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。

［1］ 黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華．海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．海洋工程，2009，27（2）：130-134．

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