摘 要:海上風電單樁基礎的上部風機通過樁套管連接到下部樁基上,然后在兩者中間進行灌漿。在風、波浪、水流的聯(lián)合作用下,樁套管和樁基連接段將受到較大荷載,其強度和穩(wěn)定性對整個結(jié)構(gòu)至關重要。文章分別對外套管、樁基和中間的水泥灌漿的強度進行了計算,結(jié)果表明單樁結(jié)構(gòu)的各個部分都滿足強度要求。
關鍵詞:海上風機;樁套管;樁基礎;等效應力
1 概述
我國有著豐富的海上風能資源。我國東部沿海水深3m~15m的海域面積遼闊,可利用風能資源是陸上的三倍,即750GW,而且距離電力負荷中心很近,隨著海上風力發(fā)電技術的成熟,經(jīng)濟上可行,將來必成為重要的可持續(xù)發(fā)展資源。
對于海上風電基礎的研究,大多數(shù)集中在風、浪、流作用下整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定的研究[1][2],而對于樁套管和樁基連接段,由于內(nèi)外層由鋼管和水泥漿組成,在水中受到波浪力、水流力的作用,對其穩(wěn)定性和強度提出了更高的要求。采用雙圓夾層鋼管及水泥漿的組合結(jié)構(gòu)型式隔水套管,基本結(jié)構(gòu)是在兩層鋼管之間灌注一定高度的固定用的水泥漿,其水泥漿高度可以根據(jù)計算而優(yōu)化確定,如圖1所示。
文章主要研究了單樁形式海上風電基礎的樁套管和樁基連接段,通過整體分析得到的各個部分的節(jié)點位移作為已知條件,使用大型有限元分析軟件ANSYS[3]分別對樁套管、樁基礎和中間的水泥漿的強度進行了研究,為今后該問題的研究提供了一種方法。
2 樁套管與樁基連接段的應力分析
單樁結(jié)構(gòu)作為海上風機基礎的基本形式之一,在歐洲近海領域有廣泛應用[4]?,F(xiàn)結(jié)合某項目工程實例,研究單樁結(jié)構(gòu)的樁套管和樁基連接段處的強度和穩(wěn)定性,其基本形狀和內(nèi)部剖面圖如圖2所示,基本參數(shù)如下。
(1)樁套管、樁尺寸
套管:外徑4.5米,壁厚0.03米,長度6米;
樁:外徑4.3米,壁厚0.06米。
(2)材料參數(shù)
水泥漿:彈性模量:3.0×1010pa,泊松比:0.2,極限抗壓強度:27Mpa;
鋼管:彈性模量:2.1×1110pa,泊松比:0.3;
外管屈服強度:325Mpa,內(nèi)管屈服強度:275Mpa。
(3)環(huán)境參數(shù)
按照臺風工況進行計算,平靜狀態(tài)下水深10米,極端高水位:4.16米,波高8.3米,周期11.7秒,水流流速:1m/s。
2.1 模型建立
由于鋪設防沖刷塊石,不考慮泥面沖刷,因此泥面高程為-10米。為了簡化計算,文章把樁底簡化為固定端固定在泥面以下H(m)處,H值按經(jīng)驗公式確定:對淤泥,H=(7~8.5)D,D為樁外徑;對硬粘土,H=(3.5~4.5)D;缺乏土壤資料時,H=6D;文章采用6D,樁底高程-46米。
對于鋼管與水泥漿節(jié)點進行耦合,不考慮二者之間的滑移,水泥灌漿將套管灌滿。水泥漿應力-應變關系采用Hognestad模型[5]。建立完畢的樁套管有限元模型如圖3所示。
對于荷載邊界條件采用位移加載,由前面環(huán)境參數(shù)工況下的樁身各點位移和泥面處位移來作為荷載邊界條件。單樁結(jié)構(gòu)樁身位移如表1所示。
2.2 計算結(jié)果
根據(jù)約束條件和荷載條件得到計算結(jié)果如圖4~圖6所示。
由以上各圖可知,外套管受到的最大等效應力為144Mpa,小于屈服應力325Mpa;樁基最大等效應力為152Mpa,小于屈服應力275Mpa;水泥漿最大等效應力為17.9Mpa,小于極限抗壓強度27Mpa,由此可見,在臺風工況下該結(jié)構(gòu)安全,不會發(fā)生破壞。
3 結(jié)束語
文章采用有限元分析軟件ANSYS計算了臺風工況下單樁結(jié)構(gòu)的外套管、樁基和中間的水泥灌漿的強度,各部分材料性質(zhì)與真實材料一致,水泥漿應變-應變關系采用Hognestad模型,荷載邊界條件采用位移加載。從文章得到的結(jié)果來看,單樁基礎連接段的外套管、樁基和水泥漿的等效應力均遠小于屈服應力,可見在臺風工況下,風機基礎該部分的安全性可以保證。
參考文獻
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[2]陳法波.海上風機結(jié)構(gòu)動力反應分析[D].大連理工大學,2010.
[3]博嘉科技.有限元分析軟件ANSYS融會與貫通[M].中國水利水電出版社,2002.
[4]王鳳云,王輝.國內(nèi)外海上風電場現(xiàn)狀及其基礎設施研究[J].中國造船,2011,52:587-594.
[5]楊進,劉書杰,謝仁軍.ANSYS在海洋石油工程中的應用[M].石油工業(yè)出版社,2010.
作者簡介:郭曉玲(1988,03-),女,漢族,山西大同人,碩士學歷,現(xiàn)就職于國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心,實審審查員,主要從事水利領域?qū)@麑彶楣ぷ鳌?/p>