文 | 劉莉媛，張浩，遲洪明

海上風(fēng)電機組單樁基礎(chǔ)振型和受力對比分析

文 | 劉莉媛，張浩，遲洪明

背景

一、單樁基礎(chǔ)概況

單樁基礎(chǔ)是海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中最簡單的基礎(chǔ)形式，也是目前應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式。它一般由鋼板卷制而成的焊接鋼管組成，樁和風(fēng)電機組塔架之間的連接可直接連接，也可采用套筒過渡段連接。套筒與樁基的連接一般采用灌漿連接，套筒直徑一般大于樁基直徑。單樁基礎(chǔ)通過樁基側(cè)面土體的抗力來承擔(dān)風(fēng)電機組荷載和各種環(huán)境荷載。單樁基礎(chǔ)通常相對于其他基礎(chǔ)形式中的樁基而言樁徑較大，直徑一般在3m－7m。

單樁基礎(chǔ)施工一般采用液壓錘或振動錘貫入海床，施工時通過打樁設(shè)備將單樁錘擊或壓入到海床以下一定深度，由于樁徑較大，通常采用專用的打樁錘來施工。

單樁基礎(chǔ)一般適用于水深小于30m且海床淺層土體較好的海域風(fēng)電場工程，尤其是在淺海水域，更能體現(xiàn)經(jīng)濟價值。

單樁鋼管樁基礎(chǔ)具有承載力高、沉降小且均勻、抗震性能好等特點，能夠較好地同時承受豎向荷載、水平荷載以及風(fēng)電機組運行產(chǎn)生的振動或動力作用，可打入較深的持力層，隨著我國鋼材產(chǎn)量的增加，鋼管樁防腐技術(shù)的發(fā)展以及新材料的研發(fā)，特別是針對近海惡劣的環(huán)境條件和地質(zhì)條件，單樁基礎(chǔ)以其較大的承載力，相對簡單的沉樁工藝、較小的排土量與良好的受力性能，在海上、陸上風(fēng)電場及海港工程中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

二、土約束分析方法

風(fēng)電機組基礎(chǔ)鋼管樁不僅承受自身和上部結(jié)構(gòu)的自重等豎向荷載，還要承受環(huán)境荷載導(dǎo)致的水平荷載和彎矩，對于機組基礎(chǔ)而言，水平荷載和彎矩的影響要遠大于豎向荷載。樁基水平承載力的計算方法主要有彈性分析法、復(fù)合地基反力法和數(shù)值計算法。在較大水平荷載條件下，一般采用彈塑性分析模型，目前應(yīng)用較為廣泛的是基于復(fù)合地基反力法的p-y曲線理論。p-y曲線法能較如實地反映土的非線性屬性，是工程界和學(xué)術(shù)界普遍接受的一種計算方法。目前國內(nèi)外的研究和工程設(shè)計主要還是基于美國石油學(xué)會的API規(guī)范中對于p-y曲線的描述，挪威船級社DNV規(guī)范中也有類似的規(guī)定，中國海洋石油總公司等同采用美國石油學(xué)會的API規(guī)范作為石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

因此，本文基于Abaqus有限元軟件和啟明星FDOW設(shè)計軟件，對于土約束的模擬采用p-y曲線法（基于API規(guī)范），對海上風(fēng)電機組整體模型的振型和周期以及單樁基礎(chǔ)在設(shè)計荷載下的受力性能進行了對比分析。

有限元模型

對于風(fēng)電機組整體模型的振型模態(tài)分析，在Abaqus和FDOW模型中，鋼管樁與上部塔筒均采用圓管截面的梁單元，風(fēng)電機組機艙和葉輪總質(zhì)量采用集中質(zhì)量單元進行模擬。

對于單樁基礎(chǔ)在設(shè)計荷載下的受力性能，在Abaqus軟件模型中分別采用梁單元和殼單元進行建模，施加相同的荷載和土體約束，在FDOW軟件模型中采用梁單元。兩軟件中土體約束采用p-y曲線法進行模擬，將極端工況下的應(yīng)力和正常工況下的變形計算結(jié)果進行對比分析。

一、基本參數(shù)

上部塔筒高度78m，由下至上分為16m（直徑4.5m－3.96m漸變，壁厚32mm）、26m（直徑3.96m，壁厚22mm）、36m（直徑3.96m－2.392m漸變，壁厚16mm）三段，機艙和葉輪總重240t。

單樁基礎(chǔ)模型分為過渡段和樁身兩部分，套筒漸變段高10m，直徑4.5m－6m由上至下漸變，壁厚60mm，樁身長70m，直徑6m，壁厚70mm，泥面以上樁長21m，泥面以下樁長49m。鋼管樁材料選用Q345。

設(shè)計荷載的選取，應(yīng)遵循樁基設(shè)計的首要原則，按照下列兩類極限狀態(tài)設(shè)計：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)指樁基達到最大承載力、整體失穩(wěn)或發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)指樁基達到建筑物正常使用所規(guī)定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值。對于樁基的結(jié)構(gòu)強度驗算，應(yīng)采用極端荷載工況，對于結(jié)構(gòu)變形的驗算，則應(yīng)采用正常運行工況。本文主要目的為對Abaqus和FDOW兩種軟件的模型進行對比，為規(guī)避環(huán)境荷載加載的差異性，目前僅將塔筒底部的風(fēng)電機組荷載施加于有限元模型中，單樁基礎(chǔ)荷載取值如表1所示。

表1 單樁基礎(chǔ)荷載工況及荷載取值

表2 地基土層參數(shù)表

地基各土層參數(shù)見表2，依據(jù)API規(guī)范公式，推導(dǎo)出各土層的p-y曲線，作為Abaqus有限元軟件的參數(shù)輸入樁身加載方向一側(cè)非線性彈簧約束中，來模擬土與鋼管樁的相互作用關(guān)系。FDOW軟件中將土參數(shù)輸入后，自動按p-y曲線法對土約束進行計算。

二、有限元模型建模

對于單樁基礎(chǔ)，梁單元模型采用Abaqus有限元軟件中的B31梁單元，截面采用Pipe形式，定義圓管外徑和壁厚，由于模型中有部分構(gòu)件截面為漸變，梁單元模型中將其分為多段，每段取中截面直徑，以近似模擬截面變化，風(fēng)電機組模態(tài)計算整體模型如圖1所示。單樁基礎(chǔ)模型如圖2所示，泥面以下樁側(cè)施加非線性彈簧約束，如圖3所示。殼單元模型采用Abaqus有限元軟件中的S4R殼單元，截面采用殼單元形式，過渡段為圓臺形式，分別定義壁厚即可。由于殼單元模型中鋼管樁側(cè)壁為殼面，施加非線性彈簧約束時，為保證不發(fā)生約束節(jié)點處的應(yīng)力集中，劃分單元時單元應(yīng)盡量小，而且需將彈簧施加至所有單元節(jié)點，如圖4所示。樁頂施加荷載時，可將頂端圓形邊界自由度耦合至一個參考點，將荷載施加于此參考點上。

三、FDOW模型建模

FDOW軟件為一款海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計軟件，建模時需將機組參數(shù)、地質(zhì)資料、環(huán)境資料、基礎(chǔ)參數(shù)、輔助設(shè)計等依據(jù)實際設(shè)計參數(shù)進行輸入，便可進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定

性、位移、樁基承載力等的計算分析。具體的參數(shù)取值和計算方法在此不再贅述。

計算結(jié)果對比分析

一、整體模態(tài)分析

Abaqus和FDOW軟件對海上風(fēng)電機組單樁基礎(chǔ)整體模型的振型和周期對比如圖5、圖6所示，可見兩軟件的計算結(jié)果十分接近。

二、單樁基礎(chǔ)應(yīng)力變形分析

單樁基礎(chǔ)梁單元模型在極端工況下的整體應(yīng)力云圖如圖7所示，在正常工況下的整體位移云圖如圖8所示。

單樁基礎(chǔ)殼單元模型在極端工況下的整體應(yīng)力云圖如圖9所示，泥面處局部應(yīng)力云圖如圖10所示，在正常工況下的整體位移云圖如圖11所示，泥面處局部位移云圖如圖12所示。

Abaqus有限元殼單元模型和梁單元模型與FDOW軟件的結(jié)算結(jié)果見表3，其中Abaqus殼單元模型中的位移，由于截面上各節(jié)點位移不同，因此將全截面節(jié)點的位移平均作為最終結(jié)果。由計算結(jié)果可以看出，梁單元模型應(yīng)力和位移均較殼單元模型小，梁單元模型與FDOW的應(yīng)力計算結(jié)果較為接近，應(yīng)力計算結(jié)果較FDOW計算結(jié)果偏小，位移計算結(jié)果較啟明星偏大。

表3 單樁基礎(chǔ)計算結(jié)果對比

結(jié)論

通過Abaqus有限元軟件和FDOW啟明星軟件分別對海上風(fēng)電機組整體模型和單樁基礎(chǔ)模型進行建模，對整體模態(tài)和單樁基礎(chǔ)的承載性能進行分析，得到如下結(jié)論和建議：

（一）Abaqus和FDOW軟件對海上風(fēng)電機組單樁基礎(chǔ)整體模型的振型和周期計算結(jié)果十分接近。

（二）單樁基礎(chǔ)Abaqus有限元梁單元模型應(yīng)力和位移均較殼單元模型小，殼單元模型能考慮鋼管截面剛度及其自身的變形，按殼單元模型計算結(jié)果進行設(shè)計更偏于安全。

（三）單樁基礎(chǔ)梁單元模型與FDOW的應(yīng)力計算結(jié)果較為接近，應(yīng)力計算結(jié)果較FDOW計算結(jié)果偏小，位移計算結(jié)果較FDOW計算結(jié)果偏大。

（四）鑒于海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)的重要性，建議在設(shè)計時應(yīng)采用至少兩種軟件進行對比分析，取其不利作為設(shè)計依據(jù)。

（作者單位：龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司）