近海風機傘式吸力錨基礎(USAF)結構設計動力響應與災變控制.pdf

1、近海風力發(fā)電是未來國家風電能源戰(zhàn)略的核心,風機基礎作為海洋構筑物,長期面臨復雜海況和海底地質活動的考驗,其在風、浪、流等荷載聯(lián)合作用下的穩(wěn)定性分析成為風電設計面臨的巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)役的海上風機基礎大都存在波浪對基礎周邊海床沖蝕嚴重,水平承載力在循環(huán)荷載下衰減快,安裝施工對海底環(huán)境擾動大等弊端,適于近海風電場建設的新型風機基礎型式迫切需要提出,風機基礎結構選型和設計成為影響大容量(MW級)、大規(guī)模風電開發(fā)研究的熱點問題。本論文基于已有風機基礎

2、存在的弊端,設計提出了一種新型傘式吸力錨基礎(USAF),并通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬等手段較系統(tǒng)的研究了USAF基礎的承載特性和動力響應問題,運用海床土臨界液化孔壓比準則,構建了USAF基礎的災變控制監(jiān)測預警體系。具體研究工作如下:
　　1、以黃三角典型近海沉積環(huán)境與水動力特征為例,指出近海風機基礎結構選型和承載性能研究的重要性,進而提出了自主設計的傘式吸力錨基礎,并對USAF基礎的設計原理、結構優(yōu)勢、沉貫機理、安裝方法等

3、進行了詳細的說明。
　　2、運用極限分析原理對USAF基礎的水平承載特性展開分析,重點研究了各破壞區(qū)土體許可滑動狀態(tài)和許可速度場,通過對土體破壞機制和破壞區(qū)許可速度場的建立,推導了內(nèi)部能量耗散率和外力功功率表達式,繼而提出了 USAF基礎的水平極限承載三維上限解法。通過算例將上限解與有限元模擬結果對比,證明了上限解法在求解USAF基礎水平極限荷載中的合理性。
　　3、通過室內(nèi)土箱試驗分析了USAF基礎在水平靜力加載、水平循環(huán)

4、加載和豎向拉拔荷載下的錨-土相互作用規(guī)律。模擬了 USAF在水平低頻荷載和一次風暴潮作用后錨體的變位響應,指出錨枝對動力荷載激勵下的錨體變形具有抑制作用。發(fā)現(xiàn)并闡述了USAF在上拔過程中的“分段現(xiàn)象”,提出了一種確定USAF基礎極限抗拔荷載的動力學搜索方法,并得到驗證。
　　4、使用 ANSYS軟件分析了除風荷載之外的波浪荷載、地震荷載和冰荷載等海洋動力載荷對海上風機USAF基礎動力承載特性的影響。重點分析了主筒、筒裙、錨枝的不同

5、模態(tài)振型和振動規(guī)律,討論了0~130Hz外荷載激勵作用下USAF結構的諧響應狀況,基于功率譜密度(PSD)法分析了波浪荷載作用下USAF結構的振動響應,研究了地震荷載和冰荷載兩類隨機荷載對USAF基礎結構振動的影響。
　　5、依據(jù)Geo-Studio軟件在巖土非線性分析中的優(yōu)勢,采用擬靜力法對風浪荷載下USAF周圍地基土變形及破壞模式進行了有限元模擬,模擬發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)部最大剪應力發(fā)生在錨趾轉動區(qū)和錨枝下壓區(qū),并結合土體內(nèi)部剪應力應變

6、分布對主筒和筒裙轉動點的位置進行了分析。最后,將USAF基礎與常規(guī)吸力錨基礎進行同等水平荷載下的地基土變形比較,證明了新型USAF基礎的結構承載優(yōu)勢。
　　6、從海床土微觀結構入手,綜合考慮滲流場和應力場的耦合作用,構建了海床土液化破壞的重正化群模型,闡述了飽和海床土宏觀液化與微觀強度的定量關系,提出了海床土臨界液化孔壓比概念,繪制了不同土質海床的臨界液化判別準則表,并對其影響因素進行了分析,準則對USAF基礎的災變控制監(jiān)測預警具