海上风力发电复合筒型基础承载特性研究

摘要

宽浅式复合筒型基础作为一种新型海上风力发电基础，可以实现陆上建造、海上快速安装，其抗倾覆能力强、适用于各类地基土质，可以较好地解决开发近海风能资源所面临的问题。作为一种新型基础，经典的土力学地基承载力公式很难与其承载模式相匹配，其分仓结构使基础与土体较好的协同承载机制也与以往的相关基础研究有较大的不同，本文通过试验初步确定复合筒型基础的承载能力，在此基础上，采用有限元对其模拟计算并深入分析其单向、二维、三维的承载能力和失稳破坏机制，最后针对近海风电场的3MW复合筒型基础，分析其实际及理论极限承载力，并得出了其承载模式和传力机理。具体的研究内容及结果包括：
　　分别在淤泥质粘土与砂土中进行复合筒型基础水平承载力试验，采用分级加载机制，符合试验预期，分别得出了筒型基础的土压力变化、位移变化；通过有限元对试验进行模拟分析并进行对比，分析表明，复合筒型基础的旋转中心随着荷载的增大从中轴线附近逐渐移动到沿加载方向的分仓板底部，最后位于距离筒顶约0.8倍的高度处；极限水平荷载下，根据试验、有限元及理论公式得出了淤泥质粘土中复合筒型基础主要区域的土压力分布，根据土压力分布规律计算出复合筒型基础的极限承载力，并对计算公式进行了修正；
　　采用有限元分别对竖向及弯矩荷载进行模拟计算，竖向荷载作用下可以将筒型基础与筒内土体当做一个整体，得出了相应的失稳破坏模式，采用经验公式和理论公式对竖向极限承载力进行了计算并根据有限元结果修正了理论公式；弯矩荷载作用下，复合筒型基础旋转中心随着荷载的增加在接近筒底的区域从中轴线左侧（加载反向）逐渐移动到加载正向的分仓板附近；适当的竖向荷载可以改变旋转中心的位置、提高水平向及弯矩的极限承载力，淤泥质粘土中最大提高约2倍，砂土中的提高幅度更大；
　　根据3MW海上风力发电风机的荷载值，得出宽浅式复合筒型基础的直径一般要大于27m、高度宜为7~12m，并分析了土质参数及筒土接触等对筒型基础承载能力的影响，计算了3MW复合筒型基础在考虑地基变形允许值及极限值两种情况下的水平、弯矩及竖向极限承载力及相应的二维包络线、三维包络面，并将其进行对比分析，分别得出复合筒型基础承载能力的允许上限值和理论上限值，说明复合筒型基础在实际工程中是比较安全的，根据有限元分析，明确了海上风电复合筒型基础的承载模式为以顶盖承载为主、筒壁承载为辅的‘顶承式’，过渡段顶部巨大的弯矩荷载可以通过弧形过渡段及预应力筋转化为底部较小的拉压应力，明确了预应力钢筋混凝土结构的弧形过渡段传力机理。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究目的和主要内容

第二章 淤泥质粘土中复合筒型基础水平承载力试验研究

2.1 试验概况

2.2 试验内容

2.4 本章小结

第三章 淤泥质粘土中复合筒型基础承载特性数值分析

3.1 概述

3.2 有限元数值模型

3.3 试验过程模拟及结果对比分析

3.4 单调荷载作用下筒型基础承载特性分析

3.5 复合加载模式下筒型基础承载特性分析

3.6 本章小结

第四章 砂土中复合筒型基础水平承载力试验研究

4.1 试验概况

4.2 土压力分布

4.3 筒型基础位移

4.4 试验结果分析

4.5 本章小结

第五章 砂土中复合筒型基础承载特性数值分析

5.1 概述

5.2 单调荷载作用下筒型基础承载特性分析

5.3 复合加载模式下复合筒型基础承载特性分析

5.4 本章小结

第六章 3MW复合筒型基础承载特性研究

6.1 概述

6.2 3MW筒型基础影响要素分析

6.3 3MW复合筒型基础承载特性分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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