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原文传递复合筒型基础动力响应及冲刷特性研究

论文题名：	复合筒型基础动力响应及冲刷特性研究
关键词：	复合筒型基础;绕射理论;风荷载;动力响应;冲刷特性;海上风电结构体系
摘要：	复合筒型基础具有对不同地基土普遍适用、稳定性好、可重复利用、施工速度快、传力特征优于传统筒型基础等优点，已开始在我国海上风电开发中推广和应用。海上风电结构体系处于复杂的海洋环境中，受到风、波浪、海流等荷载的长期作用，其运行环境复杂，技术要求高。环境荷载作用下风电基础的稳定性关系到整个风电场的安全与稳定。因此，开展环境荷载下复合筒型基础安全与稳定性的研究，对风电结构的设计和安全运行具有重要的指导意义。本文针对上述问题展开深入的研究，并取得了以下创新性研究成果：　　（一）提出了复合筒型基础线性波浪荷载的解析解，并进行了实验验证。　　对复合筒型基础所受风、浪动力荷载进行了总结。针对复合筒型基础波浪荷载计算准确性不足以及缺乏实验验证的问题，提出了复合筒型基础波浪荷载的解析解，并进行了实验验证。首先，结合绕射理论，研究了复合筒型基础周围波浪场的特点，求解了复合筒型基础绕射方程。然后，针对1:60的复合筒型基础模型，设计并进行了实验，对比了实验结果与理论结果。最后，确定了复合筒型基础波浪力理论解的准确性，对不同波浪条件下的波浪力特性及基础表面波浪压力的变化规律进行了讨论。通过复合筒型基础波浪力的理论分析与实验验证：（1）提出了作用在复合筒型基础上的波浪荷载的解析解，给出了复合筒型基础周围海床表面不同位置处波浪压力的计算公式；（2）通过与波浪力实验结果的比较，验证了本文提出的波浪荷载解析解的准确性，对比了本文提出的方法与以前复合筒型基础波浪荷载计算方法，指出了以前方法的缺陷；（3）编写了波浪荷载计算的可视化程序，方便了基础波浪力及基础和海床表面波浪压力的计算，提高了计算的便捷性；（4）讨论了复合筒型基础上波浪力随波高、水深、周期等波浪条件的变化情况，同时讨论了在一个波浪周期内复合筒型基础表面各点波浪压力的波动情况。另外，研究了复合筒型基础受到的非线性波浪荷载。通过研究阐明了复合筒型基础周围波浪场的运动特点，解决了复合筒型基础应用中波浪荷载的精确计算的问题，为复合筒型基础动力特性研究奠定了基础。　　（二）复合筒型基础地基动力响应特性的研究。　　针对极限风浪流荷载作用下复合筒型基础地基弱化分析中，地基振动特性尚不明确的问题，开展了极限风浪流荷载下复合筒型基础动力响应特性的研究。建立了考虑三维粘弹性人工边界的风力发电塔筒-复合筒型基础-地基相互作用的有限元模型。引入了以Davenport谱为目标谱的脉动风场，分析了风浪流荷载作用下考虑三维粘弹性人工边界的地基的自振特性及复合筒型基础动力响应特性。另外，比较了是否考虑地基冲刷时复合筒型基础动力响应的不同。通过数值与理论分析结果：（1）明确了复合筒型基础动力响应谱峰的物理意义；（2）对于水平向的振动，筒型基础内外地基土的振动情况基本相同；对于竖向振动，相比于筒外土，由于上部结构的压载及筒型基础的“环箍效应”，筒内土的振动很小；（3）明确了极限风浪流荷载作用下复合筒型基础地基振动的特点：地基振动以0.3Hz以下低频振动为主；（4）指出了两种边界条件下塔筒顶端的响应几乎完全一样；模型边界采用固定边界时，地基振动频率远高于采用粘弹性边界的地基；（5）比较了是否考虑地基冲刷时复合筒型基础动力响应的不同，指出了地基冲刷后能较明显影响复合筒型基础动力响应的幅值，但是对振动频率影响很小。通过动力荷载作用下地基振动特性的明确，为地基弱化问题的解决奠定了基础，同时指出了地基冲刷特性研究的必要性。　　（三）复合筒型基础周围地基局部冲刷的试验研究。　　针对国内外海流作用下复合筒型基础冲刷研究的空白，开展了冲刷试验场地的建设及复合筒型基础模型的冲刷试验工作。（1）研制了双向流造流系统，建设了冲刷试验场地，为复合筒型基础冲刷试验的进行奠定了基础；（2）进行了复合筒型基础周围粉沙质海床冲刷的系列比尺模型试验，分析了单向流、往复水流作用下1:20、1:40和1:70基础模型周围冲刷坑形态范围、冲刷平衡时间及最大冲刷深度，推算了现场复合筒型基础周围最大冲刷深度，对比了单向流、潮流作用下基础周围冲刷的不同特点；（3）研究了水深、流速这两个参数对复合筒型基础周围地基冲刷平衡时间、冲刷坑深度、范围的影响，进一步提出了复合筒型基础局部冲刷深度的计算公式。通过以上的试验研究，解决了工程问题，并总结出了可以广泛应用于工程的规律。
作者：	于通顺
专业：	水利工程
导师：	练继建
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文