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        翼板剛度與埋深對(duì)加翼樁水平承載性能影響分析

        2018-03-20 03:24:08陳燦明何建新王曦鵬蘇曉棟黃衛(wèi)蘭
        關(guān)鍵詞:承載力水平影響

        陳燦明,何建新,王曦鵬,蘇曉棟,黃衛(wèi)蘭

        作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的鋼管樁為了承受巨大的風(fēng)、浪、流等水平荷載,其直徑越來(lái)越大,施工難度也顯著增加[1-2]。加翼樁作為大直徑單樁基礎(chǔ)的改進(jìn)型式,通過(guò)設(shè)置翼板,在保證樁基水平承載力的基礎(chǔ)上減小基樁樁徑,從而降低施工難度和節(jié)約成本,進(jìn)一步推動(dòng)海上風(fēng)電的發(fā)展。2016年南京水利科學(xué)研究院設(shè)立了中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目《用于提高水平承載能力的加翼樁研究》,研究加翼樁翼板面積、形狀、剛度、埋深等因素對(duì)加翼樁水平承載力的影響,為新型結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。本文主要介紹翼板剛度和埋深對(duì)加翼樁水平承載性能影響的計(jì)算分析結(jié)果[3-4]。

        1 計(jì)算模型與相關(guān)參數(shù)

        以江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)大直徑單樁基礎(chǔ)為計(jì)算模型,大直徑鋼管樁樁長(zhǎng)73.0 m,入土深度55.0 m,樁徑5.0 m,壁厚0.08 m。加翼樁采用一樁四翼對(duì)稱(chēng)布置,翼板材質(zhì)和厚度與樁體相同,規(guī)定翼板長(zhǎng)度為水平向,寬度為豎向,加翼樁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

        圖1 加翼樁結(jié)構(gòu)示意圖

        基于A(yíng)BAQUS軟件,建立三維實(shí)體有限元模型,水平向樁周土體取25倍樁徑,土層總厚度取1.3倍入土深度。網(wǎng)格沿深度方向0.1 m~1.0 m間距劃分,樁周環(huán)向按0.5 m間距加密網(wǎng)格。土體全局范圍按每隔10.0 m劃分一個(gè)單元,樁周土體作網(wǎng)格細(xì)化處理,樁體和土體單元采用C3D8R單元。鋼板采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型,地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。樁-土接觸面采用主面-從面接觸對(duì)算法計(jì)算,接觸面單元設(shè)置為法向“硬接觸”,摩擦系數(shù)μ按罰剛度法計(jì)算[5-7]。有限元模型以土體底面中心為坐標(biāo)系原點(diǎn),土體底面所在平面為 XY平面,基樁軸線(xiàn)為Z向,水平荷載沿 X軸通過(guò)翼板中心線(xiàn)加載。模型底部邊界設(shè)置固定約束,四周邊界設(shè)置水平位移約束。以某5MW級(jí)海上風(fēng)電機(jī)組為模型,考慮水平向風(fēng)、浪、流等荷載,按50年一遇荷載組合工況,計(jì)算時(shí)將水平荷載簡(jiǎn)化為集中力沿一組翼板中心線(xiàn)作用于距泥面18 m的樁頂橫截面中心。

        鋼管樁及翼板為Q345鋼,密度7 850 kg/m3,彈性模量206 GPa,泊松比0.3。地基為粉質(zhì)黏土,密度 1 960 kg/m3,黏聚力 25.0 kPa,內(nèi)摩擦角 14°,泊松比0.3,土體彈性模量按4倍壓縮模量取值為30.0 MPa[8-9]。假定加翼樁最大應(yīng)力達(dá)到材料允許強(qiáng)度或樁身泥面處傾斜率達(dá)到4‰時(shí),為水平極限承載狀態(tài)[10-11]。

        對(duì)建立的模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證,通過(guò)海洋高樁基礎(chǔ)水平大變位模型試驗(yàn)結(jié)果[12-13]的對(duì)比,水平荷載作用下樁身屈服前后不同深度樁身彎矩和位移試驗(yàn)值與模型計(jì)算值吻合較好。

        2 翼板剛度的影響分析

        翼板剛度直接影響水平荷載作用下與土體相互作用后產(chǎn)生的彎曲變形,由于材料特性、厚度、結(jié)構(gòu)形式等因素影響其剛度,計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)化以面積5 m×5 m、壁厚0.08 m、上緣與泥面同高的鋼翼板為基準(zhǔn),取相對(duì)剛度(EI/E0I0)為 0.6、0.8、1.0、2.0 和4.0的翼板進(jìn)行計(jì)算分析,分別以 FPEI1、FPEI2、FPEI3、FPEI4和 FPEI5表示。

        2.1 樁身位移

        根據(jù)計(jì)算,得到翼板剛度與泥面處水平位移關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2,12.0 MN荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0的加翼樁水平位移云圖見(jiàn)圖3。計(jì)算結(jié)果表明:泥面處水平位移隨翼板剛度增大而減小,但影響程度總體較小,翼板相對(duì)剛度4.0比相對(duì)剛度為0.6的加翼樁在1.5 MN和12.0 MN荷載作用時(shí)泥面處水平位移分別只降低1.4%和2.3%。

        樁身水平位移初始零點(diǎn)位置隨翼板剛度增大而升高,1.5 MN~12.0 MN作用時(shí)樁身水平位移初始零點(diǎn)出現(xiàn)在泥面下4.04D~4.92D范圍。

        圖2 翼板剛度與泥面處水平位移

        2.2 樁身彎矩

        根據(jù)計(jì)算,得到翼板剛度與樁身最大彎矩曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

        圖3 加翼樁FPEI5水平位移云圖(H=12.0MN)

        圖4 翼板剛度與樁身最大彎矩

        加翼樁樁身最大彎矩隨翼板剛度增大而先減小后增大,但總體影響效果較小,12.0 MN荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0比相對(duì)剛度0.6的加翼樁樁身最大彎矩值僅降低1.6%。

        加翼樁最大彎矩位置隨水平荷載增大而降低,隨翼板剛度增加而升高,水平荷載1.5 MN~13.5 MN作用時(shí)最大彎矩位置在泥面下0.68D~1.64D;極限荷載作用時(shí),最大彎矩位置在泥面下1.49D~1.52D。

        2.3 樁身應(yīng)力與水平極限承載力

        根據(jù)計(jì)算,得到不同翼板剛度加翼樁在12.0 MN水平荷載作用下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5,水平荷載作用下樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率見(jiàn)表1,不同剛度翼板加翼樁水平極限承載力與相應(yīng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表1、表2可得以下結(jié)論:

        (1)翼板剛度對(duì)加翼樁樁身最大應(yīng)力影響相對(duì)較大,翼板剛度越大樁身最大應(yīng)力越大,12.0 MN荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0比相對(duì)剛度0.6的加翼樁樁身最大應(yīng)力增大了14.9%。

        (2)翼板剛度對(duì)樁身與翼板連接處的應(yīng)力影響較樁身應(yīng)力的影響更大。隨著翼板剛度與樁身剛度比增大,翼板與樁身連接處應(yīng)力增大迅速,12.0 MN荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0比相對(duì)板剛度0.6時(shí)增大了221.8%。

        (3)樁基泥面處傾斜率隨翼板剛度增大而減小,12.0 MN水平荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0比相對(duì)剛度0.6的加翼樁樁基泥面處傾斜率降低了2.6%。

        (4)加翼樁水平極限承載力隨著翼板剛度增大而先增大后減小,當(dāng)翼板剛度與樁身剛度接近時(shí),極限承載力受泥面處傾斜率或樁身最大應(yīng)力控制,而當(dāng)翼板剛度明顯大于樁身剛度時(shí),極限承載力受翼板與基樁連接處最大應(yīng)力控制,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,相對(duì)剛度1.0~2.0為合理的翼板與樁身剛度比。

        圖5 不同翼板剛度加翼樁樁身應(yīng)力云圖(H=12.0 MN)

        3 翼板埋深的影響分析

        以面積5 m×5 m、壁厚0.08 m的鋼翼板為模型,分別取翼板埋深 Z(上緣至泥面的距離)為0 m、1.0 m、2.5 m 和 4.0 m(分別以 FPZ0、FPZ1、FPZ2 和FPZ3表示)的加翼樁模型計(jì)算,提取樁身變形、彎矩、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、泥面處樁身傾斜率和極限承載力等結(jié)果進(jìn)行分析[14-15]。

        3.1 樁身位移

        根據(jù)計(jì)算,得到翼板埋深Z與泥面處水平位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖6,12.0 MN水平荷載作用下翼板埋深1.0 m時(shí)加翼樁水平位移云圖見(jiàn)圖7。

        表1 不同翼板剛度樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率

        表2 不同翼板剛度極限狀態(tài)下水平承載力與最大應(yīng)力

        圖6 翼板埋深與泥面處水平位移關(guān)系

        圖7 翼板埋深1.0 m水平位移云圖(H=12.0MN)

        由圖6、圖7可看出,加翼樁泥面處水平位移隨翼板埋深增大先減小后增大,翼板埋深為1.0 m(0.2D)時(shí)加翼樁泥面處水平位移最小。12.0 MN水平荷載作用下翼板埋深1.0 m(0.2D)時(shí)比埋深為0.0 m的加翼樁泥面處水平位移降低5.6%,比翼板埋深 2.5 m(0.5D)和 4.0 m(0.8D)的加翼樁泥面處水平位移降低9.7%和12.5%。

        樁身水平位移初始零點(diǎn)位置隨翼板埋深 Z增大先升高后降低,水平荷載1.5 MN~12.0 MN作用時(shí)水平位移的初始零點(diǎn)位置在泥面下3.98D~4.85D 范圍。

        3.2 樁身彎矩

        根據(jù)計(jì)算,得到翼板埋深Z與樁身最大彎矩值關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。由圖8可看出,加翼樁在水平荷載作用下最大彎矩值位置隨著翼板埋深 Z的增大而先升高后降低,極限荷載作用時(shí)最大彎矩位置在泥面下(1.52~ 1.54)D。

        樁身最大彎矩隨翼板埋深 Z增大先減小而后增大,翼板埋深1.0 m時(shí)最小。12.0 MN水平荷載作用下翼板埋深為1.0 m時(shí)分別比翼板埋深為0.0 m、2.5 m和4.0 m的加翼樁樁身最大彎矩值降低1.5%、2.0%和3.5%。翼板埋深對(duì)樁身最大彎矩值的影響相對(duì)較小。

        圖8 翼板埋深與樁身最大彎矩值關(guān)系曲線(xiàn)

        3.3 樁身應(yīng)力與水平極限承載力

        根據(jù)計(jì)算,得到翼板不同埋深加翼樁在12.0 MN荷載作用下樁身應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9,水平荷載作用下樁身最大應(yīng)力和泥面處傾斜率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,不同翼板埋深加翼樁水平極限承載力及相應(yīng)應(yīng)力見(jiàn)表4。

        由表3、表4及圖9可知隨著翼板埋深 Z的增大,樁身最大應(yīng)力逐漸由樁前受壓區(qū)轉(zhuǎn)移至樁后受拉區(qū),樁前受壓區(qū)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在樁前下緣與基樁連接處,樁后受拉區(qū)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在樁后上緣與基樁連接處。

        表3 不同翼板埋深加翼樁樁身最大應(yīng)力與泥面處傾斜率

        表4 不同翼板埋深加翼樁水平極限承載力與相應(yīng)應(yīng)力

        圖9 不同翼板埋深加翼樁樁身應(yīng)力云圖(H=12.0 MN)

        翼板埋深對(duì)加翼樁樁身最大應(yīng)力的影響規(guī)律不甚明顯,但埋深為0.0 m時(shí)樁身最大應(yīng)力最小,12.0 MN 作用下,埋深為 0.2D、0.5D、0.8D 比埋深為 0.0 D時(shí)的最大樁身應(yīng)力分別增加 10.1%、8.7%和15.5%。

        加翼樁樁身傾斜率隨翼板埋深 Z的增大先減小后增大,翼板埋深0.2D時(shí)加翼樁樁身泥面處傾斜率最小。12.0 MN水平荷載作用下,翼板埋深0.2 D時(shí)比翼板埋深為0.0 D和0.8D的加翼樁樁基泥面處傾斜率分別降低了5.3%和9.6%。

        加翼樁水平極限承載力隨著翼板埋深 Z的增大先增大而后減小,翼板埋深0.2D時(shí)加翼樁水平極限承載力最大,為13.12 MN。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        以海上風(fēng)電場(chǎng)大直徑加翼樁為模型,基于A(yíng)BAQUS有限元構(gòu)建了加翼樁的三維數(shù)值仿真模型,選擇5種翼板剛度、4種翼板埋深,研究了其對(duì)加翼樁樁身位移、樁身彎矩、樁身應(yīng)力及水平極限承載力的影響。

        (1)隨著翼板剛度的增加,加翼樁泥面處水平位移隨之減小,而樁身彎矩先減小后增大,但影響程度不大。12.0 MN荷載作用時(shí),翼板相對(duì)剛度4.0時(shí)比相對(duì)剛度0.6時(shí)加翼樁水平位移減小2.3%,樁身彎矩僅降低1.6%。

        (2)翼板剛度對(duì)樁身最大應(yīng)力、樁身與翼板連接處應(yīng)力影響較大,12.0 MN荷載作用下翼板相對(duì)剛度4.0時(shí)比相對(duì)剛度0.6加翼樁樁身最大應(yīng)力增大了 14.9%,樁身與翼板連接處的應(yīng)力增大了221.8%。

        (3)加翼樁水平極限承載力隨著翼板剛度增大先增大而后減小,當(dāng)翼板剛度與樁身剛度接近時(shí),極限承載力受泥面處傾斜率或樁身最大應(yīng)力控制,而當(dāng)翼板剛度明顯大于樁身剛度時(shí),極限承載力受翼板與基樁連接處最大應(yīng)力控制,相對(duì)剛度1.0~2.0為合理翼板與樁身剛度比。

        (4)加翼樁泥面處水平位移隨著翼板埋深增大先減小而后增大,而最大彎矩值位置隨著翼板埋深Z的增大而先升高后降低。翼板埋深對(duì)水平位移的影響大于對(duì)彎矩的影響,翼板埋深1.0 m(0.2D)時(shí)比埋深4.0 m(0.8D)加翼樁泥面處水平位移降低12.5%,樁身最大彎矩降低 3.5%(12.0 MN)。

        (5)翼板埋深為0.0 m時(shí)加翼樁樁身最大應(yīng)力最小,埋深 Z對(duì)樁身最大應(yīng)力的影響規(guī)律不明顯。翼板埋深 1.0 m(0.2D)時(shí)比埋深 0.0 m、4.0 m(0.8D)樁身泥面處傾斜率分別降低了5.3%和9.6%。

        (6)加翼樁水平極限承載力隨著翼板埋深Z的增大先增大而后減小,翼板埋深0.2D時(shí)加翼樁水平極限承載力最大。

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