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。     

考虑桩土作用独桩海洋平台横向振动特性研究

采用动Winkler弹性地基梁模型模拟桩土问动力相互作用，并考虑了流体与桩问相互作用，通过组合成层土中、水中桩单元的刚度阵，推得了独桩海洋平台连续系统横向振动的动刚度阵及在波浪力作用下平台甲板处的频率响应函数，进而求得了在确定性波浪力及随机波浪力作用下桩身任意点的位移响应。最后，通过算例研究和分析了在随机波浪力作用下成层土参数、甲板上重量及冲刷淘深等因素对平台振动响应的影响。     

海洋平台隔水套管群桩性状的研究

海洋平台的隔水套管群桩与土共同作用研究是一个很复杂的课题,目前国内外研究资料甚少,因此在平台导管架设计中,一般不考虑隔水套管群桩承受水平力作用,这与实际不相符合。本文结合工程课题,在调查研究和模型试验的基础上,对隔水套管群桩在水平力作用下的工作性状与破坏机理、群桩的水平力及其主要影响因素、单桩与群桩情况下应力应变关系等方面进行较深入的研究;并提出砂土地基隔水套管群桩效应经验公式,弥补了现行计算方法的缺陷和不足。研究成果可供工程设计参考使用。     

考虑群桩效应的海洋平台桩—土—结构共同工作研究

考虑群桩效应的近海导管架平台的桩、土结构共同工作研究是一个很复杂的课题，要考虑很多因素。在平台结构的概念设计或初步设计中则可采用一些近似方法。本文根据目前国内外对群桩研究的成果，依据文克尔相互作用模型，提出了一个较方便实用的群桩效应计算方法，并建立了考虑群桩效应的桩—土—结构共同工作的计算模型，通过编制计算机程序得到实现，最后根据算例分析得到有关结论     

吸力式沉箱基础长期水平荷载作用下承载特性试验研究

通过两组不同水平荷载作用下吸力式沉箱基础长期模型试验,对吸力式沉箱基础随时间的位移变化规律以及土压力分布规律进行了研究。试验结果表明:在长期模型试验中位移发展主要集中在试验前期,后期位移稳定需要更长时间,土体流变效应较为明显。土压力沿深度分布曲线呈抛物形状,表明沉箱基础在水平荷载作用下为转动模式,随时间增加被动区土压力变化呈增大趋势,主动区土压力呈减小趋势。土压力发展主要集中在试验前期,后期土压力变化相对较小,但土压力稳定所需时间较长,同时荷载值越大土压力稳定所需时间越长。     

复合加载条件下吸力式沉箱基础承载特性数值分析

吸力式沉箱基础的承载特性是海洋工程结构设施建造与设计中的一个关键问题。这种新型的深水海洋基础型式,通常承受竖向上拔荷载与水平荷载的共同作用,其工作性能与设计理论远远不能满足工程实践的需要。本文采用有限元分析方法对吸力式沉箱基础的极限承载特性进行数值计算。以大型通用有限元分析软件ABAQUS为平台,通过二次开发,数值实现了Swipe试验加载方法和固定位移比分析方法,针对不同的沉箱长径比、土的强度折减系数,探讨了沉箱基础在垂直上拔荷载和水平荷载单调联合作用下的极限承载力,通过对不同荷载组合的数值计算构造了复合加载条件下沉箱基础破坏包络面。     

具有结构-桩-土相互作用的海洋平台结构体系承载能力的概率分析

本文研究了桩在竖向荷载和横向荷载作用下承载能力的计算模型,给出了单桩承载能力的概率分析以及不同支承条件对海洋平台结构体系承载能力的影响;提出了具有结构－桩－土相互作用的海洋平台结构体系承载能力的概率特性和在极端荷载作用下海洋平台结构体系的可靠度计算方法。研究结果表明：对于桩支承海洋平台结构体系的承载能力,结构－桩－土相互作用的影响是不容忽视的,其偏差影响取决于土性的离散度。     

水平荷载作用下裙式吸力基础承载性能研究

传统吸力基础是一个单桶结构,被广泛作为海洋平台、漂浮结构的基础,近年来也被推广到海上风电塔架。作为风电塔架基础,要充分提高其水平承载能力。为此,提出一种改进的基础形式—裙式吸力基础。采用Z_SOIL有限元软件,针对砂土地基,从水平单调加载和循环加载两个方面,对传统单桶吸力基础和裙式吸力基础进行了承载性能对比研究,得到了相应的荷载-位移曲线。研究结果表明,裙式吸力基础由于设置了"裙"结构,显著提高了其抵抗水平静载和循环水平动力荷载的能力,并能有效控制基础的水平位移,是值得推广应用的一种新型海洋工程基础形式。     

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.     

淤泥质海岸螺旋桩的轴向承载特性研究

海上风电高压海缆登陆后往往需要跨越平原淤泥质海岸,高压电缆排管易发生不均匀沉降而裂损,螺旋桩因施工方便、速度快,可用于不均匀沉降的应急控制。螺旋桩的承载力是其工程应用的重要设计内容,其桩型参数的改变,对极限抗压承载力有着较大影响。本文结合工程实践,通过开展抗压承载力数值模拟,研究分析了螺旋桩叶片宽度、叶片个数、叶片间距...     

海上风电场高桩承台群桩基础平台的设计研究

针对国内海上风电基础设计没有统一的规范及标准,为提升海上风电基础设计建设的水平,通过对东南沿海某海域海上风电基础的设计进行了有限元计算分析论证,验证了群桩高承台结构设计方案的设计方法和设计参数。分析结果表明该设计的最大应力主要发生在塔筒底座与承台接触部位及钢管桩与承台连接段,应在连接部位加强措施处理;基础竖直位移较小,水平位移相对较大;分界部位应力较集中,刚度不能顺畅过渡,可考虑填充碎石土等方法加强。本研究对海上风电基础设计技术的研究与探索,可为将来制定中国海上风电行业标准提供可靠的依据,对中国未来大批量的海上风电能源的开发有着重要意义。     

波浪荷载作用下近海风电单桩基础受力变形特性影响因素分析

为了对波浪荷载作用下近海风电大直径单桩基础受力变形特性的影响因素进行分析,以江苏省如东县某近海区域的水位地质条件为基础,运用有限元模拟软件 ABAQUS 进行数值模拟,对荷载大小、荷载位置、土体压缩模量、桩体自由度 影响因素展开分析。通过影响因素的不同量值,得出近海风电大直径单桩基础动载情况下受力变形特性的变化规律,从而为实际施工提供有价值的参考。     

海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元分析研究

近年来海上工程的规模越来越大,为了满足工程需要,桩基设计常常采用大直径,大长度的钢管桩。打桩过程是个相当复杂的过程,不仅涉及到几何非线性、材料非线性、边界非线性,而且是个动力过程。有限元法在处理打桩分析方面具有很强的优势,采用PLAXIS对不同条件下的打桩问题进行了动力模拟分析。分析显示在打桩过程中,桩端土体会产生较大的水平位移和竖向位移,桩端土体和靠近桩端的部分土塞内会产生较大的超孔隙水压力。在砂土中,停锤较短时间也会使孔压迅速消散,这也是打桩中间的停锤会造成后续打桩困难的主要原因。     

爆炸载荷下海洋平台波纹板防爆结构数值模拟研究

采用非线性瞬态动力学分析软件MSC.Dytran,对泄漏气体的爆炸载荷进行数值计算并与经验公式的计算值作比较。以海洋平台燃油舱围壁为研究对象,对其进行波纹板结构设计,根据波纹高度的不同,将波纹板分为三种:波纹板Ⅰ、波纹板Ⅱ和波纹板Ⅲ。利用MSC.Dytran,对不同波纹板围壁下燃油舱在油气爆炸载荷作用下的变形、能量吸收和加速度等响应进行数值模拟研究。通过对不同波纹板围壁与传统平板围壁的燃油舱动态响应的分析比较发现,燃油舱围壁采用波纹板Ⅰ时防爆效果相对较优。     

水平循环荷载作用下单桩动力特性的数值模拟

采用修正的p-y曲线方法，分析了桩基础振动过程中桩土之间由于土体塑性变形导致的桩土脱开现象，给出了计算桩土脱开现象的数值模拟方法，并据此分析计算了中国渤海湾JZ20－2MUQ平台的桩基础动力特性，得到了桩基础振动过程中桩土脱开的区域，分析了桩土之间的脱开对桩基础动力响应的影响等问题。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

黏性土底床中桩基底部吸力试验研究

海洋工程结构物桩基/基础在水下黏性土底床中上拔时,其底部会产生负压,由于负压产生的吸力可一定程度上影响桩基的抗拔力,而对于该力的变化特性目前尚不明确。因此,开展对海工结构物桩基在黏性土底床中上拔时底部吸力的研究具有十分重要的现实意义。通过物理试验,测量了模型桩在黏性土底床垂直上拔过程中底部腔体形态、压力以及拉力的变化情况,分析了上拔速度和埋深比对桩体底部压力的影响。研究结果表明:在黏性土底床中,桩基底部负压吸力对抗拔力有一定影响;桩基上拔时,底部会产生孔隙水腔体,在负压作用下,腔体不断被周围土体回填,使腔体大小保持相对稳定;相同埋深条件下,桩基底部负压随上拔速度增加而增大,但当上拔速度增大到一定值后,其影响不再明显;相同上拔速度情况下,桩基所受负压随埋深的增加而增大。最后提出了计算桩基垂向上拔时底部最大吸力的经验公式,并对公式进行验证。     

海上风机稳桩施工平台吊装过程中的多船水动力干扰特性与动力响应分析

建立双臂起重船从运输船上起吊大型稳桩施工平台的吊装系统模型,其中,起重船与运输船呈T型布置。首先基于势流理论,采用专业水动力分析软件AQWA开展了双船系统的频域水动力分析,分析双船起吊系统的水动力干扰特性和遮蔽效应,并对双船间隙自由液面进行黏性修正从而提高频域多体水动力分析的精度。进一步采用频域—时域方法对起吊耦合系统进行参数分析,探究起吊速度、波浪周期等对吊索张力和起重船运动的影响规律。分析多个工况下运输船的遮蔽效应对起吊系统的影响。结果表明,对间隙流体施加阻尼自由液面边界条件可以一定程度提高计算模型的精度,在某些周期的迎浪条件下运输船对起重船的遮蔽效应可以降低吊装系统的响应;起吊速度对时域动力响应的影响较小;周期为8 s的规则波引起过大的动力响应。     

油气爆炸作用下海洋平台抗冲结构研究

海洋平台在服役期间,常会遭受到油气泄露而爆炸引起的冲击破坏.结合歧口QK18-2海洋平台结构,利用非线性瞬态动力学计算软件MSC.Dytran对气体爆炸造成海洋平台结构的损伤机理进行数值仿真研究.在此基础上,详细研究舱室在爆炸载荷下的动态响应,将舱室和爆炸区之间的围壁结构采用增加板厚和改变支撑结构形式、尺寸等四种不同的方式进行比较研究,得出支撑结构对于平台抗冲击的重要性,从而提出有效可行的抗冲结构形式.     

Scour effects on bearing capacity of composite bucket foundation for offshore wind turbines

Abstract

Composite bucket foundation (CBF) is a wide-shallow foundation for offshore wind turbines, which can be transported and installed with the turbine as one unit at a one-step operation. Compared with deep pile foundations, its structural stability is more sensitive to the scouring by waves and currents. In this paper, a three-dimensional finite element model with CBF and surrounding soil is established to estimate the failure mode at different given soil scour conditions. The loading on CBF for offshore wind turbines is characterized by relatively small vertical loading V, larger horizontal loading H, and bending moment M, and the effect of erosion on bearing capacity of CBF is determined by using the fixed displacement ratio method. In addition, the failure envelopes of the CBF applied in H–M and V–H–M loading modes are obtained. Results indicate that the bearing capacity of CBF under horizontal loading and bending moment will be significantly reduced by the decrease in the embedded depth of CBF due to the scouring depth and extent, as well as the H–M, and V–H–M failure envelopes. The structural stability safety factor of CBF under different scouring conditions can be obtained through the three-dimensional envelope surface with respect to scouring depth and extent.