暴风雨作用下大功率风力机的随机振动及倒塌机理研究项目摘要

风电资源开发具有广阔前景，然而作为一种新型特种结构，大功率风力机的结构设计规范还很不健全。针对当前风力机倒塌破坏事故日益增多的现状，将刚-柔多体系统动力学的建模理论拓展到风力机工程领域，探索风力机的刚-柔多体系统建模方法及高效稳定数值算法，掌握大功率风力机的动力特性。开展风力机的气弹模型风洞试验，研究暴风雨作用下风力机的荷载模式和作用机制。针对大功率风力机的强非线性特点，开发随机荷载作用下振动响应的随机等效线性化分析方法；建立风力机塔筒在强暴风雨荷载下的动力失效准则，结合风力机典型案例调查和实测验证，阐明风力机的破坏和倒塌机理；寻求有效的风力机塔筒优化方案和抗倒塌措施。研究成果在风力机刚-柔多体系统分析方法、非线性结构的随机振动响应分析方法、极端荷载下风力机的破坏倒塌机理等方面具有一定的创新性。对于逐步完善我国风力机结构分析方法，提高我国风电行业技术水平具有重要意义。

风电资源开发具有广阔前景，作为一种新型结构，风力发电机塔筒在风荷载下的振动响应受到关注。基于刚-柔多体系统理论，建立大功率风机塔筒的动力分析模型，掌握其动力特性变化规律；基于Davenport谱和台风风谱分别模拟良态风和台风风速时程，采用叶素动量理论进行风机叶片荷载模拟，采用M-P雨滴谱进行雨荷载模拟，建立风机塔筒在强暴风雨下的荷载组合、动力响应计算方法及失效准则，阐明风机塔筒破坏机理；针对索塔型风力发电机，对比分析了其风振特点，提出基于随机平均法和动态规划原理的最优控制策略和求解方法；开展了海上单桩、三桩和群桩风电基础结构优化和疲劳评价；通过风机振动监测对数值计算模型进行了验证。研究成果在暴风雨作用下的风振分析、倒塌机理等方面具有创新性，对于提高我国风电结构技术水平具有积极意义。 2100433B

本项目拟瞄准重大研究计划重大工程的动力灾变的总体目标，针对城市高架桥梁、跨海桥梁和深水高墩桥梁等长大桥梁，系统开展强震作用下长大桥梁的灾变全过程及控制研究。通过研究复杂受力条件下材料、构件的损伤动力效应以及结构的多维非线性动力效应，建立材料、构件的损伤动力本构模型以及结构的多维非线性动力行为模拟模型；通过研究结构－介质之间的动力相互作用效应，建立多点、多维地震作用下长大桥梁考虑结构－介质动力相互作用的非线性地震反应分析方法；通过研究长大桥梁在强震作用下的失效破坏机理和破坏倒塌机制，建立长大桥梁强震灾变全过程的数值模拟方法与动态可视化技术以及强震灾变过程控制的理论与方法，再现强震作用下长大桥梁的损伤、破坏和倒塌的灾变全过程。为建立基于性态的长大桥梁抗震设计及减灾控制的理论与方法，为全面开展重大工程强震动力灾变模拟的系统集成，提供坚实的理论基础和技术支撑，因此具有重大的理论意义和工程价值。 2100433B

主要有以下两方面：

①激励-响应关系 前已提及，随机振动问题中的激励-响应关系只能描述为它们的统计特性之间的关系。常系数线性系统在平稳随机激励X作用下，产生平稳随机响应Y。这时，关于平均值有如下关系：

关于功率谱，有如下关系：

式中

是系统的频率特性。上述关系式既简单又实用，这正是功率谱法的优点锁在。式（1）只用到系统的幅频特性，适用于已知系统特性，从输入（或输出）求输出（或输入）。式（2）适用于从实验确定频率的特性。功率谱虽然只提供了随机过程的频域描述，但知道功率谱后，就不难求出相关函数与均方值。如果输入是平均值为零的正态过程，则输出也一样。这时，输出的均方值也就完全确定了输出的统计特性。

②可靠性 在系统可靠性分析中用到的随机响应统计特性还有越界概率和峰值分布。越界概率是指随机响应穿越某个界限水平次数的概率，峰值分布是指响应超越某个水平的峰数（或谷数）的概率。计算这些概率还需要知道随机响应过程及其导数的联合概率分布。

随着地球地震活跃期的来临，在我国西部大开发建设的背景下，为了保证强震作用下隧道特别是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相应的减震机理与灾害控制对策研究。采用资料调研、数值模拟和模型试验等方法，本课题深入研究了隧道洞口段的地震响应机理及减震对策。 （1）通过文献资料的广泛搜集，明确隧道洞口段的破坏形式可分为：①边坡失稳破坏导致的崩塌、滑落造成其变形和压损；②隧道门墙壁的破损、倾斜、开裂等问题；③隧道过断层段的错动。 （2）结合模型试验和数值分析的方法，研究仰坡角度、衬砌刚度，减震缝间隔对隧道结构地震响应的影响，得出结论有：①过大的衬砌刚度对衬砌的受力不利，在保证静力荷载和变形的条件下，适当减小衬砌的刚度可以吸收地震荷载的能量，对隧道抗震更有利。②无配筋衬砌相比有配筋衬砌的峰值弯矩大，明洞以及洞口附近衬砌应予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土层越厚，其惯性力和主动压力越大，衬砌附加弯矩峰值越大。在洞口处可以通过接长明洞来减小仰坡坡度，从而减小衬砌的受力，同时还可以预防地震引起的滑坡、落石等次生灾害。④洞口附近设置减震缝可以改善衬砌的受力，降低受力集中，使衬砌受力更均匀。 （3）借助模型试验和数值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石减震、全包减震、隔震层 下部碎石减震五种措施的减震效果，得出设置隔震层和下部碎石对衬砌的减震作用明显，下部碎石减震作用更为有效。洞门附近可以对基底进行处理，这不仅可以增加基底承载力并且可以起到一定的隔震作用。 本课题研究成果有助于提高隧道结构抗的抗减震，可为相关工程设计与施工提供指导，亦可为今后规范和标准的制定提供理论和技术支持。 2100433B