深海吸力锚承载特性与稳定性研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程结构设计中的一个关键问题.基于Coulomb摩擦对原理,给出了一种精确模拟吸力锚承载能力的有限元模型.在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS研究系泊点位置对吸力锚极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式.结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式.当系泊点位置在吸力锚入泥深度3/5左右处,更能发挥深海吸力锚的承载能力.     

Spar平台吸力式基础极限承载特性数值分析

以国外某深海Spar平台工程为背景,针对其所采用的细长型吸力式基础的抗拔承载特性进行三维有限元数值分析.分析中充分考虑土体强度、加载位置和加载角度对吸力式基础极限抗拔承载力的影响,本构模型中钢筒基础采用弹塑性模型.分析结果表明,吸力式基础的极限抗拨承载力随着土体强度的增大而增大,倾斜加载时在基础插入土体部分中点左右加载可取得最大的极限承载力,极限抗拔承载力还随着加载角度的增大而增大.吸力式基础存在倾斜加载时桶基础与桶内外土体的共同塑性屈服破坏和垂直加载时桶外土体的局部剪切破坏等两种不同的破坏模式.     

粘土中张紧式吸力锚破坏模式与承载特性有限元分析

对利用有限元计算分析张紧式吸力锚承载力的方法进行了研究,结果表明:锚土之间接触特性的描述取决于锚的破坏模式;当锚为竖向破坏时,采用临界剪应力摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;当锚为水平破坏时,采用库伦摩擦模型描述锚土间接触是恰当的。计算中若采用基于Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系描述软土的不排水应力应变特性,且按位移标准确定极限承载力,则弹性模量的取值对确定软土中吸力锚承载力有影响且取决于锚的破坏模式;当锚发生竖向破坏时,弹性模量按约150倍的不排水强度取值是恰当的;当锚发生水平破坏时,弹性模量按约75倍的不排水强度取值是恰当的。探讨了依据软粘土循环强度利用拟静力弹塑性有限元计算,估算平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚平均位移变化趋势的可行性,计算与模型试验结果比较说明,计算得出的拟静力荷载位移曲线能够对锚实际平均位移的变化趋势给出一个恰当的估计。     

海上风电伞式吸力锚基础结构优化设计及承载优势分析

海上风电基础是制约海上风电发展的一个重要因素,大力发展经济与效用兼备的新型基础刻不容缓。本文基于新型的海上风电伞式吸力锚基础(USAF)的已有结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS构建出一系列不同尺寸的伞式吸力锚基础(USAF)有限元模型,并通过模态分析等动力分析得到最佳伞式吸力锚基础(USAF)结构尺寸,最后,将最佳伞式吸力锚基础(USAF)与常规单筒吸力锚基础在单一荷载下的极限承载力进行比较,证明了伞式吸力锚基础(USAF)具有良好的承载优势。     

深水系泊新型拖曳锚研发关键技术

作为深海工程应用中一种新型的拖曳嵌入式系泊基础,法向承力锚与目前新型的深水绷紧索系泊方式结合,在深水条件下的优势非常明显.综合比较了新型拖曳锚、吸力锚以及桩锚在施工、性能以及经济性等多方面的特点.提出了开展新型拖曳锚研发的若干关键技术.在对国外的实验研究现状进行综合评述的基础上,重点介绍了在构建新型拖曳锚模型实验平台方面取得的成果,涉及模型水槽、拖曳与回收系统、测量系统、模型锚板设计以及拖曳-系泊转换机构等关键技术.     

法向承力锚极限抗拔力特性

法向承力锚是一种新型的适用于深海工程的系泊基础,其极限抗拔力是锚在工程应用中的关键指标。尝试用两种不同的方法评估法向承力锚的极限抗拔力,其一是基于塑性上限分析理论;其二是运用非线性有限元数值方法。与已有的经验公式相比,所建立的计算模型不仅可考虑海床土性质,还能反映锚板定位(嵌入深度及角度)以及系缆力角度对锚极限抗拔力的影响。在与已有评估方法进行比较的基础上,还特别对锚板的嵌入深度、角度以及系缆力角度变化对极限抗拔力的影响规律进行了分析,对三种方法的适用性进行了评述。     

复合加载下考虑接触作用的地基承载特性数值分析

港口、海洋工程结构物基础一般处于复合加载状态,其极限承载力通常采用近来引入的极限荷载图进行评价.对位于地基表面的重力式海洋基础,需要考虑基础与地基间的接触特性对极限承载力的影响.以大型通用有限元软件ABAQUS为计算平台,建立了复合加载模式的地基极限承载力数值分析方法;针对饱和黏土地基上的表面基础,利用在ABAQUS平台上开发的接触计算模块,模拟基础与地基间竖向可分离、切向完全粘结的接触作用;进而基于建立的分析方法,进行系统的有限元计算,分析地基的破坏模式随荷载条件的变化,给出地基的极限荷载包络图,并与经典承载力计算公式结果进行对比.研究结果表明,经典承载力计算公式低估了三维荷载条件下的地基极限承载力,有限元计算模型及数值分析方法,可以较好地分析研究地基的失稳机理及承载力特性,并可考虑基础与地基不同的接触条件对破坏模式及组合极限承载力的影响.     

复合加载模式下海床土体变形规律与失稳机理研究

海洋工程中结构物除了受到自身重力作用外,往往还受到海风、海浪、海流等的作用,使得海床土体中的基础一般受到集中力、弯矩和扭矩的联合作用,这一受力状态称为结构物基础的复合加载模式。本文以复合加载模式下海床土体变形规律与失稳机理为研究对象,基于通用有限元分析软件Abaqus,采用数值计算方法,对海床土体的极限承载能力进行了详细的研究。结果表明,荷载分量大小与组合形式对海床失稳机理与极限承载能力具有较大影响,H-M荷载空间内破坏包络面具有非对称性。本文给出的土体失稳模式,能够较为合理地评估复合加载模式下海床土体的变形规律;给出的土体极限力矩荷载判别准则,能够较为合理地计算海床土体的极限力矩荷载。     

组合荷载作用下伞式吸力锚基础承载特性数值分析

针对用于海上风力发电机的伞式吸力锚基础(USAF)实际条件下的受力特点,采用数值模拟方法,基于大型通用有限元软件ABAQUS构建数值计算模型,对伞式吸力锚基础在H-V、H-T、V-T荷载平面内以及H-V-T非共面复合加载模式下的承载特性进行分析,进而推导其破坏包络面数学表达式。分析中采用固定位移比加载法进行复合加载,并将桶顶位移作为失效破坏标准。结果表明：(1)拟定的应力归一化复合加载破坏包络面椭圆曲线方程可以较好地模拟不同主筒长径比USAF在不同荷载空间内的破坏包络面形式;(2)H-T空间内USAF复合承载性能随主筒长径比(L/D)的增大而提高,而H-V、V-T空间内变化不明显;(3)绘制了H-V-T空间内USAF三维破坏包络面,可根据实际受荷状态与包络面之间的相对位置关系,评价实际工况下伞式吸力锚基础的稳定性。     

循环荷载下饱和粉土中伞式吸力锚水平承载性能研究

利用ABAQUS有限元软件构建模型,对伞式吸力锚施加水平循环荷载,研究伞式吸力锚的承载性能。在固定荷载大小的情况下,研究锚体位移以及不同位置土体的应力应变。分析可得,在水平循环荷载的作用下,土体的最大塑性应变出现在筒裙位置,筒裙和锚支的结合发挥了主要的承载作用。改变荷载工况,研究不同荷载大小对伞式吸力锚的影响。研究发现,随着循环波浪荷载作用强度的增大,筒裙的稳定作用愈加明显,且这种作用在循环波浪荷载的后期阶段相对更加突出。     

考虑冲刷影响的筒型基础竖向极限承载力研究

大直径宽浅式筒型基础,阻水宽度大,在位工作期间受波浪海流作用,其周围土体易被冲刷。为研究单侧地基土体受冲刷后筒型基础的竖向极限承载力变化,通过引进冲刷率的概念,采用有限元方法研究了不同冲刷率下筒型基础的竖向极限承载力;并基于Meyerhof理论建立了计算不同冲刷率下筒型基础竖向极限承载力的极限平衡方法。研究结果表明,随着冲刷率增大,筒型基础的极限承载力出现不同程度的下降,当冲刷率为0.8时,即筒型基础单侧土体冲刷深度达6.4 m时,筒型基础的竖向极限承载力折减率为3.28%。建立的极限平衡算法可准确计算冲刷条件下筒型基础的竖向极限承载力。     

梁板式高桩码头结构整体可靠度计算方法

在环境条件和使用荷载作用下,高桩码头结构损伤和承载力降低是普遍存在的问题。在役梁板式高桩码头结构安全评估,是保证港口设施安全运行的必要措施。结构整体可靠度是结构安全评估的核心指标,但目前尚未建立结构整体可靠度计算的有效方法。基于非线性有限元数值模型,采用蒙特卡罗模拟技术确定了典型梁板式高桩码头结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数,研究了损伤位置、损伤程度和损伤数量等对极限承载力概率分布及其统计参数的影响,明确了无损结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数可用于损伤结构分析。将结构整体极限承载力作为结构抗力随机变量,采用一次二阶矩法计算结构的可靠指标,建立了一种在役梁板式高桩码头结构整体可靠度计算的有效方法。     

轴压作用下双金属复合管组合作用与承载力分析

为探究轴压作用下双金属复合海底管道的组合作用与承载性能,对双金属复合海底管道进行了试验研究和理论分析。开展了不锈钢衬管材料性能试验,对比了国际主流不锈钢本构关系模型和试验结果。利用ABAQUS建立了精细化的双金属复合管道轴压试验有限元模型,系统研究了关键参数如复合工艺产生的环向复合应力、钢管初始缺陷幅值等对双金属复合管在轴压作用下力学性能的影响规律。通过对比已有轴压双金属复合管道试验结果,验证有限元模型。基于验证的有限元模型,对轴压作用下双金属复合管道的组合作用以及径厚比和材料强度对承载力的影响进行了分析。结果表明双金属复合管道的轴压极限承载力主要取决于基管的截面屈服荷载,并随着管径和材料强度的提高而增大。并依据分析结果对双金属复合海底管道的设计提出建议。     

薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究

为了快速并有效地计算海洋平台等薄壁箱型梁结构的约束扭转极限承载能力,进行了薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究.基于塑性极限状态分析理论,提出了薄壁梁约束扭转极限状态应力分布假设,将薄壁梁视作为一系列由主要支撑构件和扶强材支撑的板格,推导了薄壁梁约束扭转极限承载能力上限的计算公式.应用非线性有限元方法验证了所提假设和计算公式的精度,将所提方法应用于箱型梁模型和半潜平台的约束扭转极限承载能力的计算分析,并与非线性有限元结果进行了比对,结果表明,本方法具有较高的精度,可用于海洋平台等薄壁梁的扭转极限承载力上限的估算.     

Influence of the Spudcan Angle on the Ultimate Bearing Capacity of Jack-up Platform

Jack-up platforms of the Ocean engineering structures always withstand the vertical gravity loads which are applied to the seabed by spudcan, so it is important to determine the bearing capacity and the penetration depth of the spudcan for its geometry. In fact, it is up to the deformation law and the failure modes of soil surrounding the spudcan which can calculate the ultimate bearing capacity of the spudcan foundation on the soil seabed. By using the finite element analysis software Abaqus, the deformation law of soil around the spudcan is analyzed in detail, and the failure modes of soil surrounding the spudcan foundation are achieved. At the same time, based on the limit equilibrium theory, by use of static permissible slip-line field, the ultimate bearing capacity of the spudcan foundation is analyzed and the lower limit solution is derived theoretically, and the effect of the spudcan angle on the ultimate bearing capacity is investigated. The numerical results are compared with those obtained by the theoretical formulas deduced in this paper. On the basis of the lower limit solutions in this paper, the effect of the spudcan angle on the ultimate bearing capacity is revealed, and a practical bearing capacity formula is given to take the effect of the spudcan angle into consideration.     

有限元法在桩靴承载力计算中的应用

自升式钻井平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续的塑性破坏的动态过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。本研究应用有限元法（FEM ）对插桩过程进行了模拟,得到地基土的破坏机制以及中间荷载下土体的应力、应变情况,通过和各理论公式计算的极限承载力进行对比分析,分析影响地基极限承载力的因素。研究表明,基础宽度与硬土层厚度的比值 B/H越大,下卧软土层越容易发生塑性破坏,极限承载力明显下降,当B/H＜0．286时,可以忽略下卧软土层对地基承载力的影响。     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

砂土中四筒导管架风机基础抗弯承载力研究

针对一种四筒导管架海上风机基础,基于有限元数值分析,通过建立砂土中不同筒径和筒高的四筒导管架基础有限元模型,研究砂土中单调弯矩荷载的作用下,筒径与筒高对导管架基础抗弯承载力的影响。分析结果表明:四筒导管架风机基础的抗弯承载力随着筒高或筒径的增加呈明显的增长趋势,相比于筒径的增加,筒高的增加对提高基础抗弯承载力更为有效;在极限弯矩荷载的作用下,基础旋转中心水平向位置受筒高的影响较大,但竖向位置受筒高和筒径的影响很小。     

Bearing Behavior of Cast-in-Place Expansive Concrete Pile in Coral Sand Under Vertical Loading

The low side friction of piles in coral sand results in the low bearing capacity of foundations. In this paper, expansive concrete pile is utilized to improve the bearing capacity of pile foundations in coral sand. Both model tests and numerical simulation are performed to reveal the bearing mechanism of expansive concrete pile in coral sand.Results showed that the lateral earth pressure near pile increases obviously and the side friction of piles is improved,after adding expansion agent to the concrete. The horizontal linear expansion is 1.11% and the bearing capacity increased 41% for the pile, when 25% expansion agent is added. Results in finite element numerical simulation also show that ultimate bearing capacity increases with the increase of the linear expansion ratio. Besides, the area for obvious increase in side friction is below the surface of soil about three times the pile diameter, and the expansion leads to a high side friction sharing of the pile. Therefore, the cast-in-place expansive concrete pile is effective in improving the bearing capacity of piles in coral sand.