海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计及安全性研究

【摘要】：发展可再生能源是全球趋势。由于海上风能资源丰富,而且不占用陆上耕地,远离居住区,噪音污染小,使其成为各国竞相开发的资源。但是由于海底地质条件难于勘测,海水中海流、波浪、海冰等环境荷载变化复杂,导致海上风力发电的基础结构施工建设困难、成本高,同时运行维护费用较高。如何降低成本且施工方便,成为基础结构设计的关键技术难题。在各项海上环境荷载作用下,如何保证海上风电基础结构的安全性,也是基础结构应用的必须解决的难点。针对我国海上风电发展阶段的需要,近海和滩涂风场的水深较浅,以往海洋桩基平台的大型打桩施工设备难以进入,本文考虑筒型基础施工速度快,便于在海上恶劣天气的间隙施工,可重复利用的特点,同时考虑到基础压载稳定和水面处抗冲刷的需要,将其与重力式基础结合,提出了海上风电大直径宽浅筒型基础结构的思想。海上风电基础结构承受大弯矩荷载,适用于近海和滩涂的筒型基础结构直径较大,筒基直径是以往任何工程都达不到的。本文对该种结构进行了较全面的研究,分为以下三个方面分析: (1)提出了一套适用于近海和滩涂的海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计计算方法,给出了筒型基础筒壁承载式和筒顶承载式的两种承载力简化计算和结构设计模式,并对饱和粉砂地基中大直径宽浅筒型基础结构的破坏模式进行研究,采用有限元法对三维筒型基础模型进行承载力计算,验证了理论简化计算的可行性。 (2)以筒型基础的重量为目标,将优化方法SQP和改进遗传算法首次应用于筒型基础的结构整体尺寸优化设计。在满足基础结构强度、刚度和稳定性的条件下,引入形状优化和拓扑优化,并采用有限元法对大直径筒型基础的传力体系进行局部优化设计。 (3)基于流固耦合、固土耦合和非线性接触理论,建立筒土模型,筒土——塔架——简化机头整体模型。将有限元——离散元ALE计算方法,应用于大直径筒型基础结构的极限静荷载和风、波浪、海流随机荷载下的耦合动力安全性分析,全面反映筒型基础的受力机理和工作状态。同时,系统评估了海上风电筒型基础的安全性。 【关键词】：海上风电 大直径宽浅筒型基础 优化设计 耦合动力安全性
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU470
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-23
• 1.1 问题的提出8-10
• 1.2 海上风电发展状况10-11
• 1.3 国内外海上风电基础研究应用现状11-20
• 1.4 本文研究的目的和意义20-21
• 1.5 本文研究的主要内容21-23
• 第二章 海上环境荷载计算和筒型基础结构设计方法研究23-44
• 2.1 荷载评估计算方法23-25
• 2.2 海上风电筒型基础设计方法25-40
• 2.3 设计实例40-43
• 2.4 本章小节43-44
• 第三章 饱和粉砂土地基大直径宽浅型筒型基础破坏机制研究44-80
• 3.1 宽浅型单筒基础承载特性及破坏模式研究44-66
• 3.2 大直径内外双套筒宽浅基础破坏模式研究66-70
• 3.3 钢混组合结构筒基极限承载力分析70-77
• 3.4 本章小结77-80
• 第四章 海上风电筒型基础结构优化研究80-99
• 4.1 筒基优化数学模型80-82
• 4.2 数学优化方法82-84
• 4.3 工程数学优化算例84
• 4.4 有限元拓扑、形状优化84-94
• 4.5 筒基材料优化94-97
• 4.6 本章小结97-99
• 第五章 大直径宽浅筒型基础静力安全性研究99-114
• 5.1 模拟条件99-100
• 5.2 筒型基础结构静力安全性研究100-112
• 5.3 本章小结112-114
• 第六章 大直径宽浅筒型基础动力安全性分析114-151
• 6.1 筒基屈曲特性分析114-117
• 6.2 海上风电风机-塔架-筒基固有特性分析117-123
• 6.3 风激海上风电风机-塔架-筒基振动响应123-131
• 6.4 波流作用下筒基的耦合动力研究131-144
• 6.5 风波流三项随机荷载下结构安全性分析144-146
• 6.6 筒基疲劳分析146-149
• 6.7 本章小结149-151
• 第七章 结论与展望151-154
• 7.1 结论151-153
• 7.2 展望153-154
• 参考文献154-166
• 发表论文和参加科研情况说明166-168
• 致谢168

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