压弯荷载下单桩基础灌浆连接段性能分析

  目的  海上风机中,上部风电机组和钢管桩基础的连接是通过灌浆连接段来实现的。近年来,风力发电机的功率越来越大,对灌浆连接段的受力性能提出了更高的要求。  方法  采用数值分析方法,分析了压-弯作用下固定轴压比时灌浆连接段结构参数对受力性能的影响。从灌浆厚度t_g、剪力键高距比h/s以及灌浆连接段长径比L/D_p三个重要参数出发,分析了灌浆连接段荷载位移曲线的变化、灌浆连接段端部接触压力分布的变化以及灌浆连接段应力状态。  结果  数值分析结果表明:灌浆连接段的三个尺寸参数t_g,h/s和L/D_p 的变化均会对其力学性能产生影响。  结论  通过对灌浆连接段各结构参数进行分析,对保证其正常工作具有重要意义,同时可以指导设计工作。     

海上风机导管架基础灌浆连接段受力分析

开展近海风电导管架基础的灌浆连接段受力分析,对于理解其传力机制与受理机理、保证海上风机支撑结构的安全性能、优化设计等方面具有重要的理论与现实意义。首先利用DNV规范对影响灌浆连接段性能的因素开展参数敏感性分析,再运用有限元软件对导管架基础的灌浆连接段进行模拟,该软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系。根据规范进行的参数敏感性分析,得出一些重要规律和结论,便于工程设计人员更好地理解先桩法导管架基础灌浆连接段的受力特点,选择合适的参数用于灌浆连接段设计,再依据数值模拟,确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。     

单桩海上风机灌浆连接的抗震性能研究

在地震作用下,灌浆连接段的稳定性直接关系到风机结构的安全。为了探讨灌浆连接的抗震性能,文章以5 MW单桩风机为研究对象,采用OpenSees和ANSYS软件分别建立风机结构及灌浆连接有限元模型;以最不利的地震动为输入,同时考虑风和波浪耦合作用分析灌浆连接的受力及反应。结果表明,地震动使风机灌浆连接处产生较大荷载作用,容易使灌浆层出现高拉应力,导致灌浆材料拉裂,致使灌浆连接失效;地震动强度较小时,风和波浪荷载对灌浆连接受力影响较大,随着地震动强度增大,风和波浪的影响逐渐减弱。风机灌浆连接的抗震设计,应重点分析灌浆层的震动破坏,并充分考虑风和波浪的荷载效应。     

浅析海上风电灌浆连接段力学研究发展及趋势

目的  海上风电机组基础与上部结构连接通常采用灌浆连接方式,保证灌浆连接段的安全性至关重要,灌浆连接段的研究一直是重点和难点。 方法  对过往海上风电灌浆连接段的相关力学研究进行综述,介绍了海上风电灌浆材料的基本力学性能,总结了灌浆连接段的受力机理和影响承载力的因素,并对现有规范设计和未来研究方向进行阐述。 结果  灌浆连接段对灌浆材料的使用要求严苛,需要使用高强灌浆料。在轴压作用下,灌浆连接段通常表现为斜压短柱的延性破坏模式,承载力主要受到灌浆连接段径向刚度、剪力键的高距比和形状、灌浆连接段长径比以及灌浆材料强度的影响。相关设计规范对极限承载力的设计均有明确的设计方法,但在疲劳设计方面研究较少,存在不完善的情况。 结论  因此,尚需进一步研究灌浆连接段浸没在水中的疲劳性能。同时,未来在试验研究上需要采用足尺或小缩尺的试件,在数值研究上需要采用精细化的数值模型进行分析。     

海上风机导管架基础灌浆连接偏心受压承载性能研究

灌浆连接是海上风电基础中的常见连接形式.受海上施工条件的影响,钢套管与钢管桩不可避免地会存在一定的偏心.国内外灌浆连接段偏心受压性能研究较少,现有规范的计算方法均未明确评估偏心受压对灌浆连接段承载性能的影响.为研究偏心对海上风电灌浆连接轴向承载力的影响,设计2个缩尺试件进行静力加载试验,试件按1∶4比例对6.7 MW风...     

考虑安装误差的灌浆连接段轴向力学性能研究

目的  随着海上风机工程逐渐向深远海区域发展,海上恶劣的施工环境极有可能导致导管架基础灌浆连接的安装产生误差进而影响连接的轴向力学性能,故需要研究安装误差对于灌浆连接段轴向力学性能的影响规律。 方法  首先开展灌浆连接段缩尺试件的轴向静力加载试验,随后采用有限元分析方法来模拟对应试件的轴向加载过程,其模拟结果与试验数据显示出较好的拟合性。 结果  研究结果表明：纵向、横向安装误差的增大会导致灌浆连接段轴向刚度的增大,并会进一步改变套管和桩管的纵向应变分布;另外,安装误差的增大也会引起轴向加载过程中灌浆料内第三主应力最大值的增大和其分布位置的变化。 结论  综上所述,安装误差对导管架基础灌浆连接段轴向力学性能的影响可能导致灌浆连接段破坏模式的改变,故需根据安装误差的影响规律来对其危害予以充分的考虑与评估。     

基于马尔科夫矩阵的灌浆连接段疲劳性能研究

目的  由于荷载的时变性与随机性,海上风电基础结构中的灌浆连接段疲劳问题突出,为确保海上风电基础服役安全性,需要研究连接段疲劳性能演化规律。 方法  从有限元数值模型出发,将马尔科夫荷载矩阵转化为灌浆连接段关键位置处的应力,并结合材料的S-N曲线和线性累积损伤准则,实现对灌浆连接段的疲劳性能评估。 结果  通过对灌浆连接段有限元模型分析可知,在轴向荷载作用下,钢结构产生的累积损伤值大于灌浆材料,但均小于DNV规范中的限值。 结论  说明在该风机荷载作用下,灌浆连接段内的两种材料均不会发生疲劳破坏,风机基础结构是安全的,同时该分析方法也是有效的。     

海洋工程中灌浆连接段若干规范比较

灌浆连接是海洋工程中最常用的连接方法之一。文章比较了其适用的五部规范及推荐做法:英国健康与安全执行局《海上结构桩与套管连接技术报告(HSE-Pile/sleeve connections—2001)》,美国石油协会《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法(API RP 2A-WSD—2007)》,国际标准化组织《石油和天然气行业固定海上钢结构规范(ISO 19902—2007)》,挪威的石油技术法规《钢结构设计规范(NORSOK-N-004—2013)》,挪威船级社《海上风机结构设计规范(DNV-OS-J101)》,给出了上述规范的验算方法及适用范围。由于灌浆连接段在使用中的受力形式不断复杂化,本文进一步研究了规范《DNV-OS-J101》的发展历程,为该行业的设计人员理解该规范验算方法概述及适用范围的发展提供了帮助。     

海上风机单桩支撑结构灌浆连接性能分析

填充高强灌浆材料的连接段广泛应用在海上风电场单桩支撑结构上,但是该类结构往往会发生一些无法预测的灾变行为,如过渡段钢管与灌浆材料之间垂向滑移甚至水平张开。引起该现象的主要原因是灌浆连接段的设计几何尺寸以及材料强度并不符合当前海洋工程规范的适用范围,对灌浆连接段的力学行为理解不充分。文章采用有限元软件ANSYS分析了无剪力键单桩结构灌浆连接段组合结构的相互作用行为,灌浆材料与钢管之间的作用采用非线性接触模型,采用弹塑性和断裂力学模型模拟灌浆材料的非线性行为,最终给出合适的高强灌浆材料连接模拟方法,并分析其性能及失效机制。     

无剪力键灌浆连接段粘结行为数值模拟研究

目的  海上风电基础结构中灌浆连接段行为复杂,特别是灌浆料与钢管的相互作用对整体性能至关重要。 方法  介绍和分析粘聚力模型模拟界面行为属性设定,从粘聚力模型粘结行为、界面损伤判定准则和界面损伤演化准则介绍粘聚力模型理论;并结合某典型无剪力键灌浆连接段实例,介绍了建模方法中的常规设置及粘聚力模型接触设置方法。 结果  通过分析,验证了粘聚力模型粘结行为在ABAQUS中实现的可行性。 结论  所述的粘聚力模型能够很好地模拟出钢质筒壁和灌浆体的协同变形情况、钢质筒壁的Mises应力分布情况、灌浆体的Tresca应力分布情况和荷载位移曲线。     

海上漂浮式风机关键技术研究进展

  [目的]  海上漂浮式风机由于不受水深限制且便于运输安装等诸多优点,近年来在欧美日等发达国家得以快速发展。文章针对海上漂浮式风机关键技术和工程案例进行综述分析,以向国内相关研究和工程项目提供技术参考。  [方法]  首先介绍了海上漂浮式风机发展背景及基本类型,再进一步,分别介绍其稳性校核技术、系泊与动态海缆技术、水动力特性、气动力特性、一体化计算、模型试验研究、建造与安装技术、工程挑战与案例,最后对浮式风电市场与拓展运用做了相关总结。  [结果]  通过对海上漂浮式风机各关键技术进行梳理分析,理清了其技术研究现状与未来发展方向。  [结论]  文章综述了海上漂浮式风机各关键技术现状及相关工程运用案例,现阶段海上漂浮式风机依然面临不少技术挑战和行业发展困境,解决之道需从相关政策激励,技术攻关以及产业链的培育等,以多途径的方式降低浮式风电的工程造价成本,促进浮式风电产业进一步发展壮大。     

海上风机灾害分析及健康监测技术综述

  [目的]  风能是近年来飞速发展的可再生新能源。在过去的20年中,风机总装机量在全球范围内有了大幅度地增长。由于暴露在恶劣的自然环境中,海上风机尤其容易受到多种灾害的共同干扰。针对常见灾害对风机结构的影响进行了系统性地总结分析。  [方法]  首先介绍了强台风和中度台风引起的风机叶片破坏和塔架整体倒塌的事故,对事故现象及分析方法做了初步探讨。除此之外,考虑中国作为地震多发带以及特殊的海上环境,对海上风机在波浪和地震荷载作用下的动力响应及灾害预测也进行了系统阐述。针对台风、地震和波浪的不同荷载模拟方法,包括考虑线性和非线性特征的不同数学模型,在相关研究领域被相继提出;相应的风机结构损伤分析也包括了动力学常见的时域分析和频谱分析。  [结果]  通过采取不同灾害指标,对于不同荷载及工况下的分析表明,极端风速是影响风机结构安全性的最关键因素。随着结构健康监测技术在土木基础设施中的成功运用,其重要性实用性日益受到关注。  [结论]  系统阐述了土木结构健康监测的原理,成功实例,以及相应的传感技术。并进而介绍了健康监测技术在风电领域的发展与应用。有些局部损伤探测已经被工业领域成功实施并取得了良好的效果。值得注意的是,过往的研究主要集中于对风机局部构件的健康检测方法。针对风机结构稳定性安全性的整体检测将会是未来研究工作的重点。     

近海风力机的模态分析

为了得出无预应力条件下1.5 MW风力机整机的自振频率,采用有限元方法对简化后的海上风力机塔架和桩基耦合结构进行固有特性分析,得出了无预应力条件下该耦合系统的自振频率,输出其低阶振型图和相应的模态振型曲线,根据Campbell图与外界激励频率(即风轮额定1P、3P和6P)进行对比,判断其是否会在外界激励条件下发生共振,得出该风力机风轮运转的临界转速和运行的安全区。最终得出风力机整机的模态分析。结果表明:整机的模态振型在塔架与桩基耦合结构的振型基础上出现了摆振和挥舞的复合运动,整机的固有频率与实体的静态特性频率较相近。     

一种新技术在海上风机基础冲刷防护的应用研究

  目的  随着我国海上风电开发的迅速发展,大直径单桩基础得到广泛应用,基础冲刷情况也日益严峻,选择合理适用的防冲刷方案对风电场长周期安全稳定运行、保证经济效益具有重要意义。  方法  通过某海上风电项目运行一年后大直径单管桩基础出现严重冲刷现象引出问题,对桩基础冲刷原理、目前国内外常规采取的防冲刷方案进行了概述,对某海上风电项目采用淤泥固化方案进行桩基础防冲刷试验的原理、参数、方案、工程实施进行了详述。  结果  通过对试验桩位长达两年的多次扫测、潜水员下水探摸,基本确定淤泥固化土层与桩身结合紧密、覆盖完整、试验效果良好。  结论  淤泥固化这种新型材料在海上风电基础的防冲刷应用具有一定的借鉴、推广意义。     

台风区海上风电基础结构设计可靠度初步分析

  [目的]  广东省是台风多发地区,但是目前无论是海上风机支撑结构设计国际标准还是我国即将发布的规范都没有明确考虑台风的影响,目标可靠度(失效概率)是未知的。另外,我国规范对不同荷载采用了不同的分项系数,不便于一体化设计的实施。  [方法]  比较了即将发布的海上风机基础设计规范和国际标准的异同,并分析了在不同荷载效应变异系数、效应比和相关系数的情况下我国规范的目标可靠度,以及基于给定的目标可靠度,计算分项系数在上述不同情况下的取值选择。最后,给出了计算等价单一荷载效应分项系数的方法。  [结果]  结果表明:相同的分项系数和组合系数在不同的情况下目标可靠度变化较大,随着变异系数从0.2增大到0.6,可靠度指标将降低0.5～1.0。  [结论]  建议根据《工程结构可靠性设计统一标准》选择3.2为目标可靠度,分项系数和组合系数根据当地不同的环境条件确定。     

海上风电筒型基础抗液化性能研究

目的 随着对清洁能源的需求进一步扩张,近年来海上风电行业的发展突飞猛进,而筒型基础凭借其经济性好、施工方便、可回收利用等优点成为海上风电基础的优选项。由于我国地震带分布广泛,海上风电基础的抗震性能是结构安全性中必须考虑的一环。筒型基础结构刚度较大,地震对结构自身产生破坏的概率较低,风电基础在地震作用下的失效主要是地基土的液化造成的。文章对砂土地基中海上风电筒型基础的抗震性能展开研究。 方法 通过振动台试验对筒型基础砂土地基的抗液化性能进行了分析,研究对象包括砂土地基中的4种筒型基础。4种筒型基础形式分别为单筒型基础、复合筒型基础、三筒型及四筒型导管架基础。 结果 试验获得了不同型式筒型基础的砂土地基超孔压比,阐明了筒型基础及其砂土地基的抗震机理。 结论 筒型基础可以通过上部结构的附加荷载效应和筒壁及分舱板的环箍效应削弱砂土的剪缩性,进而提高其抗液化能力。将单筒型基础与复合筒型基础、三筒导管架基础与四筒导管架基础的试验结果进行比较,发现复合筒型基础和四筒导管架基础在砂土地基中的抗震性能分别优于单筒型基础和三筒导管架基础。     

海上风电机组智能故障预警系统研究

  [目的]  随着海上风电机组装机容量的飞速发展,业主对海上风电机组的安全运行越来越重视,对风机设备可靠性的要求越来越高。传统的设备故障事后处理模式不仅不能保证发电设备运行的可靠性,而且海上风电运行维护的可达性差,被动的故障后维修无形中增加了巨大的电量损失,已完全不能满足海上风电的要求。设备故障早期智能预警系统可以提前预知设备存在的问题,把设备隐患消除在萌芽状态之内,真正做到“防患于未然”。  [方法]  通过对海上风电机组关键部件的数据采集,结合历史数据提取故障特征,利用神经网络等大数据算法,实现发电机温度异常、发电机轴承异常、齿轮箱散热异常、齿形带断裂警告等设备故障的提前预判。  [结果]  根据对设备早期故障的提前预判,可以综合考虑海上风电的气象、台风、海况、海事等维护特点,有计划地执行积极的预防性维护策略,能够有效地避免大部件故障的发生或风机整机失效情况的发生。  [结论]  研究成果可提高海上风电机组的可靠性和风电场整体发电效益。