考虑冲刷效应的海上风机地震响应及易损性研究

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随着我国海上风力发电的快速发展,在我国沿海地区不断有新的海上风电场建设、投产,已经使我国成为了全球第三大海上风电市场。而与欧洲良好的近海地层条件不同,我国沿海地区地质条件复杂,广泛分布着饱和软黏土层,在地震和波浪等循环荷载作用下会出现刚度软化的现象。与此同时,风机基础周围的局部冲刷问题会对其动力响应产生复杂的影响。因此,饱和软黏土地基中的海上风机在地震和冲刷联合作用下的研究有着重要的意义。然而现有的海上风机地震动力响应研究很少考虑了冲刷效应的影响,且主要关注风机上部结构的响应,通常对基础与海床的相互作用进行了简化。本文针对应用最为广泛的大直径单桩基础海上风机,考虑了冲刷效应和桩-土相互作用的影响,分别从地震动力响应和地震易损性两个方面进行了研究,主要研究内容及结论如下:首先将表示循环次数与衰减指数关系的经验公式引入等效黏弹性模型中,建立了考虑软黏土循环软化特性、滞回性和非线性的饱和软黏土刚度衰减模型。通过二次开发将其引入FLAC3D,并建立了饱和软黏土自由场模型和桩-土相互作用模型,与振动台试验结果进行了对比,验证了模型的可行性和可靠性。基于建立的饱和软黏土刚度衰减模型,同时考虑了桩-土相互作用、地震动水压力和冲刷效应,建立了海上风机地震和冲刷联合作用模型,对不同水位和冲刷深度下海上风机地震动力响应进行了分析。在此基础上,讨论了地震烈度、塔顶质量、土体弹性模量和桩基础抗弯刚度等因素与对海上风机地震动力响应的影响,并对比了不同参数水平下冲刷深度为0和2D时的海上风机动力响应。结果表明:冲刷对海上风机地震动力响应的影响非常显著,且影响程度与塔顶质量、桩基础抗弯刚度以及土体弹性模量等参数的相关性较为显著;而动水压力对海上风机地震动力响应的影响较小。最后,分析了常见的地震易损性分析方法和现有海上风机地震易损性极限状态指标,提出了基于R语言的MSA法的易损性计算方法和四种极限状态指标。在此基础上,对考虑冲刷深度影响的海上风机地震易损性进行了研究。结果表明:在一般设防烈度下,冲刷深度对海上风机受到地震荷载作用时能否正常工作有着显著的影响,对风机发生永久性破坏的概率影响较小;而动水压力对海上风机四种极限状态下的地震易损性的影响均较小。
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