暴風雨作用下大功率風力機的隨機振動及倒塌機理研究項目摘要

風電資源開發(fā)具有廣闊前景，然而作為一種新型特種結構，大功率風力機的結構設計規(guī)范還很不健全。針對當前風力機倒塌破壞事故日益增多的現(xiàn)狀，將剛-柔多體系統(tǒng)動力學的建模理論拓展到風力機工程領域，探索風力機的剛-柔多體系統(tǒng)建模方法及高效穩(wěn)定數值算法，掌握大功率風力機的動力特性。開展風力機的氣彈模型風洞試驗，研究暴風雨作用下風力機的荷載模式和作用機制。針對大功率風力機的強非線性特點，開發(fā)隨機荷載作用下振動響應的隨機等效線性化分析方法；建立風力機塔筒在強暴風雨荷載下的動力失效準則，結合風力機典型案例調查和實測驗證，闡明風力機的破壞和倒塌機理；尋求有效的風力機塔筒優(yōu)化方案和抗倒塌措施。研究成果在風力機剛-柔多體系統(tǒng)分析方法、非線性結構的隨機振動響應分析方法、極端荷載下風力機的破壞倒塌機理等方面具有一定的創(chuàng)新性。對于逐步完善我國風力機結構分析方法，提高我國風電行業(yè)技術水平具有重要意義。

風電資源開發(fā)具有廣闊前景，作為一種新型結構，風力發(fā)電機塔筒在風荷載下的振動響應受到關注。基于剛-柔多體系統(tǒng)理論，建立大功率風機塔筒的動力分析模型，掌握其動力特性變化規(guī)律；基于Davenport譜和臺風風譜分別模擬良態(tài)風和臺風風速時程，采用葉素動量理論進行風機葉片荷載模擬，采用M-P雨滴譜進行雨荷載模擬，建立風機塔筒在強暴風雨下的荷載組合、動力響應計算方法及失效準則，闡明風機塔筒破壞機理；針對索塔型風力發(fā)電機，對比分析了其風振特點，提出基于隨機平均法和動態(tài)規(guī)劃原理的最優(yōu)控制策略和求解方法；開展了海上單樁、三樁和群樁風電基礎結構優(yōu)化和疲勞評價；通過風機振動監(jiān)測對數值計算模型進行了驗證。研究成果在暴風雨作用下的風振分析、倒塌機理等方面具有創(chuàng)新性，對于提高我國風電結構技術水平具有積極意義。 2100433B

本項目擬瞄準重大研究計劃重大工程的動力災變的總體目標，針對城市高架橋梁、跨海橋梁和深水高墩橋梁等長大橋梁，系統(tǒng)開展強震作用下長大橋梁的災變全過程及控制研究。通過研究復雜受力條件下材料、構件的損傷動力效應以及結構的多維非線性動力效應，建立材料、構件的損傷動力本構模型以及結構的多維非線性動力行為模擬模型；通過研究結構－介質之間的動力相互作用效應，建立多點、多維地震作用下長大橋梁考慮結構－介質動力相互作用的非線性地震反應分析方法；通過研究長大橋梁在強震作用下的失效破壞機理和破壞倒塌機制，建立長大橋梁強震災變全過程的數值模擬方法與動態(tài)可視化技術以及強震災變過程控制的理論與方法，再現(xiàn)強震作用下長大橋梁的損傷、破壞和倒塌的災變全過程。為建立基于性態(tài)的長大橋梁抗震設計及減災控制的理論與方法，為全面開展重大工程強震動力災變模擬的系統(tǒng)集成，提供堅實的理論基礎和技術支撐，因此具有重大的理論意義和工程價值。 2100433B

主要有以下兩方面：

①激勵-響應關系 前已提及，隨機振動問題中的激勵-響應關系只能描述為它們的統(tǒng)計特性之間的關系。常系數線性系統(tǒng)在平穩(wěn)隨機激勵X作用下，產生平穩(wěn)隨機響應Y。這時，關于平均值有如下關系：

關于功率譜，有如下關系：

式中

是系統(tǒng)的頻率特性。上述關系式既簡單又實用，這正是功率譜法的優(yōu)點鎖在。式（1）只用到系統(tǒng)的幅頻特性，適用于已知系統(tǒng)特性，從輸入（或輸出）求輸出（或輸入）。式（2）適用于從實驗確定頻率的特性。功率譜雖然只提供了隨機過程的頻域描述，但知道功率譜后，就不難求出相關函數與均方值。如果輸入是平均值為零的正態(tài)過程，則輸出也一樣。這時，輸出的均方值也就完全確定了輸出的統(tǒng)計特性。

②可靠性 在系統(tǒng)可靠性分析中用到的隨機響應統(tǒng)計特性還有越界概率和峰值分布。越界概率是指隨機響應穿越某個界限水平次數的概率，峰值分布是指響應超越某個水平的峰數（或谷數）的概率。計算這些概率還需要知道隨機響應過程及其導數的聯(lián)合概率分布。

隨著地球地震活躍期的來臨，在我國西部大開發(fā)建設的背景下，為了保證強震作用下隧道特別是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相應的減震機理與災害控制對策研究。采用資料調研、數值模擬和模型試驗等方法，本課題深入研究了隧道洞口段的地震響應機理及減震對策。 （1）通過文獻資料的廣泛搜集，明確隧道洞口段的破壞形式可分為：①邊坡失穩(wěn)破壞導致的崩塌、滑落造成其變形和壓損；②隧道門墻壁的破損、傾斜、開裂等問題；③隧道過斷層段的錯動。 （2）結合模型試驗和數值分析的方法，研究仰坡角度、襯砌剛度，減震縫間隔對隧道結構地震響應的影響，得出結論有：①過大的襯砌剛度對襯砌的受力不利，在保證靜力荷載和變形的條件下，適當減小襯砌的剛度可以吸收地震荷載的能量，對隧道抗震更有利。②無配筋襯砌相比有配筋襯砌的峰值彎矩大，明洞以及洞口附近襯砌應予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土層越厚，其慣性力和主動壓力越大，襯砌附加彎矩峰值越大。在洞口處可以通過接長明洞來減小仰坡坡度，從而減小襯砌的受力，同時還可以預防地震引起的滑坡、落石等次生災害。④洞口附近設置減震縫可以改善襯砌的受力，降低受力集中，使襯砌受力更均勻。 （3）借助模型試驗和數值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石減震、全包減震、隔震層 下部碎石減震五種措施的減震效果，得出設置隔震層和下部碎石對襯砌的減震作用明顯，下部碎石減震作用更為有效。洞門附近可以對基底進行處理，這不僅可以增加基底承載力并且可以起到一定的隔震作用。 本課題研究成果有助于提高隧道結構抗的抗減震，可為相關工程設計與施工提供指導，亦可為今后規(guī)范和標準的制定提供理論和技術支持。 2100433B