波浪荷載下近海風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)分析

周靜姝，張淑華，陳光明，趙丹會(huì)，于可忱

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.天津市交通建筑設(shè)計(jì)院，天津 300381）

波浪荷載下近海風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)分析

周靜姝1，張淑華1，陳光明1，趙丹會(huì)1，于可忱2

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.天津市交通建筑設(shè)計(jì)院，天津 300381）

為研究波浪荷載作用下近海風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)，建立了該結(jié)構(gòu)的樁-土三維有限元模型。引入p-y曲線對(duì)斜樁加以修正，并比較修正前后波浪荷載對(duì)其的影響，分析工程中是否應(yīng)當(dāng)考慮p-y曲線修正系數(shù)的影響；考慮不同傾斜方向樁所受波浪力的差異，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)波浪作用下帶承臺(tái)約束樁進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析；計(jì)算樁基的局部沖刷深度，分別取沖刷深度為0 m、2 m、4 m三種工況進(jìn)行對(duì)比，分析局部沖刷對(duì)高樁承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響，得到了一些對(duì)工程實(shí)踐有意義的結(jié)論。

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)；斜樁；p-y曲線；波浪作用；局部沖刷

0 引言

近年來(lái)，近海風(fēng)電由于其具有持續(xù)穩(wěn)定、發(fā)電量大、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在我國(guó)得到了飛速的發(fā)展。目前，廣泛應(yīng)用的近海風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由若干根起支撐作用的樁柱以及連接樁頂?shù)某信_(tái)組成的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)布置形式有斜樁與直樁。一般認(rèn)為斜樁可提供較好的水平承載力，但是在波浪作用下，由于斜樁傾斜方向的影響，斜樁可能會(huì)受到更大的波浪力[1]，另外斜樁與直樁的水平承載性能也不一樣[2]。

p-y曲線法能較好的解決大變位情況下的水平承載樁問題，目前中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)有關(guān)規(guī)范都有推薦。但國(guó)內(nèi)對(duì)p-y曲線法的研究較晚，很多工程實(shí)際并未對(duì)樁基進(jìn)行修正。在對(duì)高樁承臺(tái)的波浪受力分析方面，沈錦寧[3]將樁離散成多質(zhì)點(diǎn)系，用水平土彈簧計(jì)算土抗力，研究了波浪作用下單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)。雷欣欣等[4]對(duì)作用在高樁承臺(tái)上的不規(guī)則波波浪力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了該結(jié)構(gòu)的群樁水動(dòng)力特性。劉逸敏等[5]以群樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，分析了承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)隨淹沒深度、承臺(tái)尺寸等參數(shù)的變化規(guī)律。前人研究高樁承臺(tái)波浪受力分析時(shí)大多以單樁或群樁為研究對(duì)象，而忽略了在承臺(tái)與群樁組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

本文以有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，建立了近海風(fēng)電高樁承臺(tái)的樁-土的三維有限元模型，引入p-y曲線對(duì)斜樁加以修正，并比較修正前后波浪荷載對(duì)其的影響，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)波浪作用下的帶承臺(tái)約束樁進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。對(duì)于近岸水域樁基的局部沖刷來(lái)說，由于水深較淺，波浪作用不可忽略[6]，且海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)后，潮流和波浪引起的水粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到顯著的影響，因此波浪作用下局部沖刷對(duì)承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響也將是本文研究的內(nèi)容。

1 工程基本條件

本工程場(chǎng)址位于南匯區(qū)某海域，工程海域水深為14.7 m，海底較為平緩，淤泥主要分布在灘面表層，局部區(qū)域夾帶薄層粉土。本工程所在地區(qū)并沒有發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性及深大斷裂通過，工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較優(yōu)，土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

2 設(shè)計(jì)荷載及工況

2.1 設(shè)計(jì)荷載

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮波流荷載，還要考慮自重、風(fēng)機(jī)荷載、風(fēng)荷載等。對(duì)于下部高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)荷載影響較小，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮風(fēng)荷載的影響。

2.1.1 風(fēng)機(jī)荷載

本工程選用3.0 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑121 m，極端生存風(fēng)速59.5 m/s，輪轂高度85 m，機(jī)組（基礎(chǔ)環(huán)以上）總重356.17 t。風(fēng)機(jī)荷載為上部結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載作用傳遞至基礎(chǔ)頂面的荷載。風(fēng)機(jī)荷載由風(fēng)機(jī)廠家提供，通過以集中力和集中彎矩的形式加載到高樁承臺(tái)上，見表2。

2.1.2 波浪荷載

依據(jù)戴國(guó)亮[7]對(duì)本海上風(fēng)電場(chǎng)的波浪要素分析，本工程海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)所處海域潮位變化幅度大，取50 a一遇的極端高水位來(lái)計(jì)算波浪荷載，波高5.81 m，波長(zhǎng)74.1 m，波周期7.76 s。波浪以X正向入射。

本文采取Morison方程計(jì)算樁沿水深和時(shí)間變化的波浪力，每隔1 m（與梁?jiǎn)卧叽缦嗤┤?個(gè)集中荷載施加到節(jié)點(diǎn)上。將1個(gè)波周期T等分成20份，則在0.05個(gè)波周期內(nèi)（0.388 s）波浪力近似看作是線性變化（ANSYS采用斜坡荷載，具體設(shè)置為Kbc，0）。通過此種方式可明確波浪力的荷載輸入方式，結(jié)合有限元的方法進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。圖1為不同傾斜方向斜樁（為保持線條清晰，以斜樁1、3、5為例）所承受的整體波浪力（即每個(gè)樁上的集中荷載之和）在1個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的情況。

本高樁承臺(tái)基礎(chǔ)承臺(tái)底高于波峰在靜水面以上的高度，因此在極端高水位下，承臺(tái)承受的波浪荷載較小，計(jì)算中不考慮波浪對(duì)混凝土承臺(tái)的沖擊力與頂托力。

2.1.3 海流荷載

海流可以近似地看作一種穩(wěn)定的平面流動(dòng)，并且認(rèn)為它對(duì)平臺(tái)的作用力僅表現(xiàn)為拖曳力。設(shè)計(jì)潮流流速：表層流速3.15 m/s；中層流速2.75 m/s；底層流速1.48 m/s。一般情況下，海流與波浪是同時(shí)存在的，對(duì)結(jié)構(gòu)的拖曳力就是海流流速與波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平速度疊加之后產(chǎn)生。

2.2 設(shè)計(jì)工況

考慮本工程場(chǎng)區(qū)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)海岸水文勘測(cè)資料及風(fēng)和波浪、潮流荷載的耦合情況，各工況荷載組合如下：

1）施工工況：自重+波浪力+水流力+靠泊力；

2）正常運(yùn)動(dòng)工況：自重+正常運(yùn)動(dòng)情況下塔筒底部風(fēng)機(jī)荷載+50 a重現(xiàn)期H13%波高引起的波浪力+分層潮流力；

3）極端工況：自重+塔筒底部風(fēng)機(jī)極限荷載+ 50 a重現(xiàn)期H1%波高引起的波浪力+分層潮流力；

通過對(duì)整體波浪力及水流力的初步分析，并結(jié)合國(guó)外已建工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)各運(yùn)行工況以極端工況為控制性工況。

3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案

本工程承臺(tái)直徑為15 m，厚3 m，頂高程為21 m，承臺(tái)下部采用8根直徑為1.7 m，壁厚30 mm的鋼管樁以6.5∶1的斜度環(huán)向布置在直徑為10 m的圓周上。高樁承臺(tái)布置見圖2，樁基布置見圖3和表3。

本文采用有限元軟件ANSYS建模分析。承臺(tái)材料為C40混凝土，采用solid185單元模擬，單元尺寸為1 m，并假設(shè)承臺(tái)彈性、無(wú)裂縫。斜樁采用屈服強(qiáng)度為235 MPa的B級(jí)鋼管樁，采用beam188單元模擬，單元尺寸為1 m。具體有限元模型見圖4。

在實(shí)際工程中，樁土之間的相互作用是十分復(fù)雜的，土抗力可主要分為垂直樁身的土抗力、平行于樁身的側(cè)摩阻力以及樁端的阻力。垂直樁身的土抗力采用循環(huán)荷載下的p-y曲線在XZ與YZ平面進(jìn)行設(shè)置，平行于樁身的側(cè)摩阻力和樁端的阻力分別采用τ-z曲線和q-z曲線進(jìn)行定義，并采用非線性彈簧單元Combin39加以模擬。土的阻尼系數(shù)取為0.02[8]。具體方法為：根據(jù)表1中的土層物理性質(zhì)參數(shù)，參照樁基工程、海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦工作法[9]等提供的計(jì)算方法，獲取3種曲線。將各曲線離散建立單元實(shí)常數(shù)，在泥面以下樁身節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)間距為1 m）上建立三向彈簧進(jìn)行模擬。

4 計(jì)算結(jié)果

參考姚文偉[10]對(duì)斜樁波浪力的分析計(jì)算斜樁的波浪力，波浪力均垂直于樁軸。工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往較為關(guān)注的是樁頂?shù)奈灰埔约白畲髲澗匕l(fā)生的部位，因此本文分析時(shí)主要從這兩點(diǎn)出發(fā)。

4.1 p-y曲線修正系數(shù)對(duì)斜樁的影響

參照Reese[11-12]對(duì)斜樁p-y曲線系數(shù)修正的研究，對(duì)p-y曲線法中土彈簧的極限土抗力進(jìn)行了修正，修正系數(shù)見表4。

以斜樁1為例，斜樁1與XZ平面夾角為0°，與YZ平面的夾角為8.9°。當(dāng)波浪力為正時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，p-y曲線的修正系數(shù)取0.85與1.0。當(dāng)波浪力為負(fù)時(shí)，彈簧處于拉伸狀態(tài)，p-y曲線的修正系數(shù)取1.2與1.0。具體操作時(shí)，將壓區(qū)和拉區(qū)土彈簧的極限土抗力乘以相應(yīng)的修正系數(shù)。提取樁頂位移時(shí)程曲線（圖5）以及樁泥面以下最大彎矩時(shí)程曲線（圖6），分析有無(wú)p-y曲線修正系數(shù)對(duì)斜樁動(dòng)力響應(yīng)的影響。

由圖5、圖6可看出，t=2.4 s時(shí)，修正時(shí)位移最大值為9.86 cm，彎矩最大值為2 401 kN·m，不修正時(shí)位移最大值為10.68 cm，彎矩最大值為2 382 kN·m。修正時(shí)位移較不修正時(shí)減小7.6%，修正時(shí)彎矩較不修正時(shí)增大0.8%。雖然修正與不修正的最大彎矩差異較小，但最大位移差異較大，因此工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)考慮p-y曲線修正系數(shù)的影響。

4.2 承臺(tái)約束下斜樁的動(dòng)力響應(yīng)

實(shí)際工程中，樁頂一般與承臺(tái)澆筑在一起成固接約束。在波浪荷載作用下，承臺(tái)可起到較好的約束作用，但是承臺(tái)與樁頂?shù)墓探涌赡軐?dǎo)致局部彎矩的增大。本節(jié)將研究考慮p-y曲線修正系數(shù)后的各方位樁在承臺(tái)約束作用下的動(dòng)力響應(yīng)。圖7、圖8分別為位移與彎矩均達(dá)到最大值時(shí)，位移與彎矩沿樁身的分布圖。

圖7顯示，斜樁在承臺(tái)約束作用下，樁身位移峰值曲線分布相似，位移的變化從樁頂部沿樁身向下逐漸減小。各方位樁的樁頂最大位移相同。斜樁1較斜樁5位移零點(diǎn)有較大幅度的下移。

從圖8可知，帶承臺(tái)斜樁最大彎矩均出現(xiàn)在樁頂與承臺(tái)交界處。這是因?yàn)槌信_(tái)與斜樁樁頂是固結(jié)的，在波浪荷載作用下，承臺(tái)可傳遞較大的彎矩來(lái)約束樁基。斜樁1彎矩峰值較斜樁5有小幅度的增長(zhǎng)，在泥面-6 m處達(dá)到最大值，然后均隨著樁的入土深度增加逐漸減小?？梢钥闯觯睒秲A斜方向與波浪入射方向一致的樁，其位移與彎矩較小，反之則較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)該避免將斜樁傾斜方向與波浪的常入射方向相反布置。

4.3 局部沖刷對(duì)高樁承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)后，潮流和波浪引起的水粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到顯著的影響。首先，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的前方會(huì)形成一個(gè)馬蹄渦；其次，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的背流會(huì)形成渦流（卡門渦街）；再次，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的兩側(cè)流線會(huì)收縮。這種局部流態(tài)的改變，會(huì)增加水流對(duì)底床的剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致水流攜沙能力的提高。如果底床是易受侵蝕的，那么在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部會(huì)形成沖刷坑，這種沖刷坑會(huì)影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。參考類似工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷計(jì)算結(jié)果，本文分別取沖刷深度為0 m、2 m、4 m三種工況進(jìn)行對(duì)比分析。分析局部沖刷對(duì)高樁承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響時(shí)，波浪流荷載均以X正方向作用在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，以斜樁1為例，計(jì)算結(jié)果見表5。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部區(qū)域被潮流和波浪沖刷水深加深，從表5可知，隨著沖刷深度的增大，高樁承臺(tái)總位移、承臺(tái)鋼管樁應(yīng)力、樁頂最大水平位移及樁頂最大彎矩均出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)。沖刷4 m較0 m時(shí)，總位移增大了1.23 cm，增大17.72%；承臺(tái)鋼管樁應(yīng)力增大了30 MPa，增大17.44%；樁頂最大水平位移增大了1.16 cm，增大18.41%；樁頂最大彎矩增大了1 747.1 kN·m，增大22.93%。未沖刷土層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力不足以抵抗上部結(jié)構(gòu)的豎向承載力而使高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀況。工程上應(yīng)采取相應(yīng)的防沖刷處理措施，保證樁基及上部結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元方法，建立了波浪荷載作用下的海上風(fēng)機(jī)高樁承臺(tái)模型。引入p-y曲線對(duì)斜樁加以修正，并比較修正前后波浪荷載對(duì)其的影響，考慮不同傾斜方向樁所受波浪力的差異，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)波浪作用下帶承臺(tái)約束樁進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，并分析了局部沖刷對(duì)高樁承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響，得出如下結(jié)論：

1）引入p-y曲線修正系數(shù)前后，單樁在6.5∶1的斜度下，修正時(shí)樁頂位移較不修正時(shí)減小7.6%，修正時(shí)彎矩較不修正時(shí)增大0.8%。雖然修正與不修正的最大彎矩差異較小，但最大位移差異較大，因此工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)考慮p-y曲線修正系數(shù)的影響。

2）因?yàn)槌信_(tái)與斜樁樁頂是固結(jié)的，在波浪荷載作用下，承臺(tái)可傳遞較大的彎矩來(lái)約束樁基。傾斜方向與波浪入射方向一致的樁，其位移與彎矩較小，反之則較大，樁軸線與波浪方向垂直的樁位移與彎矩最小。在實(shí)際工程中，應(yīng)該盡量將斜樁傾斜方向與波浪的常入射方向保持一致。

3）隨著風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部區(qū)域沖刷深度的增大，近海風(fēng)電高樁承臺(tái)總體位移增大，樁基承載力減弱。沖刷深度達(dá)到4 m與0 m時(shí)比較，總位移增大17.72%，承臺(tái)鋼管樁應(yīng)力增大17.44%，樁頂最大水平位移增大18.41%，樁頂最大彎矩增大22.93%。未沖刷土層的樁側(cè)摩擦力和樁端阻力不足以抵抗上部結(jié)構(gòu)的豎向承載力，而使整體結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀況。在工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的防沖刷處理措施，保證樁基及上部結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

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Dynamic response analysis for offshore wind power high-pile cap foundation under wave action

ZHOU Jing-shu1,ZHANG Shu-hua1,CHEN Guang-ming1,ZHAO Dan-hui1,YU Ke-chen2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Tianjin Communication Architecture Design Institute,Tianjin 300381,China）

A three dimensional finite element model is established for studying the dynamic response of offshore wind power high pile foundation under wave loading.We introduced p-y curve correction coefficients to modify the batter piles and compare the dynamic response between before and after the correction,then analyzed whether the influence of correction factor should be taken into account in the projects.Considering the differences between wave forces on different piles,we combined with practical engineering to analyze the dynamic response for piles restrained by cap under wave action.The influence of the local scour on the dynamic response of the platform was studied by calculating the local scour depth of pile foundation and comparing three scour depths 0 m,2 m and 4 m respectively,and some meaningful results are obtained for engineering practice.

high-pile cap foundation;batter piles;p-y curve;wave action;local scour

U656.6；TV312

A

2095-7874（2017）03-0037-06

10.7640/zggwjs201703008

2016-09-27

2016-11-10

周靜姝（1991— ），女，江蘇昆山市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦劭诤０杜c近海工程。E-mail：423260725@qq.com