摘 要：以廣東某深遠(yuǎn)海域大容量風(fēng)電機(jī)組五連筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用有限元軟件對(duì)五連筒基礎(chǔ)在傾斜率、極限承載力和屈曲特性等方面開展深入研究，并對(duì)筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多參數(shù)敏感性分析，從而得到受力及承載最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體型。研究結(jié)果表明：滿足相同容量機(jī)組荷載運(yùn)行要求的前提下，五連筒基礎(chǔ)與單筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，前者在傾斜率、承載力及抗屈曲特性上優(yōu)勢(shì)明顯；隨著筒頂節(jié)點(diǎn)的外移，筒型基礎(chǔ)邊筒豎向變形逐漸增大，中筒則相反；當(dāng)筒頂節(jié)點(diǎn)靠近中筒時(shí)，主要由中筒受力，應(yīng)力最大部位主要集中在邊筒和中筒筒裙底部連接處；當(dāng)筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移時(shí)，受力部位由中筒轉(zhuǎn)移到邊筒，且應(yīng)力最大部位轉(zhuǎn)移到沿加載方向的邊筒筒裙頂部；基礎(chǔ)的極限承載力均隨導(dǎo)管架根部開度增加呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，在水平及彎矩荷載分別作用下，旋轉(zhuǎn)中心附近的被動(dòng)土壓力受筒頂節(jié)點(diǎn)位置影響較大，筒頂節(jié)點(diǎn)越往外偏移，被動(dòng)土壓力越?。恍D(zhuǎn)中心以下的主動(dòng)土壓力受筒頂節(jié)點(diǎn)位置影響同樣較大，筒頂節(jié)點(diǎn)越往外偏移，主動(dòng)土壓力越大。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；應(yīng)力分析；承載力；五連筒基礎(chǔ)；筒頂節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：P751；TK81"""""" """"""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在海上資源逐漸向深遠(yuǎn)海域開發(fā)的背景下，海上風(fēng)電得到快速發(fā)展。然而深海海域存在著更加復(fù)雜的海流、風(fēng)浪、潮汐等海洋環(huán)境［1］，這將使風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)面臨更大挑戰(zhàn)。因此，為確保海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)在深遠(yuǎn)海域充分利用海洋資源，且能在惡劣環(huán)境中安全穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量也將越來越大。在50 m以上的深遠(yuǎn)海域風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)需承受更大的波流荷載量級(jí)與大容量機(jī)組荷載量級(jí)［2］，傳統(tǒng)的多筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)施工工序較為復(fù)雜，且在安裝過程中很易出現(xiàn)下沉不到位的情況，不能滿足沉放要求［3］。傳統(tǒng)的多樁基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)在深海海域成本較高［4］。寬淺式筒型基礎(chǔ)在沉放過程中將面臨一定的屈曲風(fēng)險(xiǎn)［5］。針對(duì)當(dāng)前單筒及多筒基礎(chǔ)面臨的問題，天津大學(xué)提出一種新型五連筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)［6］，該筒型基礎(chǔ)在四筒中部增加一個(gè)中筒，不但增大了筒頂蓋面積，為基礎(chǔ)整機(jī)運(yùn)輸提供較大的浮力，且相對(duì)于單筒結(jié)構(gòu)，五連筒結(jié)構(gòu)避免了單筒結(jié)構(gòu)裙板尺寸過大而引起的薄板穩(wěn)定問題，提高了筒裙的抗屈曲能力。

當(dāng)前海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)底部基礎(chǔ)多為多筒或大直徑單筒結(jié)構(gòu)，朱航等［7］運(yùn)用有限元軟件對(duì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的傾斜率及強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算；Hung等［8］研究筒間距和筒型基礎(chǔ)埋深等對(duì)三筒基礎(chǔ)的水平和彎矩承載力的影響；王雪菲等［9］利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比筒土相互作用的結(jié)果；楊德等［10］針對(duì)海上風(fēng)電三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，分析在導(dǎo)管架與多筒基礎(chǔ)不同連接位置下整體結(jié)構(gòu)的承載特性，對(duì)比分析水平承載力、筒內(nèi)外土壓力、旋轉(zhuǎn)中心變化情況；閆瑞洋［11］對(duì)三筒結(jié)構(gòu)的承載特性進(jìn)行了研究；練繼建等［12］和丁紅巖等［13］分別研究海床表層軟土對(duì)海上風(fēng)電寬淺式筒型基礎(chǔ)和四筒基礎(chǔ)承載特性的影響；劉梅梅等［14］研究寬淺式筒型基礎(chǔ)在排水粉質(zhì)砂土中的承載性能。當(dāng)前針對(duì)海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、承載力分析方面研究較為成熟，但上部導(dǎo)管架與下部筒型基礎(chǔ)作為兩部分結(jié)構(gòu)，兩者的連接位置也將影響荷載的傳遞，進(jìn)而影響筒型基礎(chǔ)的應(yīng)力、變形、承載性能以及筒內(nèi)外土體的土壓力大小，因此有必要對(duì)筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)對(duì)筒型基礎(chǔ)的影響進(jìn)行多參數(shù)敏感性因素研究。

為此，基于廣東某深遠(yuǎn)海域地質(zhì)條件及16 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載，建立筒型基礎(chǔ)導(dǎo)管架模型，對(duì)比在寬淺型筒型基礎(chǔ)中新型五連筒結(jié)構(gòu)相對(duì)于單筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，比較筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)對(duì)五連筒結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和對(duì)筒型基礎(chǔ)的承載力及筒內(nèi)外土壓力的影響，旨在為今后深遠(yuǎn)海域筒型基礎(chǔ)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算方案

1.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件建立新型五連筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的數(shù)值模型如圖1所示，本風(fēng)電場(chǎng)址選在廣東某海域，擬選取單機(jī)容量為16 MW的機(jī)組，取筒型基礎(chǔ)中筒直徑[D1=43.08 m]，邊筒直徑[D2=24 m]，相鄰兩邊筒最遠(yuǎn)距離[L=64 m]，筒高[H=15 m]。五連筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、連接梁系、導(dǎo)管架主管、法蘭過渡段材料均選用Q355鋼［15］，彈性模量[E=210 GPa]，泊松比[υ]=0.3。為提高計(jì)算效率，現(xiàn)簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)為底部導(dǎo)管架、連接梁、五連筒結(jié)構(gòu)，以便進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1.2 邊界條件及荷載

為消除土體邊界效應(yīng)影響，建立土體直徑為200 m，深度為59 m。土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，筒土之間切向采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.3，法向采用硬接觸［12］，在土體側(cè)面施加水平約束，在土體底部施加固定約束。筒型基礎(chǔ)等鋼結(jié)構(gòu)和土體均采用C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，土體結(jié)構(gòu)在靠近中間筒型基礎(chǔ)部分進(jìn)行加密處理，遠(yuǎn)離筒型基礎(chǔ)土體網(wǎng)格稀疏，有限元計(jì)算模型見圖2。

考慮基礎(chǔ)法蘭處不同荷載對(duì)應(yīng)不同的分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)，本研究中考慮50 a一遇極端工況下的兩種荷載組合工況，分別為極限荷載-標(biāo)準(zhǔn)荷載組合和極限荷載-結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算荷載組合見表1和表2。其中，極限荷載-標(biāo)準(zhǔn)荷載組合用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傾斜率計(jì)算，極限荷載-結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算荷載組合用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核計(jì)算。與五連筒結(jié)構(gòu)接觸的分層土各項(xiàng)土質(zhì)參數(shù)見表3。

2 五連筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力及承載特性

為探究五連筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)比寬淺型筒型基礎(chǔ)中新型五連筒結(jié)構(gòu)及與其結(jié)構(gòu)相似的單筒多艙結(jié)構(gòu)的泥面傾斜率、結(jié)構(gòu)承載力及抗屈曲性能等特性，控制單筒結(jié)構(gòu)和五連筒結(jié)構(gòu)的用鋼量和筒裙高度相同，五連筒結(jié)構(gòu)邊筒直徑24.00 m，中筒直徑43.08 m，邊筒對(duì)邊直徑為64.00 m，筒裙高度均為15.00 m，通過計(jì)算，單筒結(jié)構(gòu)直徑為61.00 m，筒裙高度為15 m，兩種筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用鋼量均為1674 t，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

2.1 泥面傾斜率對(duì)比

對(duì)于筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制泥面傾斜率是對(duì)結(jié)構(gòu)安全性檢驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于海上風(fēng)電基礎(chǔ)受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載作用于塔筒底部過渡段部位，環(huán)境荷載作用于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化受力形式，將荷載等效到基于極限荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，將環(huán)境荷載及風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載等效到筒頂蓋表面，并施加在筒中心的耦合點(diǎn)［16］，對(duì)兩種筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的泥面傾斜率驗(yàn)算見表4。

根據(jù)表4中應(yīng)變?cè)茍D以及傾斜率計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加極限荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，可得到在筒型基礎(chǔ)用鋼量及筒裙高度相同的情況下，五連筒基礎(chǔ)傾斜率相對(duì)較小，所以五連筒基礎(chǔ)的抗傾覆性能較好，在寬淺筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，五連筒基礎(chǔ)可更好地控制泥面變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 基礎(chǔ)承載力對(duì)比

在深遠(yuǎn)海域大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)將面臨較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載和波浪荷載，因此，需要筒型基礎(chǔ)的承載能力較強(qiáng)。借助有限元軟件，對(duì)單筒結(jié)構(gòu)與五連筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的水平承載力、豎向承載力和彎矩承載力進(jìn)行對(duì)比研究。采用位移控制法［17］對(duì)基礎(chǔ)分別施加水平、豎向、彎矩3個(gè)方向的單向荷載，將筒頂蓋耦合到中心，分別施加水平和豎向位移0.8 m，彎矩轉(zhuǎn)角0.05 rad［18］，得到兩種筒型基礎(chǔ)3個(gè)方向的荷載-位移曲線如圖4所示。

荷載-位移曲線在達(dá)到第一次拐點(diǎn)時(shí)，被認(rèn)為達(dá)到結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界破壞的荷載和位移；但當(dāng)曲線無明顯拐點(diǎn)時(shí)，采用切線相交法找到結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界破壞的荷載和位移，此時(shí)的荷載即為基礎(chǔ)極限承載力［19］。從計(jì)算結(jié)果得出，在水平加載和彎矩加載方向，基礎(chǔ)的荷載-位移曲線均有明顯拐點(diǎn)，五連筒水平極限承載力300 MN，彎矩極限荷載4400 MN·m，單筒水平極限承載力250 MN，彎矩極限荷載3100 MN·m，可得五連筒基礎(chǔ)的水平和彎矩極限承載力分別大于單筒結(jié)構(gòu)20%和42%；豎向加載的荷載-位移曲線無明顯的拐點(diǎn)，但施加相同的豎向位移，五連筒結(jié)構(gòu)的豎向荷載更大。綜合比較，五連筒基礎(chǔ)的承載性能優(yōu)于單筒結(jié)構(gòu)，表明在寬淺型筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型中，五連筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗彎性能及剛度更好。

2.3 筒型結(jié)構(gòu)抗屈曲性能對(duì)比

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在下沉過程中，前期自重下沉為筒型基礎(chǔ)內(nèi)部創(chuàng)造了良好的密閉環(huán)境，后期抽負(fù)壓下沉過程中，由于抽氣導(dǎo)致筒型基礎(chǔ)艙內(nèi)外壓差較大而發(fā)生屈曲破壞。

建立單筒結(jié)構(gòu)、五連筒結(jié)構(gòu)模型，忽略土的水平反力作用，并將下沉過程中入土部分等效為固支約束［20］，對(duì)筒頂蓋設(shè)置為剛體［21］，對(duì)自由高度處筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施加單位負(fù)壓荷載，結(jié)構(gòu)邊界條件及荷載施加如圖5所示。

在負(fù)壓下沉完成前的那一刻，貫入阻力達(dá)到最大值，筒型基礎(chǔ)大部分都已入泥，可發(fā)生屈曲范圍很小，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致臨界屈曲荷載突然增大，所以選取自由高度大于2 m的情況進(jìn)行臨界屈曲荷載計(jì)算比較。為更好觀察兩種筒型基礎(chǔ)筒體變形情況，選取自由度為5 m，一階屈曲模態(tài)進(jìn)行分析。

如圖6所示，兩種筒型基礎(chǔ)的臨界屈曲荷載均隨自由高度的增大而減小，在相同自由高度下，五連筒結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載大于單筒結(jié)構(gòu)，如圖7所示兩種筒在放大5倍情況下的一階模態(tài)，在下沉屈曲過程中，單筒結(jié)構(gòu)的環(huán)向波形發(fā)生在筒壁且波紋較多，而五連筒結(jié)構(gòu)環(huán)向波紋發(fā)生在中筒筒壁，邊筒的抗屈曲能力較強(qiáng)，因此五連筒結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能較好。

綜上對(duì)比，在滿足相同容量機(jī)組荷載運(yùn)行要求的前提下，與單筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，五連筒基礎(chǔ)在傾斜率、承載力及抗屈曲特性上優(yōu)勢(shì)明顯，因此優(yōu)選五連筒作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的底部筒型基礎(chǔ)。

3 筒頂節(jié)點(diǎn)位置對(duì)基礎(chǔ)受力及承載影響

在海上風(fēng)電基礎(chǔ)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)的主管底部通常連接在筒型基礎(chǔ)頂蓋的形心處，而對(duì)于主管與筒型基礎(chǔ)頂蓋偏心連接對(duì)筒土的影響研究較為匱乏。為確定導(dǎo)管架與筒頂蓋最優(yōu)連接位置，保持筒裙高度、筒徑和筒間距不變，改變導(dǎo)管架主管與筒頂蓋連接位置，研究筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)不同連接節(jié)點(diǎn)對(duì)筒土多參數(shù)敏感性分析。將所需荷載等效到導(dǎo)管架底部豎直段的頂部中心耦合點(diǎn)處，如圖8所示，以導(dǎo)管架底部與邊筒圓心連接為基礎(chǔ)，分別選取在邊筒對(duì)角連線上，導(dǎo)管架向內(nèi)和向外連接節(jié)點(diǎn)模型各3個(gè)，分別建立基礎(chǔ)A1、A2、A3、A、A4、A5、A6筒頂對(duì)角節(jié)點(diǎn)距離分別為47.57、50.57、53.57、56.57、59.57、62.57、65.57 m 7個(gè)模型，不同連接位置通過改變箱型梁的長(zhǎng)度將主管受力傳遞到筒型基礎(chǔ)，選取3個(gè)典型示意圖如圖9所示。對(duì)比筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)不同連接節(jié)點(diǎn)對(duì)筒型基礎(chǔ)的應(yīng)力應(yīng)變分布、承載能力以及筒內(nèi)外土體的土壓力大小的影響。

3.1 基礎(chǔ)泥面傾斜率分析

為比較泥面傾斜率受筒頂處導(dǎo)管架與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)的影響程度，對(duì)結(jié)構(gòu)施加正常運(yùn)行下極限荷載的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合，并比較筒型基礎(chǔ)泥面變形規(guī)律。

在不同筒頂連接節(jié)點(diǎn)下筒型結(jié)構(gòu)的泥面傾斜率如圖10所示，在筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移過程中，基礎(chǔ)泥面傾斜率呈先減小后增大趨勢(shì)，但總體變化幅度較小。選取兩個(gè)極限筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)及與邊筒形心連接節(jié)點(diǎn)，由圖11得筒頂蓋在不同連接節(jié)點(diǎn)下的豎向位移云圖。隨著筒頂連接節(jié)點(diǎn)向外偏移，筒頂蓋豎向位移的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)向邊筒外側(cè)移動(dòng)，逐漸對(duì)邊筒筒壁影響較大，筒壁將承擔(dān)更大的變形。中筒的豎向變形隨筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移而越小。這是由于筒頂節(jié)點(diǎn)逐漸向外偏移，導(dǎo)管架根部遠(yuǎn)離中筒，并逐漸靠近邊筒外側(cè)邊緣，荷載將更多由邊筒承擔(dān)。所以選擇筒頂節(jié)點(diǎn)距離在A3～A4范圍中筒和邊筒位移能協(xié)調(diào)變形，因此選取導(dǎo)管架根部對(duì)角開度與對(duì)角筒徑比值范圍為0.67～0.74較合適。

3.2 基礎(chǔ)應(yīng)力分析

筒型基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，承受巨大的環(huán)境荷載，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析主要是對(duì)筒型基礎(chǔ)在受到極端荷載時(shí)進(jìn)行分析評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。將法蘭頂部的風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載和作用在導(dǎo)管架上的環(huán)境荷載等效到梁系頂部，中心荷載耦合點(diǎn)，按照?qǐng)D8耦合方式，施加極限荷載-結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算荷載組合，比較筒頂蓋和筒裙的應(yīng)力分布情況，研究筒型基礎(chǔ)沿加載方向和垂直加載方向的應(yīng)力與不同筒頂節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。

3.2.1 筒頂蓋應(yīng)力分析

為清楚直觀比較筒頂蓋應(yīng)力，設(shè)置統(tǒng)一應(yīng)力上限值為110 MPa，選取A1、A、A6 3個(gè)基礎(chǔ)，由圖12筒頂蓋應(yīng)力分布可知，筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)越靠近邊筒外側(cè)，筒頂蓋邊筒與中筒應(yīng)力均越大。由圖13筒頂蓋應(yīng)力曲線可得到，沿水平加載方向筒頂蓋應(yīng)力在與導(dǎo)管架連接部位有兩個(gè)突起的應(yīng)力高峰，在作用點(diǎn)前側(cè)應(yīng)力峰值較作用點(diǎn)后側(cè)應(yīng)力峰值大。不同筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)下，越靠近中筒，應(yīng)力最大峰值越大，且峰值出現(xiàn)得越早，而筒頂節(jié)點(diǎn)越靠近邊筒邊緣，在加載方向筒頂蓋邊緣應(yīng)力越大。在垂直于水平加載方向，筒頂蓋應(yīng)力關(guān)于加載方向?qū)ΨQ，筒頂節(jié)點(diǎn)越靠近中筒，邊筒應(yīng)力越大，反之中筒應(yīng)力越大。因此筒頂節(jié)點(diǎn)越靠近邊筒圓心，垂直水平加載方向應(yīng)力分布越均勻。由于筒頂節(jié)點(diǎn)向邊筒外側(cè)偏移，逐漸由中筒受力轉(zhuǎn)為邊筒受力。

3.2.2 筒裙應(yīng)力分析

為清楚直觀比較筒裙應(yīng)力，設(shè)置統(tǒng)一應(yīng)力上限值為190 MPa，可得筒裙應(yīng)力分布圖如圖14所示，可得當(dāng)筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)靠近中筒時(shí)，筒裙應(yīng)力較大位置在沿加載方向邊筒與中筒連接處底部，隨著筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移，筒裙底部應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力最大值轉(zhuǎn)移到沿加載方向筒頂蓋與筒裙連接位置的筒裙頂部，但筒裙底部的應(yīng)力降低幅度比筒裙頂部應(yīng)力增大幅度更大。數(shù)據(jù)表明隨著筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移，導(dǎo)管架底部逐漸遠(yuǎn)離中筒，靠近邊筒外側(cè)，因此筒裙受力部位逐漸由中筒受力轉(zhuǎn)化為邊筒受力。

綜合比較筒頂蓋與筒裙應(yīng)力，隨著筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)向外偏移，導(dǎo)致筒頂蓋應(yīng)力外移，由中筒傳遞到邊筒。當(dāng)筒頂節(jié)點(diǎn)向中筒偏移時(shí)主要由中筒受力，應(yīng)力最大部位主要集中在邊筒和中筒筒裙底部連接處；當(dāng)筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移時(shí)，受力部位由中筒轉(zhuǎn)移到邊筒，且應(yīng)力最大部位轉(zhuǎn)移到沿加載方向的邊筒筒裙頂部。筒頂蓋和筒裙應(yīng)力從節(jié)點(diǎn)A1到A降低得較快，而從A到A6的降低速度較小。所以筒頂節(jié)點(diǎn)距離在A3～A4范圍較為合適，因此選取導(dǎo)管架根部開度與對(duì)角筒徑比值范圍為0.67～0.74較合適，此時(shí)由邊筒和中筒共同受力，且筒頂蓋和筒裙也均勻受力。

3.3 基礎(chǔ)土體特性分析

3.3.1 承載分析

對(duì)不同筒頂導(dǎo)管架連接節(jié)點(diǎn)下基礎(chǔ)承載力進(jìn)行分析，相對(duì)于荷載控制法，位移控制法可更清晰直觀地找到極限荷載值。因此使用位移控制法，在耦合點(diǎn)處分別施加1 m的水平位移以及0.1 rad的轉(zhuǎn)角、1 m的豎向位移如圖15所示。

用切線相交法提取出不同筒頂節(jié)點(diǎn)下五連筒基礎(chǔ)在3個(gè)方向極限承載力如圖16所示，在固定筒徑以及筒間距時(shí)，不同筒頂節(jié)點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)的水平極限承載力和彎矩極限承載力、豎向極限承載力均有影響，基礎(chǔ)的極限承載力均隨導(dǎo)管架根部開度增加呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)。

綜合對(duì)比導(dǎo)管架不同筒頂節(jié)點(diǎn)對(duì)水平、豎向、彎矩極限承載力變化影響，當(dāng)導(dǎo)管架根部開度在小于A2和超過A4后變化幅度較小，在A3～A4范圍內(nèi)可充分發(fā)揮基礎(chǔ)的承載性能，因此選取導(dǎo)管架根部開度與對(duì)角筒徑比值范圍為0.67～0.74較合適。

3.3.2 土壓力分析

由于筒在土中的嵌入，將土截為3部分，包括邊筒土、中筒土和筒外土，分別提取基礎(chǔ)在達(dá)到水平和彎矩極限承載力時(shí)的土壓力，選擇筒壁遠(yuǎn)離加載處P1和靠近加載處P2在不同埋深的筒內(nèi)外土壓力進(jìn)行對(duì)比研究。位置如圖17所示。研究在不同筒頂節(jié)點(diǎn)下不同位置極限承載能力作用下，不同筒側(cè)土壓力分布。

水平極限荷載和彎矩極限荷載作用下P1、P2處沿深度方向土壓力變化如圖18所示，在埋深6 m內(nèi)，P11處土壓力為0，當(dāng)埋深超過6 m，土壓力逐漸增大，而P22處土壓力在10 m內(nèi)均為0。由于P2點(diǎn)靠近加載位置，埋深較淺時(shí)，力臂較小，產(chǎn)生的力未達(dá)到使土產(chǎn)生土壓力的最大荷載。在埋深超過10 m后，P11、P22處土壓力急劇增大。在埋深10 m內(nèi)，P12和P21處土壓力呈較緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)埋深超過10 m，土壓力開始呈降低趨勢(shì)。由P1和P2位置土壓力變化可得，水平極限荷載和彎矩極限荷載作用下土壓力旋轉(zhuǎn)中心位于埋深10 m處，此時(shí)主被動(dòng)土壓力發(fā)生明顯的改變。在旋轉(zhuǎn)中心以上部分，不同筒頂節(jié)點(diǎn)對(duì)土壓力影響較小，當(dāng)超過旋轉(zhuǎn)中心埋深，筒頂節(jié)點(diǎn)對(duì)主動(dòng)區(qū)土壓力影響較大，此時(shí)隨著筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移，主動(dòng)區(qū)土壓力值越大。而在主被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)換時(shí)，筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移，土壓力越小。當(dāng)接近筒端，被動(dòng)區(qū)土壓力為零，這是由于筒端發(fā)生擠土效應(yīng)，將筒內(nèi)土擠壓到筒外，因此被動(dòng)土壓力為0，且不受導(dǎo)管架連接位置的影響。

通過對(duì)比分析可得，由于主被動(dòng)土壓力在旋轉(zhuǎn)中心附近進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，使得P12和P21位置土壓力在旋轉(zhuǎn)中心附近受筒頂節(jié)點(diǎn)影響較大，且筒頂節(jié)點(diǎn)越往外偏移，土壓力越小。P12和P21處在筒底端由于擠土效應(yīng)將筒內(nèi)土擠到外側(cè)脫離筒體而導(dǎo)致土壓力為0。P11和P22處的土壓力在旋轉(zhuǎn)中心以下受導(dǎo)管架連接位置影響較大，由于旋轉(zhuǎn)中心距離加載點(diǎn)較遠(yuǎn)，荷載作用力臂較大，所以越靠近筒端，產(chǎn)生的力矩就越大，使得土壓力呈增大趨勢(shì)。隨著筒頂節(jié)點(diǎn)向外偏移，加載中心逐漸向邊筒邊緣移動(dòng)，使得P11和P22處筒土的受力點(diǎn)也逐漸向邊筒邊緣移動(dòng)，導(dǎo)致土壓力會(huì)隨著加載中心向外偏移而增大。所以考慮到主被動(dòng)區(qū)土壓力大小，選擇筒頂節(jié)點(diǎn)距離在A3～A4范圍較為合適，因此選取導(dǎo)管架根部開度與對(duì)角筒徑比值范圍為0.67～0.74較合適。

4 結(jié) 論

運(yùn)用有限元軟件，對(duì)比單筒、五連筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，分析筒頂導(dǎo)管架不同連接節(jié)點(diǎn)對(duì)五連筒結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和對(duì)筒型基礎(chǔ)的承載力及筒內(nèi)外土壓力的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）在滿足相同容量機(jī)組荷載運(yùn)行要求的前提下，與單筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，五連筒基礎(chǔ)在傾斜率、承載力及抗屈曲特性上優(yōu)勢(shì)明顯，因此優(yōu)選五連筒作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的底部筒型基礎(chǔ)。

2）在傾斜率方面，隨著筒頂節(jié)點(diǎn)的外移，筒型基礎(chǔ)邊筒豎向變形逐漸增大，中筒則逐漸減小。

3）當(dāng)筒頂節(jié)點(diǎn)靠近中筒時(shí)，主要由中筒受力，應(yīng)力最大部位主要集中在邊筒和中筒筒裙底部連接處；當(dāng)根部開度較大時(shí)，受力部位由中筒轉(zhuǎn)移到邊筒，且應(yīng)力最大部位轉(zhuǎn)移到沿加載方向的邊筒筒裙頂部。

4）基礎(chǔ)的極限承載力均隨導(dǎo)管架根部開度增加呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)。在水平及彎矩荷載分別作用下，被動(dòng)土壓力在旋轉(zhuǎn)中心附近受筒頂節(jié)點(diǎn)影響較大，筒頂節(jié)點(diǎn)越往外偏移，被動(dòng)土壓力越小。主動(dòng)土壓力在旋轉(zhuǎn)中心以下受筒頂節(jié)點(diǎn)影響較大，筒頂節(jié)點(diǎn)越往外偏移，主動(dòng)土壓力越大。

5）針對(duì)廣東某深遠(yuǎn)海域大容量風(fēng)電機(jī)組環(huán)境及荷載條件，建立五連筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，綜合筒頂節(jié)點(diǎn)對(duì)筒型基礎(chǔ)應(yīng)力、變形、承載等參數(shù)敏感性分析，考慮筒內(nèi)外土壓力大小分布情況，選擇筒頂節(jié)點(diǎn)距離在A3～A4范圍較為合適，因此選取導(dǎo)管架根部開度與對(duì)角筒徑比值范圍為0.67～0.74較合適。

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FORCE ANALTSIS OF FOUNDATION AND BUCKET TOP NODES OF

FIVE-BUCKET JACKET FOR OFFSHORE WIND POWER

Lian Jijian1-3，Xu Shuyun1，2，Wang Haijun1，2，Guo Yaohua1，2，Li Huishan1，2

（1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300350， China；

2. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China；

3. Institute of Marine Energy and Intelligent Construction， Tianjin University of Technology， Tianjin 300382， China）

Abstract：The research focuses on a five-bucket jacket foundation that used for a large wind turbine in a far-reaching sea area in Guangdong. The finite element software was used to carry out on the tilt rate， ultimate bearing capacity and buckling characteristics of the bucket. And the multi-parameter sensitivity analysis was carried out on the nodes at the top of the bucket to obtain the optimal structural. It is found that the five-bucket foundation has obvious advantages compared with the single-bucket foundation in the following parts. When the top nodes are close to the middle bucket， the stress is mainly exerted by the middle bucket， and the maximum stress is mainly concentrated at the joint of the side bucket and the bottom of the middle bucket skirt. When the top nodes of the bucket shift outward， the stress is transferred from the middle bucket to the side bucket， and the maximum stress is transferred to the top of the side bucket skirt along the loading direction.The ultimate bearing capacity of the foundation increases linearly with the increase of the opening of the jacket root. Under the horizontal load and the bending moment load respectively， the passive earth pressure near the center of rotation is greatly affected by the bucket top nodes. The more the top nodes deviates， the smaller the passive earth pressure becomes. The active earth pressure below the center of rotation is greatly affected by the bucket top nodes， and the more the top nodes is shifted outward， the greater the active earth pressure will be.

Keywords：offshore wind； power stress analysis； bearing capacity； five-bucket structure； bucket top node