近海风机筒型基础的疲劳损伤研究

摘要

作为一种新型的风机基础型式，近海风机筒型基础主要受到风机运转过程中传递下来的动荷载及复杂的海洋环境荷载作用。在这些不定因素作用下，混凝土材料的累积变形会引起结构内部损伤发展，最终的损伤将会导致结构产生宏观裂缝直至整个结构破坏。由于其突发性以及损失的惨重性，混凝土结构损伤破坏备受国内外学术界和工程界的关注。
　　 本文以近海3MW风机筒型基础为原型，借用三维有限元软件ABAQUS，按照线弹性方法对筒型基础进行静力等效疲劳荷载计算，按照非线性方法对筒型基础进行损伤计算，并采用对比分析的方法对两种工况计算结果进行分析比较；采用混凝土损伤模块(Concrete Damaged Plasticity)对混凝土材料进行定义，在计算结果中直观地给出了筒型基础整体结构及各个部件的受拉损伤和受压损伤状况。创新地将挪威船级社DNV规范和德国GL规范与有限元软件结合，通过静力等效疲劳荷载计算给出了规范法中需要的应力数值σmax、σmin；结合欧洲混凝土规范中混凝土在压应力作用下的疲劳验证公式对计算结果进行数值计算分析，证明了筒型基础整体结构具有足够的抵抗疲劳破坏的能力。本文对大尺度结构物所受波浪荷载的相关规范计算方法进行了详细介绍，同时给出了等效风荷载的计算方法以及风浪联合作用下的响应分析方法。介绍了基于S-N曲线图和Miner线性累积损伤准则的疲劳累积损伤方法的应用，并对疲劳荷载谱的编谱方法-荷载雨流法进行了详细介绍，同时对混凝土疲劳损伤相关学术名词进行了介绍。
　　 研究表明，近海3MW风机筒型基础在最不利疲劳荷载组合下，筒型基础整体结构及各部件受力性能良好，受压损伤系数偏小；基础局部表现的拉应力偏大，局部受拉损伤系数偏大，应采取一定的措施，来弥补混凝土抗拉强度不足的缺陷；通过规范法对筒型基础进行疲劳计算可得，基础整体具有足够的抵抗疲劳破坏的能力。考虑到风机筒型基础的施工简便性、经济性、可回收利用性等一系列优点，这种新型的基础值得推广应用。