波流荷載作用下風(fēng)機(jī)混凝土高樁 承臺拉應(yīng)力超限區(qū)分布研究

李 煒，熊 根，張俊臣，陸南辛，金 超

(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310014；2.國電電力浙江舟山海上風(fēng)電開發(fā)有限公司，浙江杭州310014)

0 前 言

在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式中，高樁承臺基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)安全性能高、施工工藝成熟和造價低等優(yōu)點[1]，在我國東南沿海風(fēng)電場已采用高樁承臺基礎(chǔ)形式。

波流荷載是高樁承臺基礎(chǔ)形式穩(wěn)定性的重要影響因素之一。目前，大部分研究工作主要是針對波流荷載的計算和波流荷載對樁柱結(jié)構(gòu)的影響，對于波流荷載對樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)承臺的影響研究較少[2- 4]。因此，波流荷載對高樁承臺混凝土拉應(yīng)力影響模型的建立具有一定的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。本文利用ANSYS有限元軟件施加波流荷載的功能，歸納了極端風(fēng)荷載下波流荷載對風(fēng)機(jī)高樁承臺拉應(yīng)力超限區(qū)域分布的規(guī)律。

1 水動力荷載模型

1.1 波浪荷載

當(dāng)結(jié)構(gòu)物的特征尺寸D與波長L的比值小于等于0.2時，可采用Morison方程計算作用于結(jié)構(gòu)的波浪荷載[5]：

(1)

1.2 海流荷載

由于海流可近似看作一種穩(wěn)定的平面流動，因此海流與圓柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用可用平面流與鉛直圓柱載荷公式來表示[7]。單位長度圓形構(gòu)件上的流載荷的計算公式為

(2)

式中，A為單位長度的構(gòu)件在垂直于海流方向上的投影面積；UC為流速。

2 高樁承臺有限元模型建立

2.1 有限元模型

以我國東南沿海某風(fēng)電場高樁承臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，承臺混凝土采用實體單元SOLID45模擬；高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿采用桿單LINK8模擬；鋼管樁采用管單元模擬，其中泥面以上采用PIPE59單元，泥面以下采用PIPE16單元；塔筒及與承臺連接位置填充有混凝土的鋼管樁采用殼單元SHELL63模擬；上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用質(zhì)量單元MASS21模擬；有限元模型如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 樁土相互作用模型

考慮海底地基的非線性變形時，將泥面以下樁-土相互作用用彈簧阻尼單元COMBIN14模擬，單位樁長的彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)計算公式為

kx=1.2Es

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Es為土體彈性模量；βs為土體滯回阻尼；ω為激勵荷載的頻率；ρs為土體質(zhì)量密度；Vs為剪切波速；D為樁直徑；α0為無量綱頻率(α0=ωD/Vs)。其中

Es=mB0x

(7)

式中，B0為樁的計算寬度；x為樁的入土深度。

2.3 材料參數(shù)

本文采用多線性隨動強(qiáng)化KINH模型，該模型采用多線性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模擬隨動強(qiáng)化效應(yīng)，考慮包辛格效應(yīng)。此模型適用于服從Mises屈服準(zhǔn)則的小應(yīng)變塑性分析，并可模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系下降段?；炷羻屋S應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段采用GB 50010—2002規(guī)定的公式，下降段則采用Hongnestad的處理方法[8]，即

當(dāng)εc≤ε0時，

(8)

當(dāng)ε0<εc≤εcu時，

(9)

式中，σc為混凝土抗壓強(qiáng)度；fc為峰值應(yīng)力(棱柱體抗壓強(qiáng)度)；ε0為相應(yīng)于峰值應(yīng)力時的應(yīng)變，取0.02；εcu為極限壓應(yīng)變，取0.003 8；εc為初始應(yīng)變。

因為鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點多，針對承臺鋼材結(jié)構(gòu)特性，采用考慮鋼材強(qiáng)化特性的本構(gòu)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 拉應(yīng)力值和超限區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

為更加精確研究波流荷載對承臺拉應(yīng)力影響，分5個水位工況對該高樁承臺拉應(yīng)力進(jìn)行分析，具體工況見表1。

表1 研究工況

為得到高樁承臺混凝土最大拉應(yīng)力值，工況二到工況四均取為該水深下波浪累計概率為1%的波浪工況進(jìn)行。所有工況的波流荷載均按最大值選取，風(fēng)機(jī)荷載通過塔筒質(zhì)量單元施加。

3.1.1 拉應(yīng)力最大值

不同工況承臺混凝土最大拉應(yīng)力值見表2。由表2可以看出，與不考慮波流荷載的基礎(chǔ)工況相比，波流荷載作用下的工況承臺拉應(yīng)力最大值均有所增加，這說明在最大波浪荷載作用下，承臺拉應(yīng)力區(qū)間增大。且隨著水深地增加，最大拉應(yīng)力值不斷增加。

表2 不同工況拉應(yīng)力最大值

3.1.2 混凝土超限體積

該風(fēng)機(jī)高樁承臺的混凝土等級為C50，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.64MPa。不同工況承臺混凝土拉應(yīng)力超限體積見表3。由表3可以看出，相比與不考慮波流荷載的基礎(chǔ)工況，波流荷載作用下的工況承臺拉應(yīng)力超限區(qū)體積均有所減小且隨著水深地增加，拉應(yīng)力超限區(qū)體積不斷增大。

表3 不同工況拉應(yīng)力超限體積

本次所有工況的波流荷載選取的均是不同相位角中波流荷載的最大值。通過模擬不同相位角的波流荷載，最大波流荷載均為由外向內(nèi)”的荷載。為分析波流荷載對高樁承臺混凝土受力形態(tài)影響，建立與最大波流荷載工況相似的簡化模型(見圖3a)進(jìn)行分析。

圖3 波流荷載下高樁承臺簡化模型

通過對圖3a超靜定結(jié)構(gòu)分析，簡化結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，可取結(jié)構(gòu)一半進(jìn)行受力分析。因為荷載對稱，中間點不存在剪力作用，經(jīng)過計算得到該結(jié)構(gòu)受力模型等同于圖3b結(jié)構(gòu)。

由此可見，承臺混凝土主要承受順時針的彎矩和壓應(yīng)力作用，如圖4所示。該工況下，上部和中部混凝土受壓，而通過靜力分析可知，高樁承臺的拉應(yīng)力超限混凝土主要集中在承臺上部和中部，因此波流荷載作用下承臺整體混凝土拉應(yīng)力超限區(qū)混凝土體積減??；而承臺下部受拉，且承臺高拉應(yīng)力混凝土主要集中在承臺下部，因此承臺混凝土的拉應(yīng)力最大值增加。

圖4 高樁承臺受力模型分析

3.2 應(yīng)力分布

工況一～工況五拉應(yīng)力超限區(qū)分布對比如圖5所示，圖例括號內(nèi)為該工況下拉應(yīng)力最大值。

圖5 不同工況應(yīng)力區(qū)間混凝土體積分布

由圖 5可以看出，在2.64～5 MPa范圍內(nèi)，無波流荷載超限體積大于波流荷載工況；在5～11 MPa范圍內(nèi)，無波流荷載工況和波流荷載公款工況超限體積大致相等；在大于11 MPa范圍內(nèi)，僅波流荷載工況下存在超限區(qū)，且超限區(qū)體積很小。

3.3 可靠度分析

由圖5中還可以看出，不同應(yīng)力區(qū)間的混凝土超限體積呈大致二次凸函數(shù)分布，混凝土超限體積主要集中在2.64～6 MPa，在3～4 MPa范圍內(nèi)混凝土達(dá)到最大值，拉應(yīng)力7 MPa以上混凝土很少。通過應(yīng)力直方圖，可以求出應(yīng)力的累計函數(shù)，從而得到承臺不同可靠度下的承臺拉應(yīng)力控制值，如圖6所示。

圖6 不同可靠度下拉應(yīng)力控制值對比

由圖6可以看出，波流荷載作用下不同可靠度的拉應(yīng)力控制值大于無波流荷載作用下控制值，但是兩者差距不大，且當(dāng)可靠度接近100%時，兩者基本相等。說明波流荷載作用下雖然造成混凝土承臺拉應(yīng)力增加，但是由于其高拉應(yīng)力區(qū)間混凝土超限體積很小，在某一可靠度下其拉應(yīng)力控制值與無波流荷載下控制值基本相當(dāng)。在實際工程中，因為波流荷載變化復(fù)雜，且不容易模擬實際工況的混凝土承臺受力，可按照較高可靠度下無波流工況的拉應(yīng)力控制作為工程防裂施工參照標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

(1)由于高樁承臺自身結(jié)構(gòu)的特點，波浪荷載使承臺拉應(yīng)力值增加，但是拉應(yīng)力超限區(qū)減小，說明在波流荷載作用下，承臺混凝土應(yīng)力重分布，拉應(yīng)力極值處受拉程度增加，無波流荷載工況下的部分拉應(yīng)力超限區(qū)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。

(2)波浪荷載增加了承臺混凝土最大應(yīng)力值，但是高拉應(yīng)力區(qū)間的混凝土很少。各個波流荷載工況中，拉應(yīng)力為2.64～7 MPa混凝土占總超限體積的96%，11 MPa以上混凝土所占體積僅為1.5%左右。

(3)混凝土承臺結(jié)構(gòu)抗拉性能可靠度越高，波浪荷載拉應(yīng)力控制值與無波浪荷載作用下的控制值越接近。在實際工程中可考慮采用無波流荷載作用的承臺應(yīng)力最大值作為各種工況下的控制值。