近海工程结构两个关键力学问题研究

摘要

随着近海工程的发展，其上部结构越来越大，对于桩基的承载能力要求也在不断提高。混凝土材料由于其良好的抗压性能，常被作为近海工程结构的桩腿材料使用。而混凝土材料的拉压弹性模量不等这一特性在对混凝土桩腿进行强度校核时，应予以重视。另一方面，由于风机结构需要承受越来越大的来自顶部的压力，发生屈曲失稳的可能性也会增大。基于以上特点，对近海结构在静力分析和动力分析两个方面展开了分析讨论，并提出了两个关键力学问题。其中，第一个关键力学问题主要针对素混凝土结构拉压模量不同属性对结构应力分布和大小的影响展开了研究，主要研究内容如下:
　　针对具有拉压不同模量特性的各向同性材料的构件或结构，提出以应力的第一不变量J1的正负作为材料具有不同模量属性的判别准则，以ANSYS软件为开发平台，通过APDL语言对其进行了二次开发，编制了具有拉压不同模量材料属性的全三维复杂多体组合结构计算分析程序。利用所开发计算分析程序，以单向应力状态纯弯曲简支梁和双向应力状态受均布载荷的简支梁为例进行计算，得到了几种不同拉压模量比的有限元解，并与以往文献中的解析解进行比较，相对误差均不超过6％，验证了所开发程序的计算精度可以满足工程要求。
　　采用以ANSYS为基础开发的拉压模量不等材料计算分析程序对近海风力发电机的钢管混凝土桩腿进行了分析。选取压缩弹性模量，平均弹性模量和拉压不等弹性模量三种情况进行计算，并将按照压缩弹性模量和平均弹性模量计算所得结果分别与拉压不等弹性模量所得结果进行分析比较，沿文中路径3，前者的z向最大拉应力的相对误差高达41.08％，后者的z向最大拉应力的相对误差达到20.98％，按照单一弹性模量（压缩弹性模量或平均弹性模量）计算得出的结果无法满足工程上对精度的要求。所以，在近海风力发电机的钢管混凝土桩腿校核计算中，考虑混凝土材料的双模量特性无疑会保证所得模拟结果的精确性和有效性。
　　第二个关键力学问题主要讨论了高耸结构失稳荷载的无损检测方法。主要研究内容如下:
　　为了考量不同约束情况对失稳载荷预测的影响，以两端抗转动弹簧约束梁和两端固支梁为例进行了研究，二者的轴向压力与横向固有频率平方非常接近线性关系。两端抗转动弹簧梁轴向力与横向固有频率平方之间关系的解析解所得失稳载荷随梁两端的刚度系数增大而增大。当两端刚度系数趋近无穷大时，简化为两端固支梁，所得失稳载荷达到最大值。
　　将风机塔筒结构简化为两种模型分析轴向压力与固有频率平方之间的关系，分别是:第一种模型，将风机组装后风轮的质量和机舱质量简化为集中质量，塔筒简化为梁结构，塔筒底部简化为刚性固定端约束;第二种模型，将风机组装后风轮的质量和机舱质量简化为带有偏心距和转动惯量的集中质量，塔筒简化为梁结构，塔筒底部简化为弹性约束。这两种简化形式所得轴向压力与横向固有频率平方都非常接近线性关系。通过分析可知，后者的简化模型更加合理，更加接近真实值。若以近似线性关系为基础，只要选择小于失稳临界值的实验载荷，记录两种载荷工况下该结构的固有频率，利用轴向力与固有频率平方近似线性关系的结论，可以近似确定风机塔筒结构的临界失稳荷载。
　　以钢管混凝土柱为例，研究了混凝土的拉压不同模量特性在其模态振型及固有频率中的影响。得出了按照相同模量和不同模量理论计算所得钢管混凝土柱的振型基本一致，混凝土的拉压模量不等特性对于一阶固有频率的影响并不明显的结论。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究的目的与意义

1．2不同模量问题国内外研究现状

1．2．1不同模量本构模型

1．2．1不同模量理论的解析解国内外的研究情况

1．2．2不同模量理论的有限元解

1．3梁的模态分析及失稳载荷预测研究现状

1．3．1梁的模态分析已取得的结果与现状

1．3．2损检测和荷载识别方法的相关研究

1．4目前研究中主要存在的问题

1．5本文主要研究内容

第2章应力球张量法的提出与精度验证

2．1应力球张量法的提出

2．2应力球张量法的精度验证

2．2．1不同模量的纯弯曲简支梁静力分析

2．2．2不同模量的受均布载荷简支梁静力分析

2．3小结

第3章基于应力球张量法的钢管混凝土桩腿有限元静力分析

3．2风载荷

3．2．1塔筒受到的风载荷

3．2．2作用在叶片上的风载荷(风轮上的气动荷载)

3．3波浪载荷

3．3．1波浪参数的确定

3．3．2波浪力的确定

3．4流载荷

3．5土壤刚度系数

3．6近海风力发电机的钢管混凝土桩腿的有限元分析

3．6．1材料参数

3．6．2计算结果

3．7小结

第4章抗转动弹簧约束和刚性固定约束轴压梁的失稳载荷分析

4．1．1两端抗转动弹簧约束轴压梁的解析表达式

4．1．2两端抗转动弹簧约束轴压梁的近似表达式

4．1．3两端抗转动弹簧约束轴压梁的有限元解及拟合结果

4．1．4不同弹簧刚度所得计算结果的对比分析

4．2两端刚性固定轴压梁的失稳载荷分析

4．2．2两端刚性固定轴压梁的近似表达式

4．2．4两端刚性固定轴压梁解析解、近似解和实验数据对比分析

4．3不同约束轴压梁失稳载荷及相对误差分析

4．4小结

第5章基于风机结构简化模型的弹性失稳荷载识别方法的研究

5．1．1带有集中质量的轴压悬臂梁解析表达式

5．1．2带有集中质量的轴压悬臂梁近似表达式

5．1．3带有不同集中质量的悬臂梁的有限元解数据

5．1．4对比分析

5．1．5集中质量对失稳载荷的影响

5．2第二种简化模型失稳载荷识别

5．2．1自由端附有偏心距及转动惯量集中质量的直立梁解析表达式

5．2．2第一类问题的解析解和有限元解

5．2．3第二类问题的解析解和有限元解

5．2．4第三类问题的解析解和有限元解

5．2．5第四类问题的解析解和有限元解

5．2．6失稳载荷的解析解与有限元解的相对误差分析

5．2．7集中质量对失稳载荷的影响

5．3不同的简化形式对失稳载荷的影响

5．3．2底部结构的简化

5．4考虑混凝土双模量特性的动力特性分析

5．4．1混凝土的不同模量特性对模态分析的影响

5．4．2混凝土的不同模量特性对固有频率的影响

5．4．3考虑混凝土拉压不同模量特性的钢管混凝土柱失稳载荷识别算例

5．5小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介