大直径单桩基础海上风机支撑结构动力性状

摘要

随着我国经济的快速发展，能源问题日益突出。海上风电是一种新型能源形式，在全球发电领域有着巨大的潜力，是解决我国能源短缺问题的有效途径。大直径单桩基础施工速度快，经济性好，是目前国际上海上风电场使用率最高的基础形式。海上风机结构主要受水平荷载，高度高，顶部质量大，1P和3P的荷载频率限制了其自振频率的范围，动力特性是海上风机结构设计与运行的关键问题之一。海上所处海域勘察困难，钻孔数量有限，土层力学参数不确定性较大，且风和波浪等主要荷载的随机性高，亟需引入不确定分析方法来分析海上风机支撑结构动力失效概率。针对这些问题，本文开展了以下工作:
　　(1)开发一套适用于海上风机支撑结构动力特性研究的试验平台，开展以1∶50的大比尺1g试验研究单桩基础支撑的海上风机结构模型动力特性及其变化规律，研究表明:当水平力无量纲化参数H/GD2低于7.71-9.79×10-4之间某个临界值时，砂土刚度会快速增长。反之则砂土刚度不会增大，甚至会出现先减小后缓慢恢复的过程;阻尼比在循环荷载作用下可产生20％的增幅或70％的降幅，变化规律与自振频率规律大致相反。通过试验结果拟合出了桩头累积位移与水平荷载最大值、动力放大系数及荷载动力部分的关系式，能预测不同荷载作用下的桩头累积位移;发现了侧向循环荷载作用下海上风机自振频率下降的现象，海上风机设计时应充分考虑该因素。
　　(2)构建以欧拉-伯努利梁为基础的海上风机支撑结构动力响应整体计算精细化数值模型。模型采用API规范的p-y、t-z、q-z非线性曲线作为土体弹簧模拟海床中的桩土相互作用，计算风机支撑结构的自振频率及在外界荷载作用下的动力响应。结果显示，API砂土的p-y曲线取0.001m的位移对应的割线刚度能较好地估算自振频率;桩长的变化会影响桩土相对刚度，导致桩的类型在刚性桩和柔性桩之间的过渡;风机的设计参数对自振频率有很大影响。
　　(3)引入了一套科学的不确定分析方法来量化各随机变量对海上风机支撑结构动力失效概率的影响。首先采用蒙特卡洛方法随机生成了10万组不确定参数（考虑了土体力学性质、风、浪荷载的不确定性），并基于本文建立的精细化数值模型，计算了考虑上述不确定性的海上风机支撑结构自振频率和泥面处转角;其次，针对计算结果，用假设检验方法对上述随机变量不确定性对动力失效概率的影响大小进行排序;最后，采用贝叶斯分析，量化采用不同随机变量作为设计参数时海上风机支撑结构动力失效概率。结果显示，对海上风机因自振频率落入1P/3P区域导致的失效而言，桩径是海上风机失效的最大影响因素;对海上风机运行时因泥面转角过大导致的失效而言，砂土的相对密实度起主导作用。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 海上风电发展现状

1．1．2 海上风机常见的基础形式

1．1．3 我国大直径单桩应用情况

1．1．4 海上风机所受的外部荷载

1．1．5 不确定性分析法

1．2 风机支撑结构自振频率研究现状

1．2．1 风机支撑结构动力特性的理论研究

1．2．2 风机支撑结构动力特性的试验研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 海上风机支撑结构动力特性1g试验平台

2．1 引言

2．2 相似理论

2．2．1 几何相似

2．2．2 质量相似

2．2．3 荷载高度相似

2．2．4 荷载幅值相似

2．2．5 荷载频率相似

2．3 试验场地及地基土制备

2．3．1 试验场地及所选砂土参数

2．3．2 砂土制备和密实度控制

2．3．3 砂土剪切模量测量

2．4 模型制作与安装

2．4．1 模型比尺及尺寸确定

2．4．2 荷载幅值和作用高度确定

2．4．3 荷载作用频率确定

2．4 加载装置设计

2．4．1 循环荷载装置设计

2．4．2 水平静荷载施加装置设计

2．5 传感器与数采系统

2．5．1 激光位移计

2．5．2 加速度传感器

2．5．3 数据采集仪和电荷放大器

2．5．4 新的塔架姿态测量方法

2．6 长期动力特性试验流程

2．7 本章小结

第三章 海上风机支撑结构长期动力特性试验

3．1 引言

3．2 试验方案

3．3 试验结果分析

3．3．1 模型桩承载力试验

3．3．2 水平荷载极值

3．3．3 荷载频率和动力放大系数

3．3．4 动力荷载幅值对累积位移的影响

3．3．5 侧向循环荷载

3．3．6 对工程设计的建议

3．4 本章小结

第四章 基于p-y曲线的风机结构动力性状数值模拟

4．1 引言

4．2 海上风机动力数值模型

4．2．1 桩土相互作用模型

4．2．2 模型阻尼设置

4．2．3 有限元分析模型

4．3 数值建模分析和讨论

4．3．1 数值建模参数选择和验证

4．3．2 动力荷载对结构响应的影响

4．3．3 大直径单桩长度和砂土内摩擦角的影响

4．3．4 桩塔的直径对结构整体动力响应的影响

4．3．5 塔高和壁厚的影响

4．4 本章小结

第五章 海上风机结构失效不确定性分析

5．1 引言

5．2 不确定性分析的计算理论和参数分布

5．2．1 计算理论

5．2．2 各随机变量的概率分布

5．3 海上风机自振频率失效概率分析

5．3．1 随机变量生成

5．3．2 失效准则

5．3．3 假设检验分析

5．3．4 贝叶斯分析

5．4 海上风机正常运行工况失效概率分析

5．4．1 失效准则的确立

5．4．2 正常运行下的假设检验分析

5．4．3 正常运行下的贝叶斯分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．1 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果