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风-波浪-重力荷载作用下海上风电单桩基础动力承载特性研究

风-波浪-重力荷载作用下海上风电单桩基础动力承载特性研究

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作者：李亚洲山东科技大学

学位级别：硕士

为深入贯彻海洋强国战略并减少传统能源利用所带来的环境污染问题,海上风能产业迎来了蓬勃发展。单桩基础作为最常用的海上风电基础形式,在服役期间承受着风荷载、波浪荷载以及上部风机塔筒结构重力荷载的共同作用,涉及到了静力荷载、... 详细信息

为深入贯彻海洋强国战略并减少传统能源利用所带来的环境污染问题,海上风能产业迎来了蓬勃发展。单桩基础作为最常用的海上风电基础形式,在服役期间承受着风荷载、波浪荷载以及上部风机塔筒结构重力荷载的共同作用,涉及到了静力荷载、动力荷载与倾覆弯矩荷载的耦合问题。单桩基础在复杂受荷状态下,桩身水平位移、沉降、弯矩以及桩顶加速度等动力承载特性较承受单一荷载时会表现出显著的差异,而目前关于风-波浪-重力荷载联合作用下海上风电单桩基础的动力承载特性的分析较少,尚且存在很多的理论研究工作需要进行。因此针对海洋环境中的单桩基础开展动力承载特性的研究,以期研究成果为海上风机单桩基础的设计与施工提供科学合理的参考依据。以我国东海响水海域某拟建风电场为工程实际环境背景,运用ABAQUS数值分析软件建立海洋环境中风电单桩基础的实体数值有限元数值计算模型,运用合理的波浪荷载、风荷载以及竖向荷载分析理论对风电场海域环境荷载进行计算,并将环境荷载等效为水平循环荷载、倾覆弯矩荷载以及重力荷载进行施加,在此基础上将数值模型的部分计算结果与现有研究成果进行对比,验证桩土有限元模型科学合理性。随后针对不同大小波浪荷载作用下,桩体水平位移与累积位移、桩基沉降、桩身弯矩及桩顶加速度等动力承载特性随风荷载以及重力荷载改变而发生的变化开展研究分析,以时程曲线及特殊时间点曲线的对比结果归纳风-波浪-重力荷载共同作用下海上风电单桩基础动力承载特性变化规律。最后采取控制变量法,对不同桩径、不同嵌固深度以及不同壁厚条件下的海上风电单桩基础动力承载特性进行研究,分析各因素变化对于单桩基础水平位移与累积位移、桩基沉降、桩身弯矩及桩顶加速度造成的影响,归纳影响变化规律。得到的主要结果如下:（1）单桩基础在不同工况下,桩身正负向水平位移累积量均随着横向波浪荷载循环次数的增加而增大。横向波浪荷载幅值是水平累积位移的主要控制因素;重力荷载对桩身位移累积有抑制作用,但当风浪荷载增大时,重力荷载的抑制作用减弱。风致倾覆弯矩荷载会使作用侧桩身水平位移累积速度增大,而对位移累积量的影响很小。（2）桩身正负向水平位移值与弯矩均随横向波浪荷载波高的增大而正比例增长;风致倾覆弯矩荷载会使作用侧桩身水平位移与弯矩增大,而另一侧水平位移与弯矩减小;重力荷载在风浪荷载较小时,能够使水平位移与弯矩的绝对值减小;随着风浪荷载逐渐变大,由于p-Δ效应的影响,重力荷载会使单桩基础开始出现附加位移与附加弯矩。（3）单桩基础桩顶加速度在波浪荷载幅值增大时会发生形态的变化,正负向加速度由不规则的双峰值曲线逐渐发展至与正弦函数曲线相似。桩顶加速度大小受风荷载与重力荷载的影响较小。（4）波浪与风所造成的水平方向荷载作用会使海上风电单桩基础的沉降增大,且随着波浪荷载波高与风荷载风速的增大,桩基沉降进一步发展,桩基沉降量对于风致倾覆弯矩荷载更为敏感。（5）承受风-波浪-重力荷载的单桩基础在桩径逐渐增大过程中,桩身正负向水平累积位移值减小,而减小的幅度越来越小,且受风致倾覆弯矩荷载与重力荷载的影响越来越小;桩身正负向水平位移值较大幅度减小,变形特征向刚性桩趋近,p-Δ效应的负面影响逐渐减小;桩身弯矩数值上随桩径的增大而增加,重力荷载带来的正面影响逐渐加强,桩身弯矩对风致倾覆弯矩荷载的敏感度逐渐降低;桩顶加速度在数值上持续减小,形状特征上由不规律逐渐向正弦函数曲线趋近,重力荷载与倾覆弯矩的影响均较小;单桩基础的沉降量不断减小,且风致倾覆弯矩对沉降量的负面影响逐渐减弱。（6）承受风-波浪-重力荷载的单桩基础在壁厚取值逐渐增大过程中,桩身正负向水平累积位移值先基本保持稳定后逐渐减小,风荷载与重力荷载的影响也随之减小;桩身正负向水平位移值减小,桩身刚度增大,p-Δ效应随挠曲变形的减小不断减弱,风致倾覆弯矩荷载在各工况下的影响越来越小;桩身弯矩在数值上随壁厚取值的增加而增大,重力荷载对桩身弯矩的抑制作用逐渐发挥,风荷载所引起的桩身弯矩变化量持续减小;桩顶加速度在数值上持续减小,受重力荷载与风荷载的影响也较小;桩基的沉降量基本保持稳定,各工况下沉降量与壁厚取值的关系曲线大致平行。（7）承受风-波浪-重力荷载的单桩基础在嵌固逐渐增大过程中,桩身正负向水平累积位移值变化量,受风致倾覆弯矩荷载与重力荷载的影响程度基本不变;桩身正负向水平位移值减小,桩身水平位移反弯点先上移后趋于稳定,重力荷载对桩身水平位移发展的抑制作用逐渐大于p-△效应造成的负面影响,风致倾覆弯矩荷载对水平位移的影响程度基本稳定;桩身弯矩在数值上随嵌固深度的增加而增大,p-Δ效应造成的影响随挠曲变形减小而减弱,风致倾覆弯矩荷载对桩身弯矩的影响不随嵌固深度增加而变化;桩顶加速度在数值上持续减小,重力荷载与倾覆弯矩的影响均较小;单桩基础的沉降量先减小后趋于稳定,风致倾覆弯矩对沉降量的负面影响也有

关键词：海上风电单桩基础风浪荷载重力荷载动力承载特性

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预应力锚索数值模拟方法及动力承载特性研究

预应力锚索数值模拟方法及动力承载特性研究

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作者：于冲西安理工大学

学位级别：硕士

预应力锚索支护能充分发挥岩体的自承能力,调节和提高岩体的自身强度和自稳能力,且能为节理岩体边坡、岩体断层、软弱带等提供一种强有力的主动支护手段,这是传统的非预应力支护措施所无法达到的。围绕岩质高边坡加固支护技术中的预应... 详细信息

预应力锚索支护能充分发挥岩体的自承能力,调节和提高岩体的自身强度和自稳能力,且能为节理岩体边坡、岩体断层、软弱带等提供一种强有力的主动支护手段,这是传统的非预应力支护措施所无法达到的。围绕岩质高边坡加固支护技术中的预应力锚固问题,紧密结合工程设计需要,本文通过数值仿真试验,基于大型分析系统FINAL,以在建的锦屏一级水电站左岸拱肩槽边坡为实例,提出了一种考虑预应力锚索施工过程的新的锚索模拟方法,对拱肩槽边坡的稳定性和预应力锚索加固措施优化进行了系统的数值仿真分析研究,对比了不同模拟方法之间的差别。并对对高边坡分层开挖中,爆破应力波作用下边坡预应力锚索动力承载特性进行了数值试验研究,主要研究成果为: 1、提出了一种考虑锚索施工过程的新的预应力锚索模拟方法,对在建的锦屏一级水电站左岸拱肩槽边坡的稳定性和预应力锚索加固措施优化进行了系统的数值仿真研究,同时探讨了预应力群锚的加固机理,为锦屏高边坡的加固支护设计提供了依据。 2、从量化角度揭示了爆破应力波作用下边坡预应力群锚的动力承载特性,得到了影响预应力锚索瞬态张拉力增量相对量大小的主要因素依次为距离、岩体阻尼、最大单响爆破药量、预应力吨位,为高边坡的爆破开挖与预应力锚索施工提供了参考。

关键词：预应力锚索数值模拟方法动力承载特性加固措施优化群锚加固机理

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