何非线性的全桥有限元模型,并应用m法模拟土对桩基的约束刚度,分析不同基础冲刷深度条件对基础刚度和桥梁整体动力特性,以及对高耸桥塔地震响应的影响.结果冲刷效应通过减小土对桩基的约束,使桥塔基础刚度明显减小,但桥梁竖向和纵向基频不受影响,高阶振型及其地震效应的变化控制了结构的某些地震响应;不同冲刷深度下,桥塔关键截面-塔底截面纵桥向内力会出现明显峰值,而塔顶位移及横桥向内力效应呈现不同的规律.结论对于大跨度自锚式悬索桥高耸桥塔结构,最不利地震荷载效应并不完全发生在冲刷深度最大时,抗震设计需要考虑地震下多目标效应的多级冲刷的精细化处理方法.     

海上风电基础冲刷动力特性及在线监测

海上风电由于其风资源条件好，不受占地条件约束等优点，在全球能源战略中的地位不断提升。海上风电基础广泛存在冲刷问题，冲刷会导致基础承载力下降、结构固有频率变化和海底输电管缆暴露等风险，因此对基础冲刷的监测和预警至关重要。该文首先分析了基础冲刷的动力特性，建立了风机-塔筒-基础一体化仿真模型，研究了基础冲刷深度与基础固有频率的相关关系，并分析了冲刷对结构动力响应的影响；其次提出了基础冲刷低频振动监测方法，并研发了一套海上风电基础冲刷低频振动监测系统。通过该系统在江苏某海上风电场的运用实例分析，探讨了未来基础冲刷监测的改进方向，研究成果可为国内外海上风电工程提供参考。     

施工阶段多(高)层建筑钢筋混凝土结构统一模型

为便于现场施工组织和安全检验,针对多(高)层建筑混凝土结构施工阶段,建立了一个包含了基础刚度与施工模板支撑薄弱层参数的统一模型。分析结果表明,建筑底部楼层承担的施工荷载随基础刚度降低而增大,当基础刚度降低到相当于0.5倍楼板厚度时,最大施工荷载比率会超过刚性基础条件下的最大施工荷载比率约3.2%;施工模板支撑薄弱层导致其上楼板承担的施工荷载增大,其下楼板承担的施工荷载减小,变化幅度约4.3%。因此,施工阶段必须考虑到基础刚度与模板支撑薄弱层。     

弦支穹顶结构在地震作用下的动力稳定性研究

本文使用Ansys计算软件,采用时程响应方法,研究了地震荷载作用下结构参数、均布荷载及索的引入对弦支穹顶动力稳定结构影响.计算过程中,采用逐步增大地震荷载幅值的方法,把位移响应突然增大时的地震荷载幅值作为结构的稳定临界荷载.计算结果表明,结构稳定临界荷载随着跨度的增大而线性降低,结构的稳定性提高;跨度取固定值时,在某一矢高下,结构有着最佳的动力稳定性能,超过或者低于此矢高值结构稳定性均下降;随着均布荷载增大,结构稳定临界荷载降低,稳定性能减弱;当外荷载增大到一定程度时,结构稳定性的降低幅度反而减小;索的引入大大改善了结构在地震荷载作用下的动力稳定性能,从而使得弦支穹顶结构动力稳定性能大于相应单层网壳的动力稳定性.     

可调节式格栅装置对漂浮式海上风机稳定性的影响

为提高漂浮式风机在复杂海洋环境中的稳定性与安全性,提出一种可调节式格栅装置,开展振动台试验,验证格栅装置减震的可行性,并利用有限元数值分析,建立可调节式格栅装置与漂浮式风机的仿真模型,分析在不同波况下漂浮式风机的动力响应。研究结果表明：无可调节式格栅装置时,漂浮式风机结构在巨浪载荷下最大倾角为3.1°;当增加格栅装置后,在相同波浪荷载作用下,风机结构的晃动幅值与最大倾角均会减小,二者减小幅度与格栅板开启角度有关;同时,风机结构的自振频率增大,在格栅板开启角度为30°时,结构最大倾角与塔筒应力降幅最大,分别减小1.8°和108.89 MPa,由此可见可调节式格栅装置可显著提高漂浮式海上风机的稳定性与安全性。