考虑桩-土相互作用的海上风力发电结构数值模拟分析

摘要

在考虑桩-土相互作用的结构分析中，API规范给出的p-y曲线可以考虑桩与土相互作用的非线性的特性，而目前常用的有限元软件中的模态分析是一种线性动态分析，不能进行非线性分析。此外，p-y曲线上的点代表土体的刚度，曲线表示的就是土体弹簧刚度的变化趋势，即表示的是土体弹簧刚度的变化范围。对此，部分研究人员利用p-y曲线得到土体刚度变化范围，进而用弹簧单元来模拟桩-士的相互作用，并对桩-土的整体结构进行自振特性分析。
　　然而，针对海上风力发电结构的模态分析，以往的研究并没有深入地探讨过如何确定合适的土体刚度，或者说如何确定合适的p-y曲线中的y1值。但是，选取的y1值合适与否会在很大程度上影响桩土整体结构的固有频率值。为此，本文分别从时域和频域两种方法入手，研究和提出了确定合适的y1值的方法。该研究为基于p-y曲线的海上风力发电结构的模态分析提供了更为科学和精确的y1值确定方法。
　　最后，基于本文提出的模态分析时p-y曲线y1值的时域修正法，探讨了考虑桩-液化土相互作用的Cu折减的p-y曲线法，并对比分析了考虑液化和未考虑液化情况下的模态分析结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 桩基础型式

1．1．2 海上风力发电的发展

1．2 研究现状

1．2．1 桩-土相互作用研究现状

1．2．2 模态分析时p-y曲线法研究现状

1．3 问题的提出及本文的主要工作

1．3．1 问题的提出

1．3．2 本文的研究内容

第2章 海上风力发电结构模型建立的相关理论介绍

2．1 波浪荷载

2．1．1 莫里森方程

2．1．2 流体力学基本方程

2．1．3 斯托克斯五阶波理论

2．1．4 水动力系数

2．2 海流荷载

2．3 桩-土相互作用理论

2．3．1 水平承载桩的挠曲方程

2．3．2 地基反力计算

2．4 p-y曲线法详述

2．4．1 软粘土中的p-y曲线

2．4．2 砂土中的p-y曲线

2．4．3 硬粘土中的p-y曲线

2．5 常见的波浪频谱

2．6 谱分析

2．7 海上风力发电结构基础主要型式

2．8 本章小结

第3章 单桩基础海上风力发电结构有限元模型

3．1 海洋结构物分析常用的ANSYS单元类型介绍

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 土壤和环境荷载资料

3．2．2 单桩基础海上风力发电结构有限元模型

3．3 本章小结

第4章 模态分析n寸p-y曲线y1值时域修正法

4．1 模态分析时p-y曲线y1值时域修正法介绍

4．2 桩-土相互作用模型及p-y曲线

4．3 单桩基础海上风力发电结构的模态分析和瞬态分析

4．3．1 y1取趋近于原点值时的动力分析

4．3．2 y1取桩节点水平位移响应的均方根值时的动力分析

4．4 本章小结

第5章 模态分析时p-y曲线y1值频域修正法

5．1 模态分析时p-y曲线y1值频域修正法介绍

5．2 波浪力谱

5．2．1 随机波浪功率谱—会战谱

5．2．2 高度z处的水平波浪力谱

5．3 单桩基础海上风力发电结构的模态分析和谱分析

5．3．1 谱分析的有限元模型

5．3．2 谱分析的迭代过程及结果分析

5．3．3 模态分析结果对比分析

5．4 本章小结

第6章 基于可液化土-桩相互作用的海上风力发电结构模态分析

6．1 考虑液化的海上风力发电结构模态分析方法介绍

6．2 Cu折减的p-y曲线

6．2．1 折减系数Cu与孔压比ru的关系

6．2．2 孔压比ru随深度z的变化关系

6．3 算例分析

6．3．1 基本资料

6．3．2 有限元模型的建立

6．4 计算结果分析

6．4．1 模态分析时常规的p-y曲线y1值时域修正法

6．4．2 模态分析时Cu折减的p-y曲线y1值时域修正法

6．4．3 考虑液化和不考虑液化的模态分析结果对比

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢