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《天津大学》 2010年
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海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计及安全性研究

刘喜珠  
【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。
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