第二章 荷载组合ppt课件.ppt

江朝华,海上风电机组基础结构环境荷载,第六章：海上风电机组基础防腐蚀,主要内容,2.1 基础结构的极限状态和设计状况,2.2 海上风电机组基础结构上的作用及组合,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,第二章 海上风电机组基础结构环境荷载,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,3,风电基础结构在完成各项功能的标志是用极限状态来衡量。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，导致不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态即称为该功能的极限状态。极限状态是区分结构的工作状态为可靠或不可靠的标志,海上风电机组基础结构的极限状态,海上风电机组基础结构的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类,2.1基础结构的极限状态和设计状态,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,4,定义： 是指结构或结构的某一部分（即构件）达到最大承载力或不适于继续承载变形的状态，这是与结构安全性有关的最大承载能力状态，超过这一状态结构就不安全。,承载能力极限状态,主要表现：（1）作为刚体失去平衡（倾覆、滑移等）；（2）构件或连接部位因材料的强度极限超过而破坏，重复荷载作用下构件疲劳断裂或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（3）结构变为机构（瞬变体系）；（4）结构或构件丧失稳定性（如压屈失稳等）。,2.1基础结构的极限状态和设计状态,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,5,定义： 正常使用极限状态对应于结构或结构的某一部分（即构件）达到正常使用或耐久性能的某项规定限制的状态。确定正常使用极限状态，通常是采用一个或几个约束条件，例如混凝土裂缝的开展宽度、梁的挠度、外观的变形量、地基沉降量等，它们的限值应满足使用要求。,正常使用极限状态,主要表现：（1）影响正常使用或外观的过大变形；（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用或耐久性的其它要求。,2.1基础结构的极限状态和设计状态,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,6,海上风电机组基础结构的设计状况,持久状况,短暂状况,偶然状况,为持续时段与设计使用年限相当的设计状况，通常要按承载能力极限状态的持久组合和正常使用极限状态分别进行设计,在结构施工和实用过程中一定出现，而与设计使用年限相比，持续时段较短的设计状况，如施工、维修和短期特殊使用等。短暂状况一般仅需按承载能力极限状态进行设计,偶发的使结构产生异常状态的设计状况，应按承载能力极限状态进行设计,2.1基础结构的极限状态和设计状态,地震状况,结构遭受地震作用时的设计状况，按承载能力极限态进行设计,港口工程,作用的定义,施加在结构上的集中力和分布力+引起结构外加变形和约束变形的原因。,直接作用（荷载）,间接作用,地基沉降,混凝土收缩变形,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,河海大学 港口海岸与近海工程学院 7,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,8,作用的分类,根据时间的变异划分,偶然作用在设计使用年限内，不一定出现，但一旦出现其量值很大且持续时间很短,可变作用在设计使用年限内，其量值随时间变化与平均值相比不可忽略,永久作用在设计使用年限内，其量值随时间的变化与平均值相比可忽略不计的作用,结构和固定设备自重力（风机自重、基础结构自重等）,风荷载,冰荷载,水流、波浪力,波浪荷载等,地震荷载等,固定水位引起的静水压力,海上漂浮物,船舶撞击力,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,9,作用的分类,根据空间位置的变化划分,自由作用在结构的一定范围内可以任意分布的作用,固定作用在结构上具有固定分布的作用,风机自重,塔筒和基础结构自重,风荷载,水流荷载,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,冰荷载,波浪荷载,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,10,作用的分类,根据结构的反应划分,动态作用加载过程中结构产生不可忽略的加速度的作用,静态作用加载过程中结构产生的加速度可以忽略不计的作用,结构自重力,水压力,船舶撞击力,水流力,地震作用,在进行建筑物设计时，对动态作用原则上应按其动态反应求解对建筑物产生的动态作用效应。为了简化计算，对某些动态作用允许将动态作用简化为静态作用,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,11,作用组合,正常使用极限状态,承载能力极限状态,持久组合,短暂组合,持久状况,短 暂状况,地震组合,永久作用和持续时间较长的可变作用,包含了持续时间较短的可变作用,包含了地震作用所组成的作用效应组合,包括标准组合、频遇组合和准永久组合,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,偶然组合,包含了偶然作用所组成的作用效应组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,12,作用代表值,作用的代表值（应根据不同的极限状态与设计状况采用不同的量值作为作用的代表值）,标准值,频遇值,准永久值,作用的主要代表值,作用在结构上时而出现的较大值,作用在结构上经常出现的量值，它在设计基准期内具有较长的总持续期,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,组合值,代表作用在结构上同时出现的量值的组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,13,作用代表值,根据时间的变异划分,偶然作用在设计基准期内，不一定出现，但一旦出现其量值很大且持续时间很短,可变作用在设计基准期内，其量值随时间变化与平均值相比不可忽略,永久作用在设计基准期内，其量值随时间的变化与平均值相比可忽略不计,根据观测和试验资料或工程经验综合分析确定,有标准值、组合值、频遇值、准永久值。如：对于承载能力极限状态下的持久组合-主导可变作用取标准值；非主导可变作用取组合值，即将标准值乘以组合系数。,仅有标准值,代表值,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,表表1-1 可变作用代表值的取值和计算水位,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,15,承载能力极限状态,正常使用极限状态,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,- 结构重要性系数，可参考风电机组地基基础设计规定（FD003-2007），按表2-2取值。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,16,承载能力极限状态,持久状况的持久组合,第i个永久作用、主导可变作用和第j个非主导可变作用标准值；,第i个永久作用、主导可变作用和第j个非主导可变作用的效应系数；,第i个永久作用、主导可变作用和第j个非主导可变作用分项系数，可参考港口工程荷载规范（JTS 144-1-2010)，按表1-2取值；,组合系数，取0.7；,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,17,短暂状况的短暂组合,承载能力极限状态,第i个永久作用和第j个非主导可变作用标准值；,第i个永久作用和第j个非主导可变作用的效应系数；,第i个永久作用的作用分项系数；,第j个可变作用分项系数，按表1-2中所列数值减小0.1取值。,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,18,正常使用极限状态,持久状况的短期效应（频遇）组合,作用效应设计值；,可变作用组合系数，取0.7；,可变作用准永久值系数，取0.6;,持久状况的长期效应（准永久）组合,短暂状况的短暂组合,限值；,可变作用频遇值系数，取0.7；,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,第i个永久作用、主导可变作用和第j个非主导可变作用标准值；,第i个永久作用、主导可变作用和第j个非主导可变作用的效应系数。,持久状况的标准组合,表1-3 港口工程结构的安全等级和结构重要性系数,表1-2 作用分项系数,2.2海上风电机组基础结构上的作用和组合,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,20,近海风电结构的设计状况,持久状况,短暂状况,偶然状况,正常条件下，结构使用过程中的状况。按承载能力极限状态的持久组合和正常使用极限状态的长期组合或短期组合分别进行设计。,结构施工和安装等持续时间较短的状况。应对承载能力极限状态的短暂组合进行设计，必要时可同时对正常使用极限状态的短暂状况进行设计。,结构承受设防地震等持续时间很短的状况。应按承载能力极限状态的偶然组合进行设计。,结构的设计状况,2.3海上风电机组基础结构上的作用确定,海上风电机组基础结构上的荷载主要包括：经由塔筒传递下来的塔筒与设备自重以及作用其上的风荷载等；基础结构自重；风荷载；波浪荷载；水流荷载；寒冰地区存在的冰荷载；船舶荷载；地震作用等。,河海大学 港口海岸与近海工程学院 21,海上风电机组基础结构上的载荷特性复杂，主要表现在：,（1）海上风机基础承受的载荷除了和陆地风机一样的惯性和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷之外，还有额外的载荷来源，如流体动力载荷、海冰载荷和可能的船舶冲击载荷等（2）海上风力机载荷不同于其他海上建筑载荷。海上风机整体结构高，承受更大的风载荷，具有更多的动态响应和非线性响应。 而且海上风机的设计受到疲劳载荷的限制（3） 海上风力机的冰载荷和破碎波载荷存在不确定性（4） 需考虑风和波浪的耦合作用对于海上风机疲劳载荷的影响,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,23,风荷载,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,作用在海上风电机组基础结构上的风荷载标准值的计算公式为：,作用在结构z高度处单位投影面积上的风荷载标准值，（按风向投影）；,Z高度处的风压高度变化系数；,z高度处风振系数；,风荷载体型系数；,基本风压，kPa。,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,对于寒冷、冰清严重地区的海上风电机组基础，冰荷载是一项重要的设计荷载，它的作用形式主要是风和流作用下大面积冰场运动时产生的静冰压力。作用在基础上的冰荷载包括：冰排运动中被结构物连续挤碎或滞留在结构前时产生的挤压力；孤立流冰块产生的撞击力；冰排在斜面结构物和锥体上因弯曲破坏和碎冰块堆积所产生的冰力；与结构冻结在一起的冰因水位升降产生的竖向力冻结在结构内、外的冰因温度变化对结构产生的温度膨胀力,冰荷载,河海大学 港口海岸与近海工程学院 24,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,25,冰荷载,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,冰排在直立桩（墩）前连续挤碎时，产生的极限挤压冰力标准值的计算公式为：,极限挤压冰力标准值，kN；,冰的局部挤压系数；,桩（墩）迎冰面形状系数；,冰和桩（墩）之间的接触条件系数，可取0.32；,桩（墩）迎冰面投影宽度，m；,单层平整冰计算冰厚，m；,冰的单轴抗压强度标准值，kPa。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,26,船舶荷载根据作用方式不同划分,船舶系缆力,船舶挤靠力,船舶撞击力,由于风和水流产生的系缆力,由于风和水流产生的挤靠力,船舶靠岸或在波浪作用下的撞击力,船舶荷载,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,（1）由风和水流产生的系缆力（2）由风和水流产生的挤靠力（3）船舶靠泊过程中产生的撞击力（4）系泊船舶在波浪作用下产生的撞击力（5）漂流物或偏航船舶意外碰撞产生的撞击力,船舶荷载,河海大学 港口海岸与近海工程学院 27,船舶荷载-系缆力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,船舶系缆力主要是由风和水流引起的，使靠泊风电基础的船舶对系船设施上的缆绳产生的拉伸作用，具有静力性质。海上风机基础结构一般不作为过往船只停靠使用，但是当风机设备检修、维护时，检修船只必须泊稳在基础结构上，并对其产生系缆力 港口工程荷载规范（JTJ 215-98）和船闸水工建筑物设计规范（JTJ 307-2001）对系缆力的确定给出了明确的方法,河海大学 港口海岸与近海工程学院 28,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,29,系缆力分为纵、横向系缆力两部分，主要由风作用产生。当基础前沿水流较大时，系缆力应考虑风与水流可能同时出现的对计算船舶共同作用所产生的横向分力总和Fx 和纵向分力总和Fy 。,船舶荷载-系缆力,系船柱受力分布不均匀系数,与实际受力的系船柱数目有关。,系缆力标准值；,风和流对船舶产生横向和纵向分力总和；,计算船舶同时受力的系船柱数量，与船长有关；,系船缆水平投影与风机基础前沿线所成夹角；系船缆与水平面之间的夹角；,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,30,风对船舶的作用。作用在船舶上的风压力在垂直基础平台切线的横向风力 和平行基础平台切线的纵向分力 的计算公式为：,船舶荷载-系缆力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,船体水面以上横向和纵向受风面积，m；,设计风速的横向和纵向分量，m/s；,风压不均匀折减系数；,风压高度变化修正系数。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,31,港口工程荷载规范规定计算系缆力标准值不应大于缆绳的破断力，也不应低于规范规定的下限值。,船舶荷载-系缆力取值标准,聚丙烯尼龙缆绳的破断力（kN）；,缆绳直径（mm）。,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,32,船舶荷载,防冲设施连续布置,船舶荷载-船舶挤靠力,挤靠力分布不均匀系数，采用1.1；,船舶直线段与防冲设施接触长度（m）。,可能同时出现的风和流对船舶作用产生的横向分力总和（kN） ；,防冲设施间断布置,挤靠力标准值（kN/m)；,作用于一组（或一个）防冲设施上的挤靠力标准值（kN)；,挤靠力不均匀系数，采用1.3；,与船舶接触的防冲设施组数或个数。,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,33,防冲设施橡胶护弦,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,船舶荷载-船舶撞击力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,船舶撞击力具有动力性质，主要包括船舶靠泊时对结构产生的撞击力，系泊船舶在波浪作用下产生的撞击力，此外，对于海上风机基础结构，可能还存在偏航船舶和漂流物的意外撞击力,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,35,按发生的原因可分为船舶靠向结构时产生的撞击力和系泊中船舶受横向波浪作用产生的撞击力。 船舶撞击结构时产生的有效撞击能量，通过防冲设施、基础结构和船舶的变形全部转化外力做功。船舶靠泊时撞击力的标准值应根据船舶有效撞击能量和橡胶护舷性能曲线确定。,船舶荷载-船舶撞击力,有效动能系数；,船舶质量(t)，按满载排水量计算；,船舶靠岸时的有效撞击能量（kJ）；,船舶靠岸法向速度(ms)。,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,36,防冲设施和海上风电机组基础结构由于船舶的撞击产生变形，变形能与有效撞击能量相等，则有,船舶荷载-船舶撞击力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,基础结构和防冲设施的弹性系数，kN/m；,基础结构和防冲设施的变形，m；,船舶产生的撞击力，kN。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,37,船舶荷载-船舶撞击力,船舶与橡胶护舷之间摩擦系数；,船舶撞击力沿基础结构长度方向的分力标准值（kN）；,船舶撞击力法向分力标准值(kN)。,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,38,地震振动过程中，振动体本身产生振动惯性力，包括建筑物自重的惯性力和动土压力，统称为地震作用。地震作用与一般荷载不同，除了与地震烈度有关外，还与被震对象本身的动力特性-自振周期和阻尼有关，因此确定地震作用比较复杂。,地震作用-地震作用的性质,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,39,地震震级衡量一次地震的强烈程度，根据地震释放的能量大小确定。我国地震震级采用里氏震级。 地震烈度是指震区内某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强烈程度。,地震作用-地震震级和地震烈度,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,40,设防后的结构应能抗住发生设计烈度的地震，并允许它受到一些损坏，这些损坏不致危害人的生命和主要的发电设备，基础本身可以不需要维修或经一般维修后仍可继续使用。,地震作用-海上风电机组基础的抗震设防,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,41,地震惯性力是指建筑物和建筑物上的固定设备等在地震时产生的惯性力。地震惯性力除了与地震烈度有关外，还与结构本身的动力特性（自振周期、阻尼和振型）和地基土质有关，目前尚无严格的计算理论。对于海上风电机组可采用振型分解反应谱法，按多自点弹性体系对整体结构进行计算。沿整体高度作用于质点i的j振型水平向地震惯性力标准值 的计算公式为：,地震作用-地震惯性力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,图 1 水平地震作用,综合影响系数，取0.3；,水平向地震系数，可查表选用；,结构j振型参与系数；,J振型，质点i处的相对水平位移；,集中于质点i或第i分段的重力标准值，kN；,质点总数。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,42,地震时，由于建筑物与其周围水体的相互作用，因而产生地震动水压力，它是指静水压力以外的附加水压力。作用在海上风电机组基础上的总动水压力标准值的计算公式为：,地震作用-地震动水压力,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,作用在基础上的总动水压力标准值，其作用点至水面的距离取 0.48d，kN；,圆柱基础的附加质量系数，可查表选取；,综合影响系数，取0.25；,水平向地震系数，按表选取；,海水的重度，kN/m；,基础截面面积，m；,水深，m。,港口工程,河海大学 港口海岸与近海工程学院,43,2.3 海上风电机组基础结构上的作用确定,图 1 水平地震作用,作用在基础上的总动水压力标准值，其作用点至水面的距离取0.48d，kN；,水深，m。,水面以下深度为Z处单位高度上的动水压力标准值的计算公式为,Z处单位高度上的动水压力标准值，kN/m；,计算点距水面的距离，m；,风电基础上荷载分类,按随时间的变异可将作用在海上风电机组地基基础上的荷载分为三类：（1）永久荷载：主要有风机自重、基础结构自重等（2）可变荷载：主要有风机荷载、基础结构上的风荷载、波浪力、水流力、冰荷载、多遇地震作用、施工荷载等（3）偶然荷载：主要有海上漂浮物、船舶撞击力、罕遇地震作用等,风电基础上荷载分类,结构承载能力极限状态，分别按持久组合、短暂组合、偶然组合考虑：（1）持久组合 荷载组合为：恒载+风荷载+波浪、水流力（2）短暂组合 荷载组合为：永久组合+施工荷载（3）偶然组合 恒载+地震荷载+水流力；恒载+漂浮物撞击+水流力,风电基础上荷载分类,正常使用极限状态分别按持久状况短期效应（频遇)组合，持久状况长期效应（准永久）组合，短暂状况（1）持久状况短期效应组合，荷载组合为：永久荷载+风荷载+波浪、水流力（2）持久状况长期效应（准永久）组合，荷载组合为：永久荷载+风荷载+波浪、水流力（3）短暂状况需要考虑正常使用极限状态时的施工荷载，荷载组合为：永久荷载+水流力+施工荷载,