波流荷載加載方式對風(fēng)機(jī)高樁承臺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響

陸南辛，祝周杰

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

0 引 言

高樁承臺基礎(chǔ)是一種常見的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式，其具有結(jié)構(gòu)安全性能高、抗水平荷載能力強(qiáng)、施工工藝相對成熟和造價較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。在水深10～30 m，表層土體工程性狀較差的區(qū)域，得到廣泛采用。

在海上風(fēng)電基礎(chǔ)的受力模式中，主要承受的外荷載為基礎(chǔ)波流荷載和風(fēng)機(jī)荷載[2]。對于高樁承臺而言，由于風(fēng)機(jī)荷載直接作用在承臺頂部的基礎(chǔ)法蘭上，作用力由基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)或者高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓傳遞至混凝土承臺，由于荷載的間接傳遞，風(fēng)機(jī)荷載大部分的作用效果已經(jīng)由混凝土承臺整體轉(zhuǎn)化為樁基礎(chǔ)的軸力，其對于高樁承臺樁基礎(chǔ)的鋼管樁的影響是協(xié)同的，影響較小。

波流荷載直接作用高樁承臺鋼管樁上，對樁身的應(yīng)力直接影響。而在實(shí)際工程中，波流荷載的加載方向和高度往往是隨機(jī)的，與風(fēng)機(jī)荷載呈一定的夾角，因此，了解波流荷載加載方式對樁基礎(chǔ)的應(yīng)力影響具有一定的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)意義。

1 波流荷載模型

(1)波浪荷載。波浪荷載是引起海上建筑物疲勞損壞的主要荷載，在相關(guān)的港工、海上結(jié)構(gòu)物規(guī)范中，如《港口與航道水文規(guī)范》《Design of offshore wind turbine structures》《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》《灘海環(huán)境條件與荷載技術(shù)規(guī)范》都對波浪荷載的計(jì)算給出了相關(guān)的規(guī)定。目前通用的波浪荷載的計(jì)算公式均是基于Morison公式(其適用條件為波浪波長與構(gòu)件外徑之比大于5)，根據(jù)Morison方程，作用于結(jié)構(gòu)的波浪荷載為[3]

(1)

(2)水流荷載。建議采用《港口工程荷載規(guī)范》進(jìn)行水流荷載的計(jì)算，即

(2)

式中，F(xiàn)w為水流力標(biāo)準(zhǔn)值；Cw為水流阻力系數(shù)；V為水流設(shè)計(jì)流速；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。

2 高樁承臺結(jié)構(gòu)有限元模擬

本文以我國東南某海上風(fēng)電場高樁承臺基礎(chǔ)為算例。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元分析軟件ANSYS程序，承臺混凝土采用實(shí)體單元SOLID65模擬，與承臺連接的塔筒連接段和管樁段用實(shí)體單元SOLID 95進(jìn)行模擬，海床面以上鋼管樁采用PIPE59單元模擬，海床面以下鋼管樁采用PIPE16單元進(jìn)行模擬[4]。模型如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電場高樁承臺基礎(chǔ)示意

鋼管樁與土層作用采用非線性彈簧單元COMBINE39進(jìn)行模擬，根據(jù)地勘成果，參照API RP 2A-WSD-2000《Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design》[5]和DNVGL-ST- 0126《Support structures for wind turbines》等相關(guān)規(guī)范，確定p-y曲線、t-z曲線和Q-z曲線，并分別用于定義水平方向、軸向及樁端非線性彈簧屬性。

對于樁土相互作用時的水平荷載的模擬采用的p-y曲線，參照《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法》相關(guān)規(guī)定，對于粘性土樁的側(cè)向極限承載力Pu按下式確定[5]：

Pu=(3c+γX)D+JcX當(dāng)0

(3)

Pu=3cD當(dāng)XR≤X

(4)

式中，pu為樁側(cè)向極限承載力；c為未受擾動的粘性土的不排水剪強(qiáng)度；D為樁的直徑；γ為土體有效容重；J為無量綱經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，變化范圍為0.25～0.50，本文取為0.4；X為泥面以下深度；XR為泥面以下至土抗力減小區(qū)底部的深度。

對于砂性土的p-y曲線，樁的側(cè)向極限承載力Pu按下式確定：

Pu=(C1X+C2D)γX當(dāng)0

(5)

Pu=C3DγX當(dāng)XR≤X

(6)

式中，C1、C2、C3為參數(shù)，取決于砂土內(nèi)摩擦角φ。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同水位對于鋼管樁應(yīng)力的影響

3.1.1計(jì)算工況及承臺基本情況

為了更加準(zhǔn)確的研究不同水位波流荷載對高樁承臺鋼管樁受力的影響，采用5個水位工況對高樁承臺鋼管樁進(jìn)行受力分析，計(jì)算工況描述見表1。

表1 計(jì)算工況

本文高樁承臺采用2.0 m直徑鋼管樁，海床面以上鋼管樁壁厚為30 mm。承臺底高程設(shè)置為12.5 m，采用《港口與航道水文規(guī)范》對面板底部波浪付托力復(fù)核，本文高樁承臺基本不受波浪上托力及沖擊力作用。由于非實(shí)際工程且對服役期止的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海生物附著厚度的敏感性進(jìn)行研究表明，海生物生長厚度對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振特性敏感性較低[6]，因此，本文高樁承臺暫不考慮海生物附著、鋼管樁腐蝕以及海床面局部沖刷。同時，考慮波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載的作用方向?yàn)橥颉?/p>

3.1.2鋼管樁應(yīng)力最大值及高程分布

鋼管樁應(yīng)力最大值及位置分布見表2。通過表2可以看出，考慮波流荷載影響的鋼管樁Mises應(yīng)力，均要明顯高于不考慮波流荷載影響的工況，應(yīng)力增大幅度高達(dá)66%。對于不同計(jì)算水位的工況，可知隨著水深和波高的增加，鋼管樁應(yīng)力也不斷增加。由表2可知，總體上隨著水深的增加，最大應(yīng)力點(diǎn)也會上移，基本上位于對應(yīng)工況水面位置以上。對于沒有波流荷載作用的工況1，最大應(yīng)力作用點(diǎn)位置明顯靠下。

表2 各水位工況鋼管樁Mises應(yīng)力情況

3.2 不同波流荷載作用方向?qū)︿摴軜稇?yīng)力的影響

在工程設(shè)計(jì)上通常選取常浪向作為波浪的入射方向，并且讓風(fēng)機(jī)荷載作用方向與波浪海流方向一致，而實(shí)際上波流荷載的作用往往是隨機(jī)的。為了研究波流荷載作用方向?qū)Ω邩冻信_鋼管樁的作用效果，固定計(jì)算水位為極端高水位，選取風(fēng)機(jī)荷載與波流荷載方向分別呈0°、45°、90°、135°、180°5個工況對高樁承臺鋼管樁進(jìn)行受力分析。鋼管樁應(yīng)力最大值及應(yīng)力分布見表3。

表3 各波流荷載作用方向鋼管樁Mises應(yīng)力情況

由表3可知，在波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載同向作用時，鋼管樁的應(yīng)力最小，而在反向作用時，鋼管樁的應(yīng)力反而最大，這與通常理解的情況有所出入。為了探尋原因，提取本工程鋼管樁變形如圖2所示。由圖2可知，由于土壤和混凝土承臺對于鋼管樁約束作用，鋼管樁在單純風(fēng)機(jī)荷載作用下的變形呈現(xiàn)“S”形。在水下部分，鋼管樁樁身呈現(xiàn)出與風(fēng)機(jī)荷載方向反向的撓度。此時，與風(fēng)機(jī)荷載反向的波浪力與水下部分鋼管樁擾度方向一致，在一定程度上是對于鋼管樁水下部分的撓度有增加作用，這直接表現(xiàn)為鋼管樁應(yīng)力的增大，同時導(dǎo)致鋼管樁最大應(yīng)力位置隨著風(fēng)機(jī)荷載與波流荷載荷載夾角增加而下移。在波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載方向呈大于135°時，最大應(yīng)力位置已經(jīng)低于該工況的水面位置。當(dāng)荷載夾角引起的應(yīng)力增大幅度約為10%，對比水位、波高對于應(yīng)力增大的幅度而言相對較小，但是在工程設(shè)計(jì)比較接近極限的情況下，這部分應(yīng)力增大將是不可忽視的。

圖2 鋼管樁變形示意

3.3 應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)分布

本文中高樁承臺風(fēng)電基礎(chǔ)鋼管樁采用Q355C材質(zhì)鋼管樁，對于壁厚16～40 mm的鋼材而言，其抗拉、抗壓和看完的強(qiáng)度為295 MPa。因此，本文將應(yīng)力區(qū)間在245～295 MPa的鋼管樁區(qū)域定義為“應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)”。本文對高樁承臺8根樁應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)面積進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，5種應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)總面積如表4所示。由表4可知，波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載反向作用工況下的應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)面積要略大于同向作用工況，但是并沒有很明顯的規(guī)律性，危險(xiǎn)區(qū)面積沒有顯著增大。

表4 各波流力作用方向鋼管樁應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)面積

由于應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)面積是統(tǒng)計(jì)的整個承臺的8根樁，而最大應(yīng)力只是選取了其中應(yīng)力最大的樁，并不能代表整個基礎(chǔ)鋼管樁的應(yīng)力平均水平。對于整個承臺而言，8根樁是沿360°方向平均分布的，整體而言對于荷載夾角的敏感程度較低。工程可靠度較水平?jīng)]有明顯變化。

4 結(jié) 論

(1)波流荷載會顯著增加高樁承臺鋼管樁的應(yīng)力，樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨著水深、波高的增大而增大。

(2)波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載的作用夾角會影響風(fēng)機(jī)高樁承臺鋼管樁基礎(chǔ)的受力情況。當(dāng)波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載反向時，樁基礎(chǔ)最大應(yīng)力達(dá)到峰值。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意波流荷載作用方向的影響，選取最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)對于不同的波流荷載與風(fēng)機(jī)荷載的作用夾角，應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)面積相差不大。應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)是整個風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可靠度的一個整體評價，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，如果未達(dá)到基礎(chǔ)整體受力極限，則可以認(rèn)為波流荷載的作用方向?qū)τ诨A(chǔ)的整體可靠度影響較小。