三桩导管架基础海上风机抗倾覆能力的影响研究

海上风机导管架基础因适用水深大,变形小等优点而具有广阔的应用前景。台风等极端循环荷载会造成海床土体出现一定程度的弱化,进而可能会导致风机发生倾覆。文中通过建立三桩导管架基础海上风机三维有限元数值模型,考虑桩-土作用的循环弱化,进行了极端循环荷载下导管架基础海上风机的整体动力响应分析,对整体位移、风机频率等方面进行研究。以期掌握三桩导管架基础的循环受荷特性,指导工程设计。     

软黏土中导管架基础水平循环加载离心模型试验

为研究海上风机四腿导管架基础在风、浪等水平循环荷载作用下的受力及变形特性,开展了近海饱和软黏土地基四腿导管架基础水平循环加载离心模型试验。实测获得了水平循环荷载下导管架顶部的位移、基桩顶部的水平位移以及桩身弯矩,并利用实测桩身弯矩推导出桩身变形与桩周土反力。试验结果表明:水平循环荷载作用下导管架顶部的荷载–位移曲线表现出明显的非线性;后排桩的水平位移约为前排桩的80%,且均小于导管架顶部的水平位移,导管架发生了一定角度的倾斜;桩身最大弯矩值出现在泥面下约6D深度处。在此基础上,采用双曲正切型p–y曲线方法拟合试验结果并与API规范作对比,发现API规范p–y曲线的初始刚度和极限土反力均偏小。试验进一步揭示了泥面下5D深度范围内需考虑桩周土反力的弱化现象,且前排桩周土反力的弱化程度明显大于后排桩,在工程设计时应分开考虑下基桩桩周土的强度弱化情况。     

强震作用下导管架基础结构特性分析

海上风电导管架基础结构作为应用广泛的固定式海上风机基础之一,具有能适应较大水深、稳定性好的优点。采用时程分析法输入Northridge地震波,研究导管架基础结构的动力响应,结果表明塔筒顶端位移最大,位移随时间变化呈先增加后来减弱直至平稳的规律,与地震波加速度峰值相比,结构响应峰值存在一定的滞后,结构动力响应加速度不仅仅只与地震动峰值加速度有关,还与地震波波频谱特性有着很大的关系。越靠近桩底,结构等效应力越大,桩底处出现最大等效应力135 MPa。     

大兆瓦级海上风机导管架基础新型过渡段疲劳性能分析

导管架基础过渡段是连接上部塔筒和下部导管架主体结构、确保上部风机载荷有效传递到下部导管架主体结构上的关键结构,具有承上启下的作用,是整个导管架基础设计的重点和难点。以相同海域大、小兆瓦级海上风机为研究对象,采用大型通用有限元软件ANSYS建立基准模型进行分析,提炼出结构频率随结构型式的变化规律。基于不同兆瓦级风机过渡段结构,分别进行强度及屈曲稳定性能分析;同时,结合等效静力荷载方法选用适用于该结构型式的疲劳曲线,计算不同工况下不同兆瓦级风机导管架基础过渡段结构的累积疲劳损伤。在此基础上,对新型大兆瓦级过渡段结构进行疲劳敏感性分析,对不同型式的过渡段结构进行对比计算,最终确定可用于大兆瓦级海上风机导管架基础的新型过渡段结构。     

桩–土–斜拉桥动力相互作用体系振动反应特性试验研究

大跨斜拉桥结构自振频率和阻尼较低,其地震响应可能受桩基础和场地土特性的影响较大,然而目前为止,由于试验条件和技术所限,尚缺乏相关的包括桩基础、场地土和上部结构在内的全模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400 m超大跨斜拉桥为原型,设计并完成了一座几何相似比为1/70,且包括群桩、人工土和上部结构在内的试验模型,采用多点振动台试验技术,研究了不同加速度峰值和不同频率成分地震作用下桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的振动反应特性。试验结果表明:桩–土–结构相互作用对斜拉桥地震响应产生影响,其影响程度与地震输入频谱特性密切相关;在纵向一致激励下,桩–土–结构相互作用受地震动加速度峰值的影响不明显,在横向一致激励下,桩–土–结构相互作用随地震动加速度峰值的增大而减小;主塔高阶振型对其地震响应的贡献明显;地震输入频谱特性影响桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的地震响应,特别是在具有丰富长周期成分的Mexico City波作用下主梁竖向地震响应显著增大。     

海上风电水下四桩导管架的施工方法

水下四桩导管架风机基础因其结构优势,被广泛应用于海上风电项目中。论文详细介绍水下四桩导管架的施工技术和施工工艺,为我国海上风电产业的发展提供参考。     

风浪流荷载作用下导管架基础结构特性分析

在风、浪、流荷载作用下,海上风电导管架基础受到较大水平荷载,为保证结构的安全稳定,有必要考虑桩土相互作用的影响。依托阳江某海上风电项目,采用美国石油协会(API)规范中的P—Y曲线法模拟桩土相互作用,运用Stoke五阶波理论和API规范推荐的风荷载计算方法进行了荷载计算,基于ANSYS软件建立了导管架基础整体模型,并对风浪流荷载下结构的受力特性进行分析,判断结构强度、位移、变形是否满足要求,给出相应的计算过程和结论,为导管架基础设计提供理论依据和设计参考。     

船撞作用下斜桩基础动力响应研究

东海大桥100MW海上风电示范项目中风机采用斜桩基础,必须考虑船撞作用。本文利用有限元方法,研究了斜桩基础在船撞作用下的动力响应。模拟不同工况,研究船舶吨位、船舶速度、倾斜角、桩径、桩周土体等因素对桩基的动力响应的影响。研究表明:船舶吨位和船舶速度对斜桩的动力学响应影响最大;桩的倾斜角会影响最大桩项位移,最优倾斜角约为10°;在既定的土质条件下,桩径增大到某一值后,桩基动力响应基本不变;土体较软时,桩身的最大应力较小,但最大桩顶位移较大。因此,进行斜桩设计时,必须在理论分析的基础上,选取合适的倾斜角与桩径。本文研究结果对斜桩基础在考虑船撞作用下的设计和施工有一定参考价值。     

基于流–固耦合的近海风电基础地震反应分析

结合近海风电单桩及四桩基础支撑体系工程实际场地资料,采用有限元数值分析方法,考虑水–土–结构动力相互作用,即考虑流–固耦合效应、饱和土的多孔介质渗流属性及桩–土接触相互作用,分析结构体系动力特性及地震反应。分析单桩有水与无水及四桩有水与无水4种工况支撑体系的自振特性和单桩有水与无水2种工况支撑体系的地震反应。结果表明:水层对结构低阶频率影响不大,对高阶频率降低幅度较大;水层对体系的水平位移、竖向沉降、峰值加速度及有效应力均有不同程度地削减;地震作用下土体的超静孔隙水压力呈现波动特性;结构的位移及应力响应均能满足规范要求。证明考虑多介质耦合的动力有限元分析方法是解决复杂海上风电基础地震响应的有效方法。     

海上风机导管架基础调平装置夹桩器结构分析

针对用于海上风机导管架基础平台建设的导管架基础调平装置,在夹桩器结构设计分析过程中,采用ANSYS软件完成了对夹桩圈强度和刚度的结构分析,利用集中载荷作用于短悬臂梁和间断式载荷作用于薄壁结构的应力分析方法对夹桩器压块在满足夹持力的情况下,对压块齿强度和钢管桩的不均匀外压圆柱薄壳侧压稳定性进行分析设计。设计结果满足工程要求,整个分析过程和得到的结果,为海上风机基础调平装置的实际工程运用提供了理论依据。     

水平动循环荷载下单桩桩周土应力分布试验研究

为探究海上桩基础在长期水平动循环荷载作用下桩周土体中应力分布规律,选取典型的中细砂作为试验土体,开展砂土中单桩水平动荷载作用下的模型试验,获得不同幅值和频率的长期循环荷载作用下桩周土体应力循环弱化的变化规律。试验结果表明:桩周土的弱化主要集中在前1万次循环,随后便逐渐趋于稳定。相同幅值的循环力,频率越高,土中应力越大,但加载频率与土中应力弱化率没有明显的相关性;相同频率,循环动荷载的幅值越大,土中应力越大,但土体中应力弱化率越大;在达到稳定状态时,土体中应力弱化率达到20%~40%。水平方向上,土中应力的弱化趋势集中在1.5倍的桩径范围,在1倍的桩径范围内弱化明显;竖向土体中应力弱化集中在地表下1/2桩长范围,在1/3桩长范围内弱化明显。     

考虑部分埋入群桩基础阻抗的海上风机结构共振特性

海上风机结构一阶自振频率与风轮转动频率或叶片通过频率重合时,会产生共振现象,严重时会造成风机损坏。现有风机结构的共振研究多假设底部刚性固定,以定性分析为主,没有对基础的埋置深度和土层参数进行量化分析。以部分埋入群桩基础的海上风机结构为研究对象,基于风机结构水平–摇摆耦合简化方法,分析了群桩基础不同埋入比和土层弹性模量对风机结构共振特性的影响,建立了群桩埋入比与结构共振频率的关系。进一步开展了4组不同群桩埋深比的海上风机共振频率室内模型试验,验证理论分析结果的规律性是否合理。     

水平振动荷载作用下支盘桩模型试验研究

基于自行设计的桩-土动力相互作用模型试验装置,对2根承力盘位置不同的模型支盘桩施加强烈水平振动荷载,采用数字式变频仪控制荷载频率,通过不同弹簧的刚度系数实现不同大小的荷载级别,分析不同激振频率和激振荷载作用下桩身弯矩变化趋势及桩侧土压力变化状况。试验表明:随着激振频率的增大,支盘桩的动力响应在整体上有减小的趋势且水平动承载力有所提高;随着激振荷载的增大,支盘桩的动力响应随深度增加逐渐减小,反弯点位置逐渐下移,桩身的最大动弯矩发生在距桩顶1/3左右深度处。承力盘的设置改变了桩身的变形和受力状态,能够提高桩身平衡弯矩的能力,是对桩基的结构优化设计,且承力盘设置在桩身靠上有利于水平动承载力的提高。     

饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应

研究了频域内半空间饱和土中单桩在瑞利波作用下的动力响应。首先利用Muki的虚拟桩方法,将桩土共同作用问题分解为拓展的半空间饱和土和虚拟桩的叠加。拓展的半空间饱和土用Biot理论求解,而虚拟桩则用杆和梁的振动理论求解。利用半空间饱和土的基本解和自由波场解及桩、土间变形协调条件,建立了桩土共同作用的第二类Fredholm积分方程。对积分方程的数值求解可得桩在瑞利波作用下的动力响应。数值结果显示了饱和土的渗透系数、桩土相对刚度及入射波的频率对桩的动力响应有显著影响。     

考虑径向非匀质性的层状地基中单桩动力阻抗研究

采用考虑桩周土的非匀质性的Novak薄层法计算桩土相互作用的方法,对考虑径向非匀质性的层状地基土中端承桩竖向动力阻抗的简化计算方法进行研究,得到相应的计算公式。分析桩周土非匀质性、泊松比、振动频率等因素对单桩竖向动力阻抗的影响。分析结果表明,考虑径向非匀质层状地基土的阻抗实部随频率的提高而增大,但增大的幅度不大,阻抗虚部也随频率提高而增大,且增大的幅度较大;非匀质区与匀质区土的剪切模量比对桩的竖向动力阻抗实部基本无影响;单桩竖向动力阻抗随非匀质土区域范围减小而增大;单桩竖向动力阻抗实部随土的泊松比增大而减小。     

海上风机导管架支撑结构灌浆连接段数值分析北大核心

采用有限元数值模拟对海上风机导管架支撑结构灌浆连接段进行几何参数分析,研究压弯设计荷载作用下几何参数对连接段力学性能的影响。参数分析表明,在位移方面,灌浆连接段的长度,套管厚度和桩管厚度通过改变连接段线刚度影响最大横向位移以及最大竖向位移。在应力方面,钢管厚度显著影响钢管的最大Mises应力,灌浆长度不直接影响钢管最大Mises应力;灌浆长度、钢管厚度不显著影响浆体的Tresca应力,浆体厚度影响浆体最大Tresca应力,且浆体厚度有最优值。该研究成果为海上风机导管架支撑结构灌浆连接段的设计提供一定的技术参考。     

海上风电机组固定式支撑结构环境敏感性分析及极限工况下的一体化设计

本文通过对各种环境、荷载条件下的单桩基础和导管架基础进行初步设计计算,分析比较了各类环境、荷载参数对海上固定式风机基础的影响及敏感性,得到了这些参数对基础结构用钢量的影响规律。单桩基础对基础顶部弯矩和海水深度变化最敏感,导管架基础则对波高的变化最为敏感,并且与单桩基础相比,导管架基础对环境参数的变化表现出了更高的敏感性。通过建立风机-塔筒-基础的一体化模型,实现了海上固定式风电机组在极限工况下的一体化分析与设计,并将一体化设计结果与传统迭代设计结果对比,结果表明采用一体化设计可明显降低构件的内力及基础结构的材料用量。     

海上风机导管架支撑结构灌浆连接段数值分析

采用有限元数值模拟对海上风机导管架支撑结构灌浆连接段进行几何参数分析,研究压弯设计荷载作用下几何参数对连接段力学性能的影响。参数分析表明,在位移方面,灌浆连接段的长度,套管厚度和桩管厚度通过改变连接段线刚度影响最大横向位移以及最大竖向位移。在应力方面,钢管厚度显著影响钢管的最大Mises应力,灌浆长度不直接影响钢管最大Mises应力;灌浆长度、钢管厚度不显著影响浆体的Tresca应力,浆体厚度影响浆体最大Tresca应力,且浆体厚度有最优值。该研究成果为海上风机导管架支撑结构灌浆连接段的设计提供一定的技术参考。     

列车荷载下螺杆桩复合地基动力特性及承载性状试验研究

通过进行模拟列车荷载下铁路螺杆桩复合地基的室内模型试验，测试在列车多运作模式下桩–土系统的动应变、动土压力、累积位移特征；分析螺杆桩–土系统在列车荷载下的动力响应时频域特性，并进一步探讨在不同时速条件下的桩–土受力变形程度的相关性。基于线性拟合方法建立桩土动应力比与列车运行时速的经验关系。结合桩–土荷载分担关系、桩体动轴力及桩侧动摩阻力的综合考虑，揭示列车动荷载下螺杆桩–土的相互作用关系及荷载传递机制。结果表明：(1)在列车动载作用下，螺杆桩螺纹段变形程度大于直杆段，尤其在变截面处易产生变形破坏。(2)在普速、快速、高速行驶条件下优势频率分别集中在2～6,8～11,14～16Hz，随着列车时速的增大，主导频率趋近于列车自振频率，频带宽度减小。(3)螺杆桩复合地基的动力特性与列车运行时速存在高度相关性。(4)螺杆桩复合地基加固作用下，铁路地基临界速度在280 km/h左右，相对普通桩加固地基提高了29.62%。(5)列车运行时速越快，在桩土复合地基中土体承载发挥作用变大，而桩体承载发挥作用减小，造成桩土协同作用性能降低。研究成果对铁路螺杆桩复合地基的设计优化及列车运营时速的规划具有一定参...     

层状地基中轴、横向荷载下桥梁基桩的水平动力反应

利用传递矩阵法,全面推导层状黏弹性土中考虑轴向力影响的水平抗力桩阻抗,并以此寻求频域动载下的基桩变位及其内力规律,为有效地进行桥梁群桩阻抗理论推导奠定基础。实例计算表明,动力荷载下,桩顶竖向力的引入将增大桩顶的变位幅值,减低土的阻抗作用;由于土的振动阻尼参与,致使基桩的受力状况较静力分析时更为复杂,在不同的频率下,桩身内力可能较单向水平力系作用下的要小。此外,在动力有效长度一定范围内进行的土体加固对减小桩顶动侧移有不同的效果。