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        海上風(fēng)電四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載特性數(shù)值模擬研究

        2021-03-12 02:07:18孫煥鋒許海波陳鳳云
        水力發(fā)電 2021年12期
        關(guān)鍵詞:架結(jié)構(gòu)樁基承載力

        孫煥鋒,葛 暢,許海波,陳鳳云

        (1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 311122;3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

        0 引 言

        近年來,我國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展十分迅猛,到2019年底,全國海上風(fēng)電累計裝機(jī)593萬kW,風(fēng)電裝機(jī)占全部發(fā)電裝機(jī)的10.4%[1]。隨著海上風(fēng)電大力發(fā)展,海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式也越來越豐富。目前,國內(nèi)外較為常見的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式有單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、高承臺群樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、吸力桶式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。其中,導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一種由上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與四根角樁兩部分構(gòu)成的三維框架結(jié)構(gòu),因其剛度大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、適用水深范圍廣、對場地土體依賴性小等優(yōu)點(diǎn),近年來逐漸應(yīng)用于海上風(fēng)電領(lǐng)域中[2]。

        海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要受到上部風(fēng)機(jī)荷載和風(fēng)浪流等環(huán)境荷載作用,由于其為高聳結(jié)構(gòu),其荷載形式表現(xiàn)為彎矩和水平力較大,受到的豎向力相對較小[3]。目前國內(nèi)外對單樁基礎(chǔ)的承載特性已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[4-7],而關(guān)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載特性的研究相對較少[8-13]。數(shù)值模擬方面,袁志林等[8]采用ABAQUS建立了四樁導(dǎo)管架樁基水平承載特性的有限元模型,分析了水平土壓力系數(shù)對承載性能的影響。李光鑾等[9]通過ABAQUS建立了飽和粘土中的樁土模型,研究了導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平承載性能。Wen等[10]采用數(shù)值模擬的方法對沙土中的四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載特性開展了研究。室內(nèi)試驗(yàn)方面,朱斌等[11]采用離心機(jī)模型試驗(yàn)研究四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)在飽和砂土中的承載性能。鐘超等[12]建立導(dǎo)管架平臺縮尺模型,通過現(xiàn)場試驗(yàn)加載不同幅值與次數(shù)的循環(huán)荷載,研究了樁基弱化對導(dǎo)管架平臺水平承載性能的影響。祝周杰等[13]通過離心機(jī)模型試驗(yàn),研究了導(dǎo)管架基礎(chǔ)的p-y曲線并對其進(jìn)行修正。

        四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)因其開展海上現(xiàn)場試驗(yàn)非常困難而且需要大量的人力物力,成本高昂。本文以江蘇某海上風(fēng)電項目為研究背景,采用ABAQUS數(shù)值模擬方法,開展四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載特性分析研究,確定導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平承載力,分析樁基受力變形特性,研究結(jié)果可為海上風(fēng)電工程的導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

        1 工程概況

        江蘇某海上風(fēng)電場的海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與四根角樁結(jié)合。上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)長寬均為24 m,導(dǎo)管分兩種,一種直徑為1.1 m,壁厚為0.032 m,共有16根,另一種直徑為0.8 m,壁厚為0.024 m,共有8根。導(dǎo)管架基礎(chǔ)角樁采用4根直徑為3.0 m,樁長75 m,壁厚36 mm的鋼管直樁,角樁埋深約為49.4 m。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

        圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

        2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)數(shù)值模型

        2.1 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置

        四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)由上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和4根角樁兩部分構(gòu)成。其中,上部導(dǎo)管架機(jī)構(gòu)的主要作用是將海上升壓站所承受的風(fēng)、浪、波流等水平荷載傳遞給下部的4根角樁。采用ABAQUS建立四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)數(shù)值模型,將上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)簡化為空間桁架,如圖2所示。

        圖2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)ABAQUS數(shù)值模型

        角樁為鋼管樁,Q235材質(zhì),上部導(dǎo)管架與下部樁基均選用線彈性本構(gòu)關(guān)系。將上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)與下部樁基視為整體,不考慮下部樁基與上部結(jié)構(gòu)的滑移及摩擦。因?yàn)榻菢秳偠扰c土體差別較大,計算中容易發(fā)生不收斂現(xiàn)象,所以采用等效抗彎剛度法,將鋼管樁轉(zhuǎn)化為實(shí)心樁,對其密度以及楊氏模量進(jìn)行折減,折減后抗彎剛度不變,導(dǎo)管架與樁基參數(shù)見表1。土地基模型假設(shè)為長方體,土體模型長寬高分別為160、60、80 m,樁與邊界距離遠(yuǎn)大于10D,因此可忽略邊界效應(yīng)的影響。土體本構(gòu)模型選擇Mohr-Coulomb模型,為彈塑性體,為便于計算收斂,在對水平承載性能影響不大的情況下對土層進(jìn)行簡化,土層數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

        表1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型的材料參數(shù)

        表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

        2.2 樁-土接觸面接觸設(shè)置及邊界約束條件

        在ABAQUS中,設(shè)置樁周土體與樁基的接觸模型時,采用通用接觸,選擇主-從表面接觸算法,為了確保計算能夠收斂,將剛度較大的樁基表面設(shè)為主面,土體接觸面設(shè)為從面。接觸面切向接觸采用“罰”函數(shù)設(shè)置相應(yīng)摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)設(shè)為0.36,為了防止主-從接觸面對應(yīng)的網(wǎng)格發(fā)生入侵現(xiàn)象,對法向接觸采用硬接觸,即樁基與土體僅在完全壓密時才會傳遞法向應(yīng)力,當(dāng)樁基與土體間存在間隙時則不會傳遞法向應(yīng)力。同時,允許樁-土接觸面在接觸后分離。數(shù)值模型底部施加3個方向上的位移約束,使土體底部固定,對4個側(cè)面施加兩個方向的位移約束,僅讓土體在豎直方向發(fā)生變形,頂面則為自由面。

        2.3 劃分網(wǎng)格及平衡地應(yīng)力

        上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)。為了防止計算結(jié)果出現(xiàn)交替的梯形網(wǎng)格等嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變,即出現(xiàn)“沙漏模式”導(dǎo)致結(jié)果失真,下部樁基和地基模型采用八結(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)。樁周10D范圍內(nèi)對土體網(wǎng)格進(jìn)行加密。平衡地應(yīng)力的方法采用循環(huán)迭代導(dǎo)入odb文件法,在施加水平荷載之前,將重力賦加在數(shù)值模型,得到模型的初始地應(yīng)力。

        2.4 加載方式

        常規(guī)試樁試驗(yàn)中水平靜載試驗(yàn)一般采取水平維持荷載法,采用荷載加載方式,每隔一定時間測量水平位移[3]。數(shù)值模擬加載方式若采用水平力加載方式,結(jié)果只有該特定荷載下的水平位移,得到的是離散的水平荷載-位移(Q-s)點(diǎn)。因此,本數(shù)值模擬加載方式采取位移加載,能夠得到連續(xù)的連續(xù)的水平荷載-位移(Q-s)曲線。

        3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載力特性分析結(jié)果

        3.1 水平荷載-水平位移特性曲線

        通過對四樁導(dǎo)管架頂部兩點(diǎn)進(jìn)行水平位移加載進(jìn)行模擬分析,得到了導(dǎo)管架頂部水平荷載-水平位移曲線(Q-s)曲線,如圖3所示。從圖3可以看出,A點(diǎn)之前,水平位移隨著荷載的增加而線性增加;B點(diǎn)以后,水平位移隨著荷載的增加緩慢增加;C點(diǎn)(水平位移為0.2 m)以后,水平承載力曲線基本保持不變,承載力基本不再增長,說明C點(diǎn)處對應(yīng)的水平承載力即為該四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的極限水平承載力,為17 MN。

        圖3 承臺水平荷載-位移(Q-s)

        圖4為四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平方向上的樁土位移,為了便于觀察,將變形系數(shù)設(shè)為10倍。從圖4可以看出,靠近加載點(diǎn)一側(cè)的兩根樁有明顯的向上移動現(xiàn)象,遠(yuǎn)離加載點(diǎn)一側(cè)的兩根樁有明顯的向下移動現(xiàn)象,分別為上拔樁與下壓樁。

        圖4 水平方向上位移(放大10倍)

        3.2 水平荷載-豎向位移特性曲線

        由于導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較高,受到水平荷載時容易出現(xiàn)較大的傾覆彎矩。上拔樁及下壓樁頂部豎向位移隨著水平荷載的變化趨勢,如圖5所示。當(dāng)水平荷載較小時,上拔樁及下壓樁的豎向位移與水平荷載呈線性變化;隨著水平荷載逐漸增大,上拔樁開始出現(xiàn)上拔效應(yīng),當(dāng)荷載逐漸接近導(dǎo)管架基礎(chǔ)的極限承載力時,上拔樁豎向位移發(fā)生陡增現(xiàn)象,說明此時導(dǎo)管架基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。由于上拔樁的豎向位移對導(dǎo)管架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響較大,在進(jìn)行導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計時要注意上拔效應(yīng),從而避免上拔樁被拔出引起的基礎(chǔ)破壞。

        圖5 水平荷載-豎向位移曲線

        3.3 樁身變形和受力分析

        對C點(diǎn)(導(dǎo)管架頂部位移為0.2 m時)樁身撓度以及樁身應(yīng)力進(jìn)行分析。在導(dǎo)管架基礎(chǔ)達(dá)到極限荷載時,上拔樁和下壓樁的樁身撓度曲線基本一致,如圖6a所示。兩種樁的變形主要發(fā)生在泥面下深度7D的范圍內(nèi),深部樁基本不發(fā)生變形,這是因?yàn)闃痘A(chǔ)的樁徑比約為17,均屬于柔性樁。通過樁身應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管架基礎(chǔ)上拔樁和下壓樁出現(xiàn)最大樁身應(yīng)力的位置大約在泥面下3D處,上拔樁應(yīng)力約為下壓樁的1.5倍,該處為樁最有可能發(fā)生破壞,如圖6b所示。

        圖6 樁身受力變形

        4 結(jié) 論

        采用ABAQUS對江蘇某海域海上升壓站四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平承載性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到如下結(jié)論:

        (1)導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平荷載-水平位移(Q-s)特性曲線顯示水平位移為0.2 m(C點(diǎn))以后,水平承載力曲線基本保持不變,該四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的極限水平承載力為17 MN。

        (2)在導(dǎo)管架基礎(chǔ)達(dá)到極限荷載時,上拔樁和下壓樁的樁身撓度曲線基本一致,兩種樁的變形主要發(fā)生在泥面下深度7D的范圍內(nèi),深部樁基本不發(fā)生變形。上拔樁和下壓樁出現(xiàn)最大樁身應(yīng)力的位置大約在泥面下3D處,該處樁最有可能發(fā)生破壞。

        (3)當(dāng)水平荷載較小時,上拔樁及下壓樁的豎向位移與水平荷載呈線性變化;隨著水平荷載逐漸增大,上拔樁開始出現(xiàn)上拔效應(yīng),當(dāng)荷載逐漸接近導(dǎo)管架基礎(chǔ)的極限承載力時,上拔樁豎向位移發(fā)生陡增現(xiàn)象,說明此時導(dǎo)管架基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

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