郭俊科，方偉定

（浙江省電力設(shè)計院，杭州市 310012）

0 引 言

目前，國內(nèi)外常見的近海風(fēng)電機組基礎(chǔ)型式有重力式淺基礎(chǔ)、超大直徑單樁基礎(chǔ)、吸力式桶形基礎(chǔ)、三角架基礎(chǔ)、多桶基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)等，群樁基礎(chǔ)是我國近海風(fēng)電機組普遍采用的基礎(chǔ)型式，其設(shè)計相對較簡單、施工技術(shù)要求較低。如江蘇東臺灘涂風(fēng)電場選用了3045根直徑為0.6m預(yù)應(yīng)力管樁的群樁低承臺基礎(chǔ)［1］，上海東海大橋海上風(fēng)電場則采用了8根直徑為1.7m、長度達85m鋼管樁的高樁承臺基礎(chǔ)［2］。

高樁承臺基礎(chǔ)由高樁和承臺組成，其高樁可采用預(yù)制樁或鋼管樁，適用水深520m。海洋風(fēng)、浪等荷載環(huán)境使得群樁基礎(chǔ)荷載形式比較復(fù)雜，包括基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)風(fēng)、浪荷載在群樁上產(chǎn)生的豎向力、水平力和傾覆彎矩等復(fù)雜荷載，設(shè)計過程中需分析這些復(fù)雜荷載作用下風(fēng)機群樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，并進行相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化。本文針對海上風(fēng)電機組高樁承臺基礎(chǔ)，確定其最不利荷載組合，建立三向復(fù)雜荷載作用下基礎(chǔ)的大變形分析模型，通過群樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)分析，提出群樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計依據(jù)及承載力確定標準。

1 近海風(fēng)電機組群樁基礎(chǔ)荷載分析

海上風(fēng)電機組在役期內(nèi)受自重荷載、風(fēng)機荷載、波浪力、水流力、船舶撞擊力、冰荷載等作用。根據(jù)廠家提供的風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)資料及風(fēng)電場風(fēng)況資料可計算風(fēng)機基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)的荷載。根據(jù)《海港水文規(guī)范》計算基樁的水平波流力，并考慮群樁系數(shù)計算群樁基礎(chǔ)所承受的總波流力。風(fēng)電機組在役期間可能遭受船舶的撞擊，文獻［3］推薦采用《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》計算柔性群樁基礎(chǔ)的船舶撞擊力。施工荷載考慮船舶?？拷Y(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的撞擊力，參照《港口工程荷載規(guī)范》，船舶靠岸時的撞擊力標準值應(yīng)根據(jù)船舶有效撞擊能量和橡膠護舷性能曲線及靠船結(jié)構(gòu)的剛度確定。按照上述計算過程，裝機容量3MW風(fēng)電機組群樁基礎(chǔ)頂部（海床局部沖刷面以上25m）的典型最不利荷載如圖1所示。頂部水平力、豎向力和傾覆彎矩共同作用下高樁承臺基礎(chǔ)將產(chǎn)生復(fù)雜內(nèi)力和變形。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力簡圖及分析模型Fig.1 Force diagram and analysis model of pile group foundation

2 風(fēng)機高樁承臺基礎(chǔ)的計算模型

一般，風(fēng)機群樁基礎(chǔ)基樁必須保證有足夠的長度，以承受風(fēng)機巨大的自重荷載并防止水平荷載作用下樁基被拔出。實際服役過程中樁基軸向變形并不大，而樁土橫向相互作用對風(fēng)機群樁基礎(chǔ)受力變形至關(guān)重要。目前，我國采用傳統(tǒng)的m法分析高樁承臺基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，如《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及《港口工程樁基規(guī)范》均推薦使用該法，已廣泛應(yīng)用于橋墩等構(gòu)筑物基礎(chǔ)的設(shè)計。文獻［4］基于m法和地基系數(shù)的空間分析法，編制了高樁承臺基礎(chǔ)的計算程序；文獻［5－6］計算樁基時均采用m法來考慮樁土橫向相互作用。然而，m法僅能反映地基土的彈性性能，在樁身變位不大時，能很好地反映樁土相互作用，而在樁身變位較大時，樁側(cè)土體進入非線性工作狀態(tài)，此時按m法計算所得的泥面處位移、樁身最大彎矩及位置與實測值有一定差異，并隨著進一步荷載的增大，這種差異也隨著增大。目前，p－y曲線法被公認為樁基水平變形分析最簡單、有效的分析方法。室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗結(jié)果均顯示樁周土反力呈雙曲線型式，因而樁基雙曲線型p－y曲線能較好地反映樁土橫向相互作用，且能按m法計算樁基小變形情況，同時又適合大變形分析［7－8］。

本文采用ANSYS有限元軟件進行三維建模分析風(fēng)機的高樁承臺基礎(chǔ)，ANSYS建模采用命令流方式，在ANSYS軟件中建立了風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)的整體模型。模型中，混凝土承臺采用solid45三維實體單元模擬，而鋼承臺則采用板、梁單元結(jié)合分析，采用beam188環(huán)形截面梁單元模擬管樁。承臺與樁基剛性連接，樁土相互作用則采用combine39的非線性彈簧模擬，彈簧的非線性剛度分別服從雙曲線型p－y曲線以及API規(guī)范中的t－z曲線和q－s曲線關(guān)系［7－9］，并按 API規(guī)范考慮群樁效應(yīng)。這樣，該分析模型同時考慮了樁基的橫向和軸向相互作用，適合多向復(fù)雜荷載作用下群樁基礎(chǔ)的受力和變形分析。

3 群樁基礎(chǔ)優(yōu)化分析

舟山某軟粘土海床地基簡化為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土2個土層（見圖2所示），主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。風(fēng)機基礎(chǔ)采用8根鋼管斜樁，在承臺處呈圓周布置（見圖1所示）。本文針對影響風(fēng)機群樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計參數(shù)，即樁基埋深、樁徑、群樁圓周直徑及樁的傾斜度等，對比分析三向復(fù)雜荷載作用下這些因素變化時樁基礎(chǔ)的內(nèi)力及變形，從而為風(fēng)機高樁承臺基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

圖2 地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section

表1 土層計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters for soil

3.1 樁基埋深和樁基傾斜度的影響

群樁基礎(chǔ)基本設(shè)計參數(shù)如下：鋼管樁長度為50 m，直徑為2.4 m，壁厚為36 mm，群樁圓周直徑為12 m。圖3、4比較了樁基埋深（泥面以下深度）和樁同基傾斜度變化對高樁承臺基礎(chǔ)變形（包括樁基泥面處水平位移、泥面處轉(zhuǎn)角、承臺水平位移和轉(zhuǎn)角）及群樁

圖3 不同傾斜度下樁基變形隨樁基埋深變化曲線Fig.3 Changing curves of piles'deformation with embedded length under different inclinations

圖4 不傾斜度下樁身內(nèi)力最大值隨樁基埋深變化曲線Fig.4 Changing curves of piles'maximum internal forces with embedded length under different inclinations

基礎(chǔ)內(nèi)力（樁基最大上拔力、最大下壓力和最大樁身彎矩）的影響。比較發(fā)現(xiàn)隨著樁基埋深增大，群樁基礎(chǔ)的變形略有減小，但總體上影響不大；樁基礎(chǔ)內(nèi)力總體上有所增加。在保證樁基埋深足夠的前提下，樁基埋深對群樁基礎(chǔ)的變形與內(nèi)力的影響并不顯著，但隨著樁的傾斜度增加，群樁基礎(chǔ)的變形和內(nèi)力場顯著減小。

3.2 樁徑的影響

保持樁基埋深50m、群樁圓周直徑12m都不變，改變樁徑D并保持鋼管樁壁厚t＝0.015D，比較不同樁徑時高樁承臺基礎(chǔ)的內(nèi)力及變形，結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、6可見，增大樁徑能顯著降低高樁承臺基礎(chǔ)的變形，但對樁基礎(chǔ)內(nèi)力影響不大。

3.3 群樁圓周直徑的影響

保持樁基埋深50m、樁徑2.4m不變，計算不同群樁圓周直徑情況下高樁承臺基礎(chǔ)的內(nèi)力及變形，結(jié)果如圖7、8所示。由圖7、8可見，隨著群樁圓周直徑的增大，樁基變形和樁身最大彎矩均出現(xiàn)增大的趨勢，但樁基上拔力和下壓力卻出現(xiàn)減小的趨勢。

圖5 不同傾斜度下樁基變形隨樁徑變化曲線Fig.5 Changing curves of piles'deformation with diameter under different inclinations

4 群樁基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化及承載力計算

以1∶6斜樁為例，按照JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算樁基的抗拔、抗壓承載力，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算樁截面的抗彎承載力，結(jié)果如表2所示。對于容量為3MW的風(fēng)機群樁基礎(chǔ)，如果采用1∶6的斜樁方案，樁基埋深40m、樁徑2.4m為最優(yōu)方案，可同時滿足樁基抗拔、抗壓和抗彎承載力的設(shè)計要求。該方案對應(yīng)的樁基泥面處水平位移為3.97cm，承臺轉(zhuǎn)角為0.0028rad。輪轂高度大于100m的風(fēng)機基礎(chǔ)的允許轉(zhuǎn)角為0.003rad［10］。因此，雖然基樁泥面處水平位移值較大（3.97cm），但其內(nèi)力和承臺轉(zhuǎn)角位移均滿足設(shè)計要求。

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5 結(jié) 語

本文對三向復(fù)雜荷載作用下海上風(fēng)電機組高樁承臺基礎(chǔ)的內(nèi)力及變形進行了計算分析，主要計算了海上風(fēng)電機組群樁基礎(chǔ)的典型荷載，并對影響高樁承臺基礎(chǔ)的主要設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析，建議高樁承臺基礎(chǔ)采用鋼管樁或鋼筋混凝土樁時，采用基樁內(nèi)力和承臺轉(zhuǎn)角為雙控標準計算高樁承臺基礎(chǔ)的復(fù)合承載力。同時對于高樁承臺基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化建議如下：

圖7 不同傾斜度下樁基變形隨群樁圓周直徑變化曲線Fig.7 Changing curves of piles'deformation with circle diameter under different inclinations

圖8 不同傾斜度下樁身內(nèi)力最大值隨群樁圓周直徑變化曲線Fig.8 Changing curves of piles'maximum internal forces with circle diameter under different inclinations

（1）樁長對群樁內(nèi)力和變形影響不大，但應(yīng)滿足樁基上拔和下壓承載力要求；

（2）樁基傾斜度大對群樁內(nèi)力和變形均較為有利，但應(yīng)綜合考慮施工等因素；

（3）增加群樁圓周直徑對控制樁基變形影響不大，但可有效降低樁身軸力，應(yīng)綜合考慮方案的經(jīng)濟性。

［1］浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院.江蘇東臺風(fēng)電場工程沿海灘涂對風(fēng)電機組基礎(chǔ)的影響及解決方案研究［R］.浙江：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2007.

［2］林毅峰，李健英，沈達，等.東海大橋海上風(fēng)電場風(fēng)機地基基礎(chǔ)特性及設(shè)計［J］.上海電力，2007（2）：153－157.

［3］郭杰鋒，朱斌，陳海君，等.高樁防撞墩動力大變形分析及基于能量控制的防撞設(shè)計新方法［J］.海洋工程，2010，28（1）：9－17.

［4］陳麗琴，張日向，潘澎.高樁承臺樁基計算［J］.中國水運，2006（5）：206－208.

［5］鄒新軍，陳少玉.豎向簡諧荷載下高承臺單樁的動力壓屈穩(wěn)定性［J］.公路交通科技，29（7）：52－57.

［6］張永亮，陳興沖.樁－土－承臺相互作用對城市曲線匝道橋抗震性能的影響［J］.公路交通科技，29（9）：64－69.

［7］朱斌，朱瑞燕，羅軍，等.高樁水平大變位性狀模型試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（4）：521－530.

［8］朱斌，姜英偉，陳仁朋，等.海上風(fēng)電機組群樁基礎(chǔ)關(guān)鍵問題的初步研究［J］.巖土工程學(xué)報，2011，33（S1）：91－96.

［9］American Petroleum Institute （API）recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platformsworking stress design［S］. American Petroleum Institute，Washington，D.C.21st ed.API－RP2A，2000.

［10］FD 003—2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.