海上风电大直径单桩基础设计研究

【摘要】：近些年来由于社会经济飞速发展,人类对能源的需求也急剧加大,从而加大了对可再生能源的开发。近海风能资源大约为陆上风电资源的3~5倍,并且在利用海上风能资源时,具有不占用陆上的土地资源等优点,得到了大力的发展。在开发海洋风能中,桩基础的设计是海上风电开发的重要组成部分。单桩桩基作为一种传统的基础,随着风机发电功率的增大,对大直径单桩基础的应用也越来越普遍,因而加大对其的研究也是越来越有必要。 首先,本文综述了国内外海上风电的发展状况以及研究现状,同时也介绍了海上各种基础型式的优缺点和单桩基础的设计理论和分析方法。 其次,本文针对大直径单桩基础的轴向承载力进行深入研究。先详细的介绍单桩基础的轴向荷载的传递原理,和桩基在受到轴向荷载时破坏模式,最后使用有限元软件ABAQUS对大直径单桩基础的轴向承载性能进行了分析。 再次,本文针对大直径单桩基础的水平承载力进行研究。先介绍了风电基础在海上复杂环境中所受到的水平荷载,同时也介绍了各个荷载的计算方法,并且介绍计算水平承载力的方法,具体的介绍了p-y曲线法。最后进行有限元分析计算,得出影响桩基水平承载力的各个因素。 最后,通过现有资料拟设计海上风电大直径钢管桩基础,验证其在正常运行工况下和极限工况下,大直径桩基的稳定性。最后对整体结构进行了模态分析,确保机组在运行时不发生共振的危害。 本文主要通过研究单桩基础的水平和轴向承载力,为海上风电大直径桩基础的设计提供科学依据,希望对海上风电事业的发展有一定的推动作用。 【关键词】：海上风电 轴向承载力 水平承载力 单桩基础 有限元分析 ABAQUS软件
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P752;TU473.1
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 海上风力发电发展现状9-10
• 1.2.1 海上风电国外发展状况9-10
• 1.2.2 国内海上风电发展现状10
• 1.3 海上风电基础形式10-13
• 1.4 海上风电单桩结构物设计概述13-16
• 1.4.1 桩基础设计计算步骤13-14
• 1.4.2 桩基的设计计算理论14-15
• 1.4.3 桩基分析方法15-16
• 1.5 本文的主要工作16-17
• 第二章 海上风电大直径单桩基础轴向承载力研究17-31
• 2.1 单桩基础轴向荷载传递机理及破坏模式17-18
• 2.1.1 轴向荷载下单桩基础的荷载传递机理17
• 2.1.2 轴向荷载作用下桩的主要破坏模式17-18
• 2.1.3 桩的荷载与沉降的关系18
• 2.2 轴向极限承载力的确定方法18-23
• 2.3 轴向承载力有限元模拟计算分析23-30
• 2.3.1 有限元软件的选取23
• 2.3.2 土体本构模型及参数选取23-25
• 2.3.3 桩及桩-土界面的处理25-26
• 2.3.4 初始应力平衡26
• 2.3.5 有限元模型及网格26-27
• 2.3.6 计算结果分析27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 海上风电大直径单桩基础水平承载力研究31-47
• 3.1 海上上风电单桩基础主要承受的水平荷载计算31-33
• 3.1.1 风荷载计算31-32
• 3.1.2 波浪荷载32
• 3.1.3 海流荷载32-33
• 3.1.4 海冰荷载33
• 3.2 水平荷载作用下桩基的破坏性状33-36
• 3.2.5 刚性桩的破坏形态34-35
• 3.2.6 弹性桩（中长桩）的破坏形态35
• 3.2.7 弹性长桩的破坏形态35-36
• 3.3 桩基基础的水平承载力计算方法研究36-42
• 3.3.1 p-y曲线法介绍37-41
• 3.3.2 有限单位元法41-42
• 3.4 水平承载力特性的有限元数值分析42-46
• 3.4.1 桩径对水平承载力的影响：42-44
• 3.4.2 桩周土体压缩模量的影响44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 拟设计海上风电大直径单桩基础及结构的有限元分析47-60
• 4.1 拟建海上风电单桩基础独立柱结构整体设计47-53
• 4.1.1 海上风电场概况47
• 4.1.2 基本资料47-50
• 4.1.3 拟单桩基础独立杆设计50-53
• 4.2 有限元计算分析53-56
• 4.2.1 计算结果分析54-56
• 4.3 单桩基础独柱式风机的上部结构模态分析56-59
• 4.3.1 模态分析的基本理论介绍56-57
• 4.3.2 塔架模态分析57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 结论与展望60-62
• 5.1 结论60
• 5.2 展望60-62
• 参考文献62-65
• 发表论文和参加科研情况说明65-66
• 致谢66

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