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        海上風(fēng)電大直徑單樁沉樁疲勞分析

        2021-05-19 10:21:24李懷剛張積樂
        山東電力技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:沉樁單樁樁體

        李懷剛,張積樂,許 立

        (山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

        0 引言

        海上風(fēng)力發(fā)電因具有海上風(fēng)資源豐富、湍流強(qiáng)度小、靠近能源負(fù)荷中心、不存在土地占用問題等優(yōu)勢,逐漸成為全球風(fēng)電領(lǐng)域的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)[1]。研究表明,相對于陸地,海上的風(fēng)速提高20%,發(fā)電量就增加70%,積極合理開發(fā)海上風(fēng)電意義重大[2-3]。海上風(fēng)電作為一種清潔能源,社會效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯,備受關(guān)注。隨著技術(shù)提升和經(jīng)驗積累,我國海上風(fēng)電逐步進(jìn)入大發(fā)展期。截至2019 年底,我國海上風(fēng)電累積裝機(jī)約684 萬kW,已招標(biāo)未建設(shè)項目約2 132.5萬kW,容量巨大,市場前景廣闊。

        已運行的海上風(fēng)電場中,單樁是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式,比例達(dá)到80%[4]。單樁基礎(chǔ)的優(yōu)點是受力明確、施工較為簡便快捷,且適應(yīng)性強(qiáng)。單樁基礎(chǔ)通常為大型鋼管樁,單根直徑4~8 m 甚至更大,樁長數(shù)十米甚至超過百米,采用大型沉樁機(jī)械打入海床,上部通過法蘭或連接段與塔筒連接。

        與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電遠(yuǎn)離陸地,受波浪、海流、強(qiáng)腐蝕等影響,工作環(huán)境更為復(fù)雜。海上環(huán)境惡劣,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長期受到循環(huán)載荷作用,設(shè)計使用期內(nèi)長期承受波浪、海流及風(fēng)荷載的反復(fù)作用,設(shè)計試驗期內(nèi)一般反復(fù)作用的次數(shù)達(dá)到1 000 萬次以上,易發(fā)生疲勞破壞[5]。沉樁疲勞對樁體整體疲勞影響明顯,樁基設(shè)計應(yīng)計入沉樁造成的疲勞損傷的影響[6-7]。目前對風(fēng)、波浪疲勞已有較多研究,但對沉樁階段的疲勞研究卻不多。

        GRLWEAP 程序基于一維波動方程分析法,可模擬沖擊或振動沉樁機(jī)在打入過程中樁的運動及受力情況。運用GRLWEAP 軟件對大直徑單樁進(jìn)行可打性分析,與工程符合度較好,已得到業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。通過可打性分析可得出錘擊次數(shù)及樁身應(yīng)力情況,為疲勞分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。結(jié)合渤海某擬建海上風(fēng)電項目,開展大直徑單樁沉樁疲勞的詳細(xì)分析,研究沉樁疲勞的影響因素及疲勞水平,為類似工程設(shè)計提供了科學(xué)參考。

        1 沉樁分析

        1.1 工程概況

        渤海海上風(fēng)能儲備豐富,在國家積極開發(fā)和利用可再生能源的戰(zhàn)略背景下,渤海近海風(fēng)電場的建設(shè)勢在必行[8]。研究的擬建風(fēng)電場位于山東渤海海域,水深30~32 m,風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量5.2 MW,設(shè)計使用年限25年。

        基于國內(nèi)外海上風(fēng)電場的建設(shè)經(jīng)驗,結(jié)合本工程的特點及國內(nèi)海洋工程、港口工程的施工能力,排除了重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ),初步擬定單樁基礎(chǔ)、水下三樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)4種代表性基礎(chǔ)方案進(jìn)行方案設(shè)計、分析和比選。

        考慮結(jié)構(gòu)、施工、工程經(jīng)濟(jì)性等因素,對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用單樁、水下三樁、導(dǎo)管架及高樁承臺基礎(chǔ)方案進(jìn)行了綜合比較后,認(rèn)為單樁基礎(chǔ)方案結(jié)構(gòu)簡單,且隨著我國江蘇、廣東海域近海風(fēng)電場的建設(shè)發(fā)展,單樁基礎(chǔ)的施工技術(shù)越來越成熟,其施工簡便與工期短的優(yōu)勢逐步在各個風(fēng)電場施工過程中得以體現(xiàn)。因此擬采用單樁基礎(chǔ)作為本工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方案。

        主體結(jié)構(gòu)采用大型海工分析設(shè)計軟件SACS 進(jìn)行計算分析,經(jīng)過靜力及動力分析后,確定單樁基礎(chǔ)樁徑6.0~7.8 m,壁厚65~75 mm。鋼管樁分3 段,上段為圓管,直徑6.0 m,中段為過渡錐段,直徑6.0~7.8 m,下段為圓管,直徑7.8 m。

        1.2 計算原理

        動力沉樁是一個涉及樁-錘-土三者相互作用的復(fù)雜問題,影響沉樁順利進(jìn)行的因素較多。沉樁時,錘擊能量須克服土對樁的阻力把樁擊入土中。沉樁的過程就是破壞樁土原有的靜力平衡,使樁體下沉,直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過程。

        對于大直徑、超長樁,慣用的動力沉樁公式已無法解決預(yù)測樁的承載力等問題,因為其將沉樁過程看成是兩個絕對剛體自由碰撞問題,認(rèn)為錘擊能力瞬間就傳遞到樁底,但實際上沉樁的能量是以一種應(yīng)力波的方式向下傳遞,所以采用波動方程能給沉樁過程提供較為合理的分析[9]。

        波動方程分析方法是將整個打樁系統(tǒng)抽象化成由許多離散的單元組成,樁錘、樁帽、墊層(錘墊及樁墊)以及樁身部分均由無質(zhì)量的彈簧模擬,各部分的質(zhì)量則由不可壓縮的剛性塊體來模擬。樁周土體的彈性、塑性動阻力與靜阻力也分別用彈簧、摩擦鍵及緩沖壺來模擬。樁錘對樁的一次錘擊可轉(zhuǎn)化為樁-錘-土系統(tǒng)的動力學(xué)問題來分析。

        采用GRLWEAP 軟件對單樁基礎(chǔ)的沉樁過程進(jìn)行模擬計算。GRLWEAP 程序用于模擬沖擊或振動沉樁機(jī)在打入過程中樁的運動及受力情況,可全面模擬樁錘、沉樁系統(tǒng)、樁和土的性能。考慮土阻力時的一維波動方程表述如式(1)[9-10]所示。

        式中:ω為樁內(nèi)某截面沿Z軸向的位移;t為時間;c為應(yīng)力波在樁內(nèi)的傳播速度,c=,其中E為彈性模量,ρ為質(zhì)量密度;z為樁截面位置坐標(biāo);R′為反映樁的土阻力參數(shù)項。

        1.3 單樁基本參數(shù)

        單樁基礎(chǔ)為一根中空鋼管樁,長度100 m,設(shè)計入土深度56 m,壁厚65~75 mm。樁體分段組成詳見表1。樁2 段為變截面過渡段,其頂部與樁1 段連接處為6 000 mm,尾部與樁3 段連接處為7 800 mm,故其為區(qū)間值。單樁材料采用海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼,等級DH36,正火Ⅰ級探傷板,屈服強(qiáng)度為355 MPa,彈性模型210 GPa,泊松比0.3,密度7 850 kg/m3。

        表1 樁的組成表(從樁頂?shù)綐兜祝?/p>

        1.4 樁錘參數(shù)

        液壓式IHC 系列沉樁錘結(jié)合了完整一體的錘芯和全封閉沉樁錘殼體兩大特點,是一種設(shè)計別致且加固可靠的沉樁錘。該沉樁錘適用于大而長的海上平臺管樁以及其他各種樁和地面基礎(chǔ)工程,包括水下全能量碎石。液壓沉樁錘具有操作方便,性能穩(wěn)定的特點,是當(dāng)今世界上主流的打樁錘。

        結(jié)合對國內(nèi)同類工程的調(diào)查,須采用大型液壓打樁錘,經(jīng)調(diào)研滿足沉樁需求的1 800 kJ的大型打樁錘國內(nèi)有20 余臺,1 200 kJ 的大型打樁錘數(shù)量較多,因此確定以1 800 kJ 的大型打樁錘作為首選錘型,1 200 kJ 的大型打樁錘作為備選錘型。沉樁分析時選用的樁錘為IHC S-1200 及IHC S-1800,不使用樁墊,樁錘效率按90%考慮,其基本參數(shù)見表2。

        表2 樁錘基本參數(shù)

        1.5 土層參數(shù)

        根據(jù)地質(zhì)勘察報告,勘測土層厚度為75 m,從上到下分為10 層,主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂等類型。各土層基本參數(shù)見表3。

        樁側(cè)土的阻尼,砂土取為0.164 s/m,黏土取為0.65 s/m,樁端土取0.5 s/m。

        樁周土的彈性變形值,樁側(cè)土取為2.54 mm,樁端土取為2.54 mm。

        根據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗[1],大直徑開口鋼樁在連續(xù)打樁過程中幾乎不形成土塞,因此分析中不考慮土塞效應(yīng)。

        表3 土層參數(shù)

        1.6 沉樁結(jié)果分析

        1)樁土阻力計算。

        以S-1200樁錘為例,在GRLWEAP軟件中,輸入土層參數(shù)及樁體參數(shù),選用簡單土類型方法(即ST方法)進(jìn)行樁身阻力計算,樁身阻力分布情況如圖1所示。第1層土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,分布在頂部4.4 m 范圍,單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力極??;第2層為粉土,單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力均有明顯增加;第3 層為粉質(zhì)黏土,單位樁側(cè)阻力明顯增加,但單位樁端阻力增加較少;第4層和第5層分別為粉土及粉砂,單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力均大幅增加;第6 層粉質(zhì)黏土單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力呈現(xiàn)局部凹陷趨勢,強(qiáng)度明顯低于相鄰?fù)翆?;? 層和第8 層分別為粉土和細(xì)砂,單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力值達(dá)到峰值;第9 層粉質(zhì)黏土的單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力值有所下降??梢娚巴翆拥膯挝粯秱?cè)阻力及單位樁端阻力值明顯高于黏土層。粉土因黏粒含量和砂粒含量不同而表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì),第2 層粉土更接近于黏土,第4 層和第7 層更接近于砂土性質(zhì)。

        從樁身阻力沿樁長分布角度分析,樁身阻力表現(xiàn)出上小下大的趨勢,以21.5 m 為界,下部土層樁身阻力明顯大于上部土層。沉樁過程主要是克服下部土層的樁身阻力。

        2)沉樁分析結(jié)果。

        經(jīng)計算,S-1200 沉樁錘將單樁打入設(shè)計標(biāo)高所需錘擊數(shù)約為2 578 擊;最大動應(yīng)力為92 MPa,滿足美國API RP2A—WSD 標(biāo)準(zhǔn)對動應(yīng)力限值的要求[11]。壓應(yīng)力約為90 MPa,拉應(yīng)力約為60 MPa,此處局部應(yīng)力集中系數(shù)按1.0 考慮,由此得到應(yīng)力幅值約150 MPa。

        圖1 樁身阻力

        沉樁過程模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,極限承載力與錘擊數(shù)變化規(guī)律與樁身阻力分布情況基本一致,極限承載力最大值出現(xiàn)在泥下50 m 處,其值為64 835 kN。單位貫入度錘擊數(shù)變化范圍在0~128 擊,最大值出現(xiàn)在泥下50 m 處。錘擊能量在22 m 以后基本穩(wěn)定在880 kJ,錘擊沖程在22 m 以后基本穩(wěn)定在2.02 m。樁在自沉階段,受自重和樁錘壓力,下沉可達(dá)到22 m,淺表層沉樁錘擊數(shù)為0,容易出現(xiàn)溜樁問題,建議沉樁開始時控制錘的能量,采取相應(yīng)措施,確保沉樁的正常進(jìn)行。

        圖3為樁頂力變化曲線,圖4為樁頂速度變化曲線,樁頂端的力及速度隨L/c(樁長L與應(yīng)力波波速c的比值)及時間波動變化。樁頂端力在3.9 ms 時達(dá)到最大值152 522 kN,樁頂端速度在3.9 ms時達(dá)到最大值2.165 m/s。兩條曲線的波動趨勢基本相同,擬合程度很高,表明錘擊能量在樁身中以波動形式傳播,驗證了波動理論在大直徑單樁沉樁分析中的有效性。

        圖2 沉樁過程模擬結(jié)果

        采用同樣分析方法,對應(yīng)得到S-1800 沉樁錘擊數(shù)約為1 974擊,最大動應(yīng)力為101 MPa,壓應(yīng)力約為100 MPa,拉應(yīng)力約為60 MPa,局部應(yīng)力集中系數(shù)按1.0考慮,應(yīng)力幅值約160 MPa。

        圖3 樁頂力變化曲線

        圖4 樁頂速度變化曲線

        通過對兩種不同型號樁錘沉樁全過程的分析,發(fā)現(xiàn)樁身最大應(yīng)力隨樁錘額定功率的增加而增大。S-1200 沉樁錘對應(yīng)的最大動應(yīng)力為92 MPa,S-1800沉樁錘對應(yīng)的最大動應(yīng)力為101 MPa,均不超過樁身鋼材屈服強(qiáng)度的80%~90%,滿足API RP2A—WSD標(biāo)準(zhǔn)對動應(yīng)力限值的要求。兩種樁錘型號均滿足規(guī)范要求。

        S-1200 沉樁錘及S-1800 沉樁錘對應(yīng)的沉樁擊數(shù)分別為2 578擊及1 974擊。結(jié)合對國內(nèi)同類海上風(fēng)電工程沉樁情況的調(diào)研,兩種型號的樁錘都可用于沉樁施工。

        2 疲勞分析

        疲勞是海工結(jié)構(gòu)失效的常見原因,對于始終承受循環(huán)動力荷載的海洋工程結(jié)構(gòu)而言,疲勞分析顯得尤為重要。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的樁體疲勞主要包括兩個方面,一是在位疲勞,包括波浪、風(fēng)機(jī)荷載等引起的樁體疲勞;二是沉樁及運輸引起的樁身疲勞。此處主要研究沉樁引起的樁體疲勞問題。

        鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析采用基于Palmgren?Miner 線性損傷理論的S-N曲線方法進(jìn)行分析計算,計算公式為

        式中:N為疲勞失效循環(huán)次數(shù);m為S-N曲線斜率的負(fù)倒數(shù);lga為lgN軸上的截距;tref為參照厚度,此處取為25 mm;t為最可能發(fā)生裂紋的厚度,此處取75 mm;Δσ為應(yīng)力幅值;k為疲勞強(qiáng)度的厚度指數(shù)。

        依據(jù)挪威船級社DNVGL 標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RPC203《Fatigue design of offshore steel structures》,考慮厚度的影響,根據(jù)單樁基礎(chǔ)的位置及所處環(huán)境,給出參考S-N曲線的參數(shù),詳見表4。在實際疲勞設(shè)計中,把焊接節(jié)點分為幾個類別,每個類別的節(jié)點都有其對應(yīng)的S-N曲線。單樁基礎(chǔ)各樁段之間采用坡口對接焊縫,一般認(rèn)為大直徑單樁可按板的對接焊縫考慮,對應(yīng)的S-N曲線一般為C1 或D。C1 曲線對加工制造要求很高,所有焊縫都須打磨至與板表面齊平,此外對焊接加工環(huán)境和檢測都有嚴(yán)格要求,加工成本較高。D 曲線對加工制造要求相對寬松,可降低施工難度,加快施工速度,實際工程中選用較多。結(jié)合擬建風(fēng)場的實際情況,此處曲線類型選為D。

        表4 S-N曲線取值參數(shù)

        疲勞分析按式(3)計算[6]。

        式中:FDFF為疲勞安全系數(shù),此處取3;Dc為疲勞損傷;ni為應(yīng)力組i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Ni為常應(yīng)力幅值Δσi作用下產(chǎn)生疲勞失效的預(yù)計循環(huán)次數(shù),可根據(jù)式(2)計算得出;u為應(yīng)力組個數(shù)。

        S-1200 分析結(jié)果對應(yīng)DNVGL-RP-C203 的D 曲線,考慮到沉樁時陰極保護(hù)可能尚未完成安裝,此處偏安全取用在海水中自由腐蝕的S-N曲線,按照式(2)計算得到N約為74 551 次。按照式(3)計算樁身疲勞為

        得到此時對應(yīng)的疲勞損傷約為0.1。若沉樁時陰極保護(hù)已起到保護(hù)作用,則采用海水中有陰極保護(hù)的S-N曲線,對應(yīng)的N約為92 700 次,相應(yīng)的疲勞損傷為0.083。

        此外考慮到若打樁時間較短,單樁鋼結(jié)構(gòu)尚未能夠形成應(yīng)力腐蝕狀態(tài),此時大氣環(huán)境中的S-N曲線可能較為符合實際情況。采用大氣中的S-N曲線進(jìn)行相應(yīng)計算得到對應(yīng)的N約為223 590 次,相應(yīng)的疲勞損傷為0.035??梢园l(fā)現(xiàn),大氣中的S-N曲線對應(yīng)的疲勞損傷明顯小于海水中的S-N曲線。但大氣中的S-N曲線是否適用于沉樁疲勞分析還有待于進(jìn)一步的研究。

        采用同樣分析方法,S-1800 分析結(jié)果對應(yīng)海水中自由腐蝕的S-N曲線,N約為63 970 次,對應(yīng)的疲勞損傷為0.093。對應(yīng)海水中有陰極保護(hù)的S-N曲線,N約為76 380次,對應(yīng)的疲勞損傷為0.078。對應(yīng)大氣中的S-N曲線,N約為184 233 次,對應(yīng)的疲勞損傷為0.032。

        可見不同S-N曲線、不同的沉樁環(huán)境、不同沉樁錘型等因素對疲勞損傷均有影響,設(shè)計時應(yīng)合理考慮,確保樁體的安全及經(jīng)濟(jì)合理性。

        3 結(jié)語

        由于海上環(huán)境的復(fù)雜性,海上沉樁需要進(jìn)行可打性分析,實踐證明運用基于一維波動方程分析法的GRLWEAP 軟件進(jìn)行可打性分析是一種有效手段。

        在沉樁分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,基于S-N曲線可以較方便地評估單樁沉樁疲勞損傷情況。結(jié)合渤海海域某擬建海上風(fēng)電場,評估得到該大直徑單樁沉樁疲勞損傷在0.1 左右,沉樁疲勞不可忽視,可為類似工程提供參考。

        沉樁疲勞損傷與樁錘型號、土層分布情況、樁體參數(shù)、S-N曲線等多種因素有關(guān),需要結(jié)合工程實際情況合理分析,確保樁體設(shè)計安全合理。

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