陳學(xué)章，蒲 濤，彭德剛，鄭 中，周孝佳

( 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

作為海上風(fēng)電的重要組成部分，與陸上風(fēng)電相比，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要的技術(shù)難點(diǎn)在于其復(fù)雜的海上環(huán)境荷載作用[1]。由于海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度與工程造價(jià)成正比，若結(jié)構(gòu)的剛度較大，其工程造價(jià)將大幅度增加。一般而言，對于固定式基礎(chǔ)，海上風(fēng)機(jī)的整體剛度相對較小，結(jié)構(gòu)受力分析一直是基礎(chǔ)分析中的重難點(diǎn)[2-3]。

目前，海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要采用單樁基礎(chǔ)、高樁承臺和導(dǎo)管架基礎(chǔ)，樁基材料主要采用鋼管樁。王海軍[4]等對Y 型導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用筒型基礎(chǔ)的受力特征進(jìn)行了分析；楊鈺榮[5]等、王舸[6]等對大型海上單樁基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載下的受力變形特性進(jìn)行了研究；龔敏[7]等對海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)新型吸力桶型基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析；王秋慧[8]對海上風(fēng)電中PHC 群樁高樁承臺基礎(chǔ)的施工進(jìn)行了研究。最初，海上風(fēng)電工程建設(shè)的規(guī)范體系均是基于歐洲的DNV 規(guī)范[9]、美國的API 規(guī)范[10]，我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10105—2018《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]也相對完善，但主要基于鋼管樁基礎(chǔ)。而國內(nèi)外關(guān)于PHC 樁海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方面的研究還相對有限。

本文基于我國通用的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用非線性有限元理論，以越南某近海風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，研究PHC樁高樁承臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在工程中的靜力分析。

1 設(shè)計(jì)條件

本次分析選用越南某近海風(fēng)電場(以下簡稱“越南風(fēng)電場”)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為工程實(shí)例。越南風(fēng)電場場區(qū)海底地形起伏變化較小，泥面高程在-4.5 ～-1.0 m 之間。越南風(fēng)電場擬安裝83 臺單機(jī)容量為4.2 MW 的風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量350 MW。根據(jù)我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10101—2018《風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》[12]，越南風(fēng)電場工程規(guī)模為大型，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級為一級。參照國內(nèi)NB/T 10105—2018 的規(guī)定，越南風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的潮水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期50 a；其風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海況(海洋環(huán)境荷載或荷載效應(yīng))設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期50 a。

1.1 工程地質(zhì)及海洋水文

風(fēng)機(jī)布設(shè)區(qū)域主要屬于沿海平原的累積地形。地形表面比較平坦，地形高程范圍為-4.5 ～-1.0 m。

風(fēng)機(jī)區(qū)域鉆孔揭露地層如下：

①層表土：主要包括松散砂、軟塑狀黏性土等，混有植物根系、腐殖質(zhì)、貝殼等。厚度0.5 ～1.0 m。

②層淤泥、淤泥質(zhì)土：流塑狀，夾薄層砂，混貝殼。厚度15.8 ～17.0 m。標(biāo)貫擊數(shù)1 ～4 擊，平均擊數(shù)2 擊。

③黏性土：以可塑狀為主，局部為軟塑狀?；煊械[石。厚度32 ～36 m。標(biāo)貫擊數(shù)8 ～29 擊，平均擊數(shù)20 擊。

④層細(xì)砂：中密～密實(shí)，混黏性土，厚度約4.5 m，標(biāo)貫擊數(shù)30 ～31 擊。

⑤層黏性土：可塑～硬塑，厚度約12.5 m，標(biāo)貫平均擊數(shù)26 擊。

⑥層中細(xì)砂：密實(shí)，該層鉆探未揭穿，標(biāo)貫擊數(shù)30 ～37 擊，平均擊數(shù)33 擊。

風(fēng)電場區(qū)域海泥面以下土層的設(shè)計(jì)地質(zhì)參數(shù)見表1 所列。

表1 風(fēng)電場區(qū)域海泥面以下土層的設(shè)計(jì)地質(zhì)參數(shù)

該項(xiàng)目處于前期開發(fā)階段，缺乏海洋水文資料，參照使用項(xiàng)目周邊水文觀測站相關(guān)資料。由于篇幅所限，本文僅分析極端高潮位3.1 m、相應(yīng)的波高Hs=2.22 m、周期Tp=6.22 s 的情況。

1.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)及荷載資料

目前，計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)輪氣動荷載的方法主要有動量理論、葉素-動量理論和計(jì)算流體力學(xué)模擬等。葉素-動量理論模型比較簡單，計(jì)算量較小，在實(shí)際工程中被廣泛用于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所考慮的風(fēng)機(jī)荷載為風(fēng)機(jī)及塔筒等上部結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載、機(jī)組自重等作用傳遞至塔筒底部的荷載，由風(fēng)機(jī)廠家計(jì)算并提交設(shè)計(jì)使用。本次分析以某4.2 MW 海上風(fēng)機(jī)作為推選機(jī)型進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)機(jī)荷載見表2 所列。

2 PHC高樁承臺基礎(chǔ)布置

越南風(fēng)電場當(dāng)?shù)氐母劭诤０兜裙こ探ㄔO(shè)主要采用PHC 樁，本次風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用PHC 樁高樁承臺方案。

高樁承臺基礎(chǔ)即群樁式高承臺基礎(chǔ)，為海岸碼頭和橋墩基礎(chǔ)的常見結(jié)構(gòu)，由基樁和承臺組成。該方案承臺為現(xiàn)澆C40 高性能海工混凝土結(jié)構(gòu)，承臺直徑20.0 m。承臺頂高程為8.50 m，底高程為5.90 m，大于H+2/3Hb+?，其中，H為極端高潮位，按3.00 m；Hb為極端高潮位的最大波高，本工程采用場區(qū)H1/3=2.22 m，推算H1%暫按3.33 m；?為富裕高度(取0.5 m)，確保波浪不能直接作用在承臺上。承臺立模也可以采用整體鋼套箱圍堰模板后，澆筑C40 高性能海工混凝土。塔筒底部法蘭盤通過高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓錨固于承臺內(nèi)部(設(shè)置相應(yīng)的環(huán)形墊圈，使得受力均勻并增加錨固作用)，以保證上部塔筒與承臺的固端連接。

該方案采用38 根直徑為0.8 m 的AB 型PHC 樁，平均樁長約60 m，入土深度約50.0 m，樁端根據(jù)各區(qū)域土層埋深不同，以③層可塑黏土底或④層中密細(xì)砂作為持力層。樁底平均高程約-54.10 m，樁頂高程為5.90 m，38 根PHC 樁在承臺底部沿直徑R=3 m、6 m、9 m 的圓周均勻分布，為提高結(jié)構(gòu)的水平剛度，采用1∶6 的斜樁。在承臺以下PHC 樁中灌注3 ～4 倍樁徑長度的混凝土，以提高PHC 樁抗彎剛度。

PHC 樁高樁承臺方案結(jié)構(gòu)布置詳如圖1 和圖2 所示。800 mm 直徑的PHC 樁沿環(huán)向布置，其中半徑3 m、6 m 和9 m 的PHC 樁分別布設(shè)6 根、10 根和22 根。

圖1 PHC樁高樁承臺基礎(chǔ)平面布置圖

圖2 PHC樁高樁承臺基礎(chǔ)剖面圖

3 PHC高樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力分析

本次分析采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，并依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]對桿件彎曲、拉壓、剪切及屈曲等應(yīng)力要求，編制后處理程序計(jì)算結(jié)構(gòu)是否滿足要求，同時(shí)對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度、變形和樁基承載力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算模型

塔筒本身是變截面的圓管，采用BEAM188變截面梁單元能很好地模擬其質(zhì)量及剛度分布；而樁基基礎(chǔ)一般也是變截面或定截面的，主要受彎、剪、扭作用，BEAM188 變截面梁單元能很好地模擬其受力狀態(tài)。承臺是大體積混凝土，采用實(shí)體單元SOILD45 能很好地模擬其剛度、質(zhì)量分布及受力特性。NB/T 10105—2018 關(guān)于樁土之間的相互作用采用p-y、t-z、Q-z曲線，本文采用ANSYS 軟件的非線性彈簧進(jìn)行模擬；波流荷載采用Morison 方程進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)入海生物對水動力荷載的影響；風(fēng)機(jī)荷載采用節(jié)點(diǎn)荷載輸入。PHC樁高樁承臺基礎(chǔ)三維模型如圖3所示。

圖3 PHC樁高樁承臺基礎(chǔ)三維模型圖

根據(jù)NB/T 10105—2018 的要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力需考慮各個(gè)荷載在組合下的受力特點(diǎn)，本文僅對極端高潮位3.1 m，相應(yīng)的波高Hs=2.22 m，周期Tp=6.22 s 的情況進(jìn)行分析。海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要受力包括風(fēng)機(jī)荷載、波浪荷載以及本身的自重，因此，僅對以風(fēng)機(jī)荷載、波浪荷載為主的荷載工況進(jìn)行分析。

3.2 模態(tài)分析

海上風(fēng)電機(jī)組是一種高聳柔性海洋結(jié)構(gòu)物，風(fēng)和波浪是海上風(fēng)電機(jī)組承受的主要?jiǎng)恿奢d。在風(fēng)和波浪的耦合作用下，海上風(fēng)電機(jī)組將產(chǎn)生顯著的動力效應(yīng)，對海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度、變形和疲勞提出了更高要求。因此，必須通過模態(tài)分析掌握海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的動力特性，使海上風(fēng)電整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率避開波浪頻率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)動頻率與葉片通過頻率范圍，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，盡可能降低結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)。

本文采用ANSYS 軟件的動力分析模塊進(jìn)行海上風(fēng)電整機(jī)模態(tài)分析，建立“風(fēng)機(jī)+塔筒+基礎(chǔ)+地基”整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，葉片、機(jī)艙和輪轂的質(zhì)量由質(zhì)量點(diǎn)加在相應(yīng)的質(zhì)心，樁-土非線性相互作用由軟件中的非線性土彈簧處理后的等效線性彈簧作為模型的邊界條件。PHC 樁高樁承臺模態(tài)計(jì)算結(jié)果見表3 所列。從表3 可以看出，PHC 樁高樁承臺基礎(chǔ)的前三階模態(tài)避開了整機(jī)自振頻率限制范圍為0.25 ～0.48 Hz。

表3 PHC樁高樁承臺模態(tài)計(jì)算結(jié)果表

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

PHC 樁軸力分布云圖如圖4 所示，可以看出：PHC 樁基礎(chǔ)在風(fēng)機(jī)、波浪等荷載組合下，主要呈現(xiàn)迎風(fēng)(波)面受拉，背風(fēng)(波)受壓的狀態(tài)；同時(shí)最大的拉力出現(xiàn)在迎風(fēng)(波)樁頂處，最大的壓力出現(xiàn)在背風(fēng)(波)樁頂以下約1/5 處，這主要是由于樁上部的承臺剛度大，約束了樁體本身的變形，樁身在水平力與彎矩作用下，受壓側(cè)樁頂部出現(xiàn)局部的反向受拉作用，減小了其受壓狀態(tài)。此外，這種群樁的受力主要是外圈受力大于內(nèi)圈受力，這是由于海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要受水平力和水平力產(chǎn)生的彎矩作用。

圖4 PHC樁軸力分布云圖

PHC 樁的剪力分布云圖如圖5 所示，可以看出：PHC 樁基礎(chǔ)在風(fēng)機(jī)、波浪等荷載組合下，群樁主要呈現(xiàn)內(nèi)圈小外圈大的特點(diǎn)；這主要是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中部連接上部風(fēng)機(jī)塔筒，其剛度相對側(cè)面較大。針對單根樁，沿豎向樁身呈現(xiàn)先減小變方向后增加，再減小的過程，最大受力點(diǎn)主要是頂部和上部1/3 處；這主要是由于PHC樁樁身頂部受承臺約束剛度較大，底部有海泥面以下的土體約束，而中部無約束，在受波浪等環(huán)境荷載作用下，樁身中部的受力較大。

圖5 PHC樁剪力分布云圖

PHC 樁的彎矩分布云圖如圖6 所示，可以看出：PHC 樁基礎(chǔ)在風(fēng)機(jī)、波浪等荷載組合下，其最大彎矩主要出現(xiàn)在迎風(fēng)(波)面樁體頂部，背風(fēng)(波)樁頂以下約1/5 處；對于迎風(fēng)(波)面樁體沿豎向彎矩是逐漸減小的過程，對于背風(fēng)(波)樁體沿豎向是現(xiàn)增大后減小的過程。這主要是在水平力作用下，受壓側(cè)樁出現(xiàn)在背風(fēng)(波)面，其頂部受承臺及底部泥面約束，故在中部出現(xiàn)最大彎矩；而迎風(fēng)(波)面樁體受拉，其最大值在頂部基礎(chǔ)彎矩作用下最大。

圖6 PHC樁彎矩分布云圖

承臺的等效應(yīng)力云圖如圖7 所示，可以看出：承臺的應(yīng)力分布主要層圈層分布狀態(tài)，其在頂部與塔筒接觸部分以及底部與樁體接觸部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，特別是頂部。本文主要對PHC 樁進(jìn)行分析，對承臺受力暫不多做描述。

圖7 承臺等效應(yīng)力分布云圖

3.4 樁基承載力驗(yàn)算分析

PHC 樁在風(fēng)機(jī)、波浪等荷載在樁基承載力組合下的樁基頂部軸力分布如圖8 所示，可以看出：PHC 樁基礎(chǔ)在荷載組合下，主要呈現(xiàn)其迎風(fēng)(波)面受拉，背風(fēng)(波)受壓的狀態(tài)；同時(shí)其最大的拉壓力均出現(xiàn)在外圈迎風(fēng)(波)處。沿環(huán)向呈現(xiàn)為壓力逐漸減小后增大的過程；對于背風(fēng)(波)面其壓力內(nèi)外圈差別不大，但呈現(xiàn)向內(nèi)逐漸減小的過程；對于迎風(fēng)(波)面其受力狀態(tài)差異較大，主要呈現(xiàn)向內(nèi)逐漸由受拉逐步轉(zhuǎn)換為受壓的狀態(tài)。

圖8 PHC樁樁基承載力分布圖

3.5 變形驗(yàn)算分析

PHC 樁方案在風(fēng)機(jī)、波浪等荷載的正常使用狀態(tài)組合下的位移分布如圖9 所示，可以看出：由于海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)是主要受風(fēng)機(jī)荷載和波浪荷載的水平力，海泥底部約束較弱，上部風(fēng)機(jī)等重量較大；在正常使用狀態(tài)下，基礎(chǔ)承臺向風(fēng)(波)向移動，同時(shí)在風(fēng)機(jī)彎矩作用下迎風(fēng)(波)面受拉，背風(fēng)(波)受壓。PHC 群樁在底部約束情況下，頂部向風(fēng)(波)向受彎作用。

圖9 PHC樁方案位移分布圖

3.6 綜合分析

PHC 樁高樁承臺方案各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表4 所列。從表4 可知：PHC 樁高樁承臺基礎(chǔ)在承載能力極限狀態(tài)(強(qiáng)度)下，其PHC 樁的樁身受彎、受剪、受拉滿足規(guī)范要求，PHC 樁主要是樁身受彎及受拉控制；在樁基承載力工況下，樁基的承載力主要受海泥面以下的土層控制，其樁基的抗壓抗拉滿足要求；在正常使用狀態(tài)下，基礎(chǔ)的沉降、變位及PHC 樁的抗裂滿足要求。

表4 PHC樁高樁承臺方案計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)論

本文以越南某近海風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，對PHC 樁高樁承臺基礎(chǔ)的靜力計(jì)算分析進(jìn)行研究，得到的主要結(jié)論如下：

基于非線性有限元理論，以非線性彈簧模擬樁-土之間的非線性相互作用(p-y、t-z、Q-z曲線)，波流荷載采用Morison 方程進(jìn)行計(jì)算，本文中的0.8 m 的AB 型PHC 樁+高樁承臺方案各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

PHC 樁高樁承臺基礎(chǔ)在布置合理的情況下前三階模態(tài)可避開整機(jī)自振頻率限制范圍。

對于PHC 樁高樁承臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案，其PHC 樁主要受樁身受彎及受拉控制，樁身受彎最大作用位置為基礎(chǔ)外圈的迎風(fēng)(波)面樁體頂部，背風(fēng)(波)樁頂以下約1/5 處；樁身最大抗拔力出現(xiàn)在迎風(fēng)(波)面樁體。