大直徑單樁基礎海上風機支撐結構動力性狀.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題日益突出。海上風電是一種新型能源形式，在全球發(fā)電領域有著巨大的潛力，是解決我國能源短缺問題的有效途徑。大直徑單樁基礎施工速度快，經(jīng)濟性好，是目前國際上海上風電場使用率最高的基礎形式。海上風機結構主要受水平荷載，高度高，頂部質量大，1P和3P的荷載頻率限制了其自振頻率的范圍，動力特性是海上風機結構設計與運行的關鍵問題之一。海上所處海域勘察困難，鉆孔數(shù)量有限，土層力學參數(shù)不確定性較大，且風和波浪等主要荷載的隨

2、機性高，亟需引入不確定分析方法來分析海上風機支撐結構動力失效概率。針對這些問題，本文開展了以下工作:
　　(1)開發(fā)一套適用于海上風機支撐結構動力特性研究的試驗平臺，開展以1∶50的大比尺1g試驗研究單樁基礎支撐的海上風機結構模型動力特性及其變化規(guī)律，研究表明:當水平力無量綱化參數(shù)H/GD2低于7.71-9.79×10-4之間某個臨界值時，砂土剛度會快速增長。反之則砂土剛度不會增大，甚至會出現(xiàn)先減小后緩慢恢復的過程;阻尼比在循環(huán)荷

3、載作用下可產(chǎn)生20％的增幅或70％的降幅，變化規(guī)律與自振頻率規(guī)律大致相反。通過試驗結果擬合出了樁頭累積位移與水平荷載最大值、動力放大系數(shù)及荷載動力部分的關系式，能預測不同荷載作用下的樁頭累積位移;發(fā)現(xiàn)了側向循環(huán)荷載作用下海上風機自振頻率下降的現(xiàn)象，海上風機設計時應充分考慮該因素。
　　(2)構建以歐拉-伯努利梁為基礎的海上風機支撐結構動力響應整體計算精細化數(shù)值模型。模型采用API規(guī)范的p-y、t-z、q-z非線性曲線作為土體彈簧模

4、擬海床中的樁土相互作用，計算風機支撐結構的自振頻率及在外界荷載作用下的動力響應。結果顯示，API砂土的p-y曲線取0.001m的位移對應的割線剛度能較好地估算自振頻率;樁長的變化會影響樁土相對剛度，導致樁的類型在剛性樁和柔性樁之間的過渡;風機的設計參數(shù)對自振頻率有很大影響。
　　(3)引入了一套科學的不確定分析方法來量化各隨機變量對海上風機支撐結構動力失效概率的影響。首先采用蒙特卡洛方法隨機生成了10萬組不確定參數(shù)（考慮了土體力學

5、性質、風、浪荷載的不確定性），并基于本文建立的精細化數(shù)值模型，計算了考慮上述不確定性的海上風機支撐結構自振頻率和泥面處轉角;其次，針對計算結果，用假設檢驗方法對上述隨機變量不確定性對動力失效概率的影響大小進行排序;最后，采用貝葉斯分析，量化采用不同隨機變量作為設計參數(shù)時海上風機支撐結構動力失效概率。結果顯示，對海上風機因自振頻率落入1P/3P區(qū)域導致的失效而言，樁徑是海上風機失效的最大影響因素;對海上風機運行時因泥面轉角過大導致的失效而