海上风电筒型基础结构与地基动力响应分析研究

论文摘要

风能资源非常丰富,易于获得、转换,而且其开发利用没有污染,具有大规模开发和商业化发展的前景。海上风电结构处于复杂的海洋环境中,受到风、浪、流等荷载的长期作用,甚至受到台风、地震等极端荷载的作用,其运行环境复杂,技术要求高,开发成本巨大。筒型基础具有对不同地基土普遍适用、稳定性好、施工速度快、可重复利用等优点,可作为我国高效低成本风力发电结构体系的重要组成部分。本文针对海上风电筒型基础结构的工程特点,在国内外有关研究成果的基础上对筒型基础结构和地基在风、浪、流联合作用下和地震荷载作用下的动力响应进行了研究,具体研究内容和结论如下:（1）将海上风机结构所受的荷载进行了总结,并具体模拟了风、浪、流荷载对风机结构和地基的作用。（2）选取已有文献中的实验模型,建立ABAQUS有限元模型,将有限元计算结果与实验结果进行比较,两种结果较吻合,因此证明了所选用数值方法的合理性。（3）建立海上风电塔筒-筒型基础-地基的ABAQUS模型,分析风浪流联合作用下筒型基础结构和地基的变形及应力规律。通过分析发现,在正常荷载工况下,风机塔筒顺风向结构振动较剧烈,最大位移出现在塔筒顶部;风荷载对塔筒顶部位移的变化起控制作用;筒型基础内部预应力钢筋Mises应力、混凝土第一主应力、第三主应力随时间变化不大;筒型基础附近海床的响应不仅受到浪压力的作用,还受到基础扰动的作用,距离基础较远处的海床响应主要受到波压力的作用;筒型基础内部土体的超孔隙水压力幅值从上到下不断增大,从中心向四周不断增大;海床饱和度、渗透系数、泊松比、孔隙比以及波浪周期、水深对地基的动力响应有很大影响。（4）使用有限元软件ABAQUS对地震作用下海上风电筒型基础结构和地基的响应进行分析,并通过抗液化剪力法判断海床的液化范围。通过分析发现,深度为0-11.85m、12.5-15.9m范围内的部分土体发生了液化,筒型基础内外土体液化程度不同。土体液化后,筒型基础不可以继续承载。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 结构动力响应的研究
• 1.2.2 筒型基础的研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 海上风电筒型基础结构及环境荷载
• 2.1 海上风电筒型基础结构
• 2.1.1 风机塔筒
• 2.1.2 过渡段
• 2.1.3 筒型基础
• 2.2 海洋环境荷载
• 2.2.1 风荷载及其模拟方法
• 2.2.2 浪荷载及其模拟方法
• 2.2.3 流荷载及其模拟方法
• 2.2.4 其他荷载
• 2.3 本章小结
• 第三章 风浪流联合作用下筒型基础结构与地基动力响应
• 3.1 ABAQUS软件简介和数值方法
• 3.1.1 有限元软件的选用
• 3.1.2 本构模型
• 3.1.3 ABAQUS中的结构振动分析
• 3.1.4 ABAQUS中的渗流和变形耦合分析
• 3.2 数值方法可行性验证
• 3.2.1 模型验证一
• 3.2.2 模型验证二
• 3.3 风浪流联合作用下筒型基础结构与地基动力响应
• 3.3.1 荷载模拟
• 3.3.2 有限元模型
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 不同参数对筒型基础结构和地基动力响应的影响
• 3.4.1 土质参数对筒型基础结构和地基响应的影响
• 3.4.2 荷载参数对筒型基础结构和地基响应的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 地震作用下筒型基础结构与地基的动力响应
• 4.1 地震导致地基液化的机理
• 4.2 地基土振动液化的判断方法
• 4.2.1 等效剪应力的计算
• 4.2.2 抗液化剪应力的确定
• 4.2.3 本文判断思路
• 4.3 地震作用下海床地基液化的判别
• 4.3.1 有限元计算
• 4.3.2 海床抗液化剪应力的计算
• 4.3.3 筒型基础结构的响应及海床地基液化范围的判断
• 4.4 地基液化对基础承载力的影响
• 4.4.1 液化土体土质参数的变化
• 4.4.2 承载能力极限状态下的响应
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 本文的不足和展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢