復(fù)雜條件下近海風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

文 | 任彥忠，李光明，梁峰，湯旅軍

（作者單位：任彥忠，李光明，梁峰：中國(guó)廣核新能源控股有限公司；湯旅軍：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司）

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是支撐結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其將作用在葉輪及塔架上的風(fēng)荷載以及自身受到的波流荷載、船舶靠泊荷載等傳遞到海床土中，以此保證海上風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式眾多，單樁基礎(chǔ)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、施工工期短、經(jīng)濟(jì)性較好，是目前海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有約80%以上的海上風(fēng)電機(jī)組采用單樁基礎(chǔ)。

風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)與傳統(tǒng)油氣平臺(tái)在受力特性上有很大區(qū)別。油氣平臺(tái)因整體結(jié)構(gòu)較重，通常豎向荷載占主導(dǎo)地位；對(duì)于單樁基礎(chǔ)而言，由于海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)屬于典型的高聳結(jié)構(gòu)（輪轂高度一般近百米），通常水平環(huán)境荷載及彎矩占主導(dǎo)地位。因此，單樁基礎(chǔ)的豎向抗壓、豎向變形一般較容易滿足，而水平變形相對(duì)不容易滿足，過大變形將嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的正常工作，極端情況下甚至?xí)l(fā)生單樁基礎(chǔ)傾斜、倒塌等嚴(yán)重事故。此外，單樁支撐結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)較柔，不滿足設(shè)計(jì)要求的支撐結(jié)構(gòu)自振頻率極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大振動(dòng)，從而降低機(jī)組設(shè)計(jì)壽命。在風(fēng)電機(jī)組服役過程中，單樁基礎(chǔ)將長(zhǎng)期承受風(fēng)、波浪等的疲勞荷載作用，焊縫疲勞損傷過大將引起焊縫斷裂，影響單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全?？傮w上，海上風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)與油氣平臺(tái)在設(shè)計(jì)方面有很大差別。單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作主要面臨以下挑戰(zhàn)：（1）單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)目前盡管有設(shè)計(jì)規(guī)范（DNVGL-ST-0126；NB/T10105）可遵循，但這些規(guī)范的原則性規(guī)定較多，缺少符合規(guī)范要求的設(shè)計(jì)手冊(cè)等資料參考，這在很大程度上增加了設(shè)計(jì)難度，降低了設(shè)計(jì)效率。（2）單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)面臨的條件日趨復(fù)雜，如風(fēng)電機(jī)組容量增大帶來輪轂高度的增大及載荷增加；隨著水深逐漸增大，波浪環(huán)境愈發(fā)惡劣，而單樁基礎(chǔ)的受荷分析理論研究還不夠成熟。（3）行業(yè)內(nèi)降電價(jià)趨勢(shì)已明確，為保證項(xiàng)目整體收益率，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面，亟需在確保安全的前提下，通過合理的單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化降低整個(gè)基礎(chǔ)的投資。

本文基于國(guó)內(nèi)外單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，首先歸納介紹該類基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程，然后依托某個(gè)具有典型復(fù)雜條件的近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，詳細(xì)闡述單樁基礎(chǔ)初步方案的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析過程，最后針對(duì)工程中普遍關(guān)注的單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，提出了一種可行的樁長(zhǎng)優(yōu)化方法。希望本文研究可為后繼海上風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

單樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程

國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范（DNVGL-ST-0126；NB/T10105）并未闡明單樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程及關(guān)鍵點(diǎn)，這一方面容易使得實(shí)際設(shè)計(jì)工作的差異性較大；另一方面，也在較大程度上影響實(shí)際設(shè)計(jì)的工作效率。根據(jù)國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)踐，筆者總結(jié)歸納了單樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程（見圖1），并重點(diǎn)闡述了單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

如圖1所示，單樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程為：首先，根據(jù)機(jī)位點(diǎn)的地質(zhì)、水文、塔架、風(fēng)電機(jī)組載荷等設(shè)計(jì)輸入性資料，初步確定單樁基礎(chǔ)的尺寸，主要包括直徑D、壁厚t、樁長(zhǎng)L。其次，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組廠商允許的頻率窗口，校核支撐結(jié)構(gòu)頻率，避免因支撐結(jié)構(gòu)自振頻率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（1p）及葉片掃掠塔架頻率（3p）重合，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)行期發(fā)生較大振動(dòng)，影響風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。為避開風(fēng)電機(jī)組1p和3p頻率帶，支撐結(jié)構(gòu)通常有3種可選方式（如圖2所示），即自振頻率小于1p下限的“柔-柔”型式、自振頻率大于1p上限且小于3p下限的“剛-柔”型式、自振頻率大于3p上限的“剛-剛”型式?？紤]到“柔-柔”型支撐結(jié)構(gòu)自振頻率易與波浪譜、風(fēng)譜的主頻重合，在波浪和風(fēng)等外界荷載作用下發(fā)生共振；而“剛-剛”型支撐結(jié)構(gòu)盡管能避開共振，但工程量大、造價(jià)高，因此，設(shè)計(jì)中通常采用具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的“剛-柔”型支撐結(jié)構(gòu)。通常情況下，直徑D比壁厚t對(duì)支撐結(jié)構(gòu)頻率的影響更顯著。由此可見，在樁長(zhǎng)L一定的自振頻率校核階段，可以對(duì)單樁基礎(chǔ)的直徑進(jìn)行優(yōu)化，使得支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率滿足風(fēng)電機(jī)組廠家的頻率窗口，并根據(jù)規(guī)范及場(chǎng)地情況適當(dāng)留有裕度。其次，對(duì)單樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形進(jìn)行校核計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)，通過調(diào)整基礎(chǔ)尺寸（D、L、t），使得強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形滿足設(shè)計(jì)要求。此外，需考慮施工因素（如錘擊沉樁等），選擇合適的t/D，避免單樁基礎(chǔ)施工時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度及穩(wěn)定問題。再次，需對(duì)單樁基礎(chǔ)的焊縫疲勞進(jìn)行校核，校核過程中需評(píng)估風(fēng)、浪及施工引起的疲勞損傷。當(dāng)疲勞校核不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可通過對(duì)焊縫的處理或適當(dāng)增大樁徑，使得疲勞損傷滿足設(shè)計(jì)要求，自此完成單樁基礎(chǔ)的計(jì)算，形成單樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)方案。最后，在單樁初設(shè)方案的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成單樁基礎(chǔ)的最終設(shè)計(jì)方案。

項(xiàng)目概況

一、工程地質(zhì)

本文分析是基于某個(gè)具有典型復(fù)雜條件的近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，覆蓋層厚度深淺不一，且土體力學(xué)性狀差異顯著。本文僅針對(duì)場(chǎng)區(qū)一種典型地層介紹單樁基礎(chǔ)方案的初步設(shè)計(jì)過程，表1給出了相應(yīng)的地層分布及土體參數(shù)取值?？梢钥闯觯４裁嬲w較低（85高程標(biāo)高為-15.28m），海床面以下地層分布如表1所示。

表1 典型地層分布及土體參數(shù)

二、海洋水文

根據(jù)水文計(jì)算，場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)水位（相對(duì)國(guó)家85高程）為：極端高水位為+4.61m（50年一遇）、極端低水位為-4.08m，設(shè)計(jì)高水位為+3.30m、設(shè)計(jì)低水位為-2.94m。表2為重現(xiàn)期為50年的不同水位條件下H1%波高及對(duì)應(yīng)的平均周期，可以看出本場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)波浪條件非常惡劣，極端高水位（無海床沖刷下水深約為19.89m）下50年一遇H1%波高達(dá)8.44m。根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)流速的計(jì)算，場(chǎng)區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)平均流速為2.15m/s。

表2 場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)波浪要素

表3 RNA（機(jī)艙、輪轂、葉片組合）和塔架基本參數(shù)

三、風(fēng)電機(jī)組、塔架及載荷資料

風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量為4MW，風(fēng)輪直徑為130m，輪轂高度約為90m，切入風(fēng)速為3.0～5.0m/s，切出風(fēng)速為25m/s,額定風(fēng)速為11.5m/s，運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為5.0～14.0rpm。表3為RNA（機(jī)艙、輪轂、葉片組合）和塔架基本資料。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組廠家與設(shè)計(jì)單位的載荷迭代計(jì)算結(jié)果，塔底極限荷載、風(fēng)電機(jī)組等效疲勞荷載分別如表4、表5所示。

表4 塔底極限載荷

表5 等效疲勞載荷

單樁基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算

一、單樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)方案

根據(jù)場(chǎng)區(qū)資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該風(fēng)電場(chǎng)采用無過渡段單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)方案如圖3所示：將單根直徑為5.5～6.0m的鋼管樁固定于海底，承受波浪、海流荷載及風(fēng)電機(jī)組塔架傳遞的風(fēng)荷載，鋼管樁樁長(zhǎng)約為70.6m，壁厚為65～75mm，變徑段長(zhǎng)度為9.6m，入土深度約為39.72m，樁端進(jìn)入⑥1散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，樁底高程為-55.0m，樁頂高程為15.6m。單樁樁頂焊接基礎(chǔ)頂法蘭與上部風(fēng)電機(jī)組塔筒底法蘭直接用螺栓連接，鋼管樁的樁身預(yù)先設(shè)置附屬結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件，沉樁完成后安裝整體式附屬結(jié)構(gòu)。為降低局部沖刷對(duì)單樁基礎(chǔ)的影響，在樁周海床面鋪設(shè)砂被對(duì)單樁基礎(chǔ)進(jìn)行防沖刷保護(hù)。

二、單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計(jì)算

（一）分析理論及方法

采用海洋工程結(jié)構(gòu)分析軟件SACS，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率及單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載力、變形、疲勞等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行樁體模擬，采用非線性彈簧模擬樁-土相互作用?；凇皃-y”曲線法分析樁-土水平向相互作用，對(duì)于砂性土，采用丹麥奧爾堡大學(xué)S?rensen等建議的“考慮樁徑效應(yīng)的初始剛度修正”的“p-y”曲線；對(duì)于粘性土，采用DNVGL規(guī)范（2018）建議的“p-y”曲線?；贒NVGL規(guī)范（2018）建議的“t-z”曲線法（樁側(cè)）和“q-z”曲線法（樁端）計(jì)算樁-土豎向相互作用。根據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T10105—2018）選用荷載工況、荷載組合、荷載作用分項(xiàng)系數(shù)與組合系數(shù)。樁基承載力計(jì)算采用《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4—2012）推薦的方法。基于《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法-荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法（增補(bǔ)1）》（SY/T10009—2002）推薦的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，該方法亦被《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T10105—2018）采納?；A(chǔ)疲勞分析中，焊縫S-N曲線采用DNVGL-RP-C203規(guī)范（2016）建議的曲線。

（二）分析結(jié)果

采用有限元法建立“RNA（機(jī)艙、輪轂、葉片組合）+塔架+基礎(chǔ)+地基”的整體分析系統(tǒng)，對(duì)整體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，評(píng)價(jià)支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率及發(fā)生1p、3p共振的可能性。根據(jù)不同時(shí)期海底地形圖的對(duì)比結(jié)果，場(chǎng)區(qū)機(jī)位處的整體沖刷速率為0.1m/y，25年整體沖刷深度約為2.5m（～0.5D）?？紤]到防局部沖刷保護(hù)的不同效果，頻率計(jì)算過程中分別考慮局部沖刷為0（防局部沖刷有效）及0.5D（防局部沖刷失效）兩種沖刷效應(yīng)，頻率計(jì)算中的總沖刷深度分別為0.5D和1D兩種情況。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組廠家的技術(shù)要求，該機(jī)型允許的單樁支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率范圍為0.28～0.32Hz。圖4為支撐結(jié)構(gòu)的一、二階自振典型振型，可見一階振型為左右平動(dòng)，二階振型為前后平動(dòng)。表6為不同沖刷深度下支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率結(jié)果，可見沖刷深度越大，支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率越低，更容易引發(fā)運(yùn)行中過大振動(dòng)及疲勞荷載的增加。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在0.5D～1D沖刷范圍內(nèi)，支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率均在風(fēng)電機(jī)組廠家允許的頻率范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)流程，在支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率滿足設(shè)計(jì)要求后，分別對(duì)單樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度、承載力及變形進(jìn)行計(jì)算分析。需要指出的是，單樁基礎(chǔ)通常不存在撐桿對(duì)弦桿的沖剪問題，通常不承受上拔荷載，因此，本文不對(duì)單樁基礎(chǔ)的沖剪、抗拔載荷進(jìn)行分析。圖5為泥面以上單樁基礎(chǔ)不同位置的強(qiáng)度UC值，圖6為泥面以下樁身變形沿深度的變化規(guī)律，表7為針對(duì)單樁基礎(chǔ)初步方案的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。由圖、表可以看出，單樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度、承載力、變形均滿足《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T10105—2018）要求。

表6 不同沖刷深度下支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率

除上述對(duì)單樁基礎(chǔ)初步方案的各項(xiàng)分析外，還需基于Miner線性損傷累積理論對(duì)單樁基礎(chǔ)的環(huán)焊縫疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算分析。焊縫疲勞S-N曲線根據(jù)DNVGL-RP-C203規(guī)范（2016）選用，S-N曲線表達(dá)式如下：

式中，N為疲勞壽命，即在應(yīng)力范圍Δσ內(nèi)循環(huán)到破壞的次數(shù)；Δσ為應(yīng)力范圍；m為在log10N-log10S繪圖中，S-N曲線中的反斜率；log10a為log10N軸的截距；tref為參考厚度，圓周焊縫取值為25mm；K為厚度指數(shù)，“D”類曲線取值為0.2。

Miner線性累積損傷理論認(rèn)為，構(gòu)件在應(yīng)力水平Δσi下，受ni次循環(huán)的損傷為Di＝ni/Ni。若在M個(gè)應(yīng)力水平Δσi下，每個(gè)應(yīng)力經(jīng)受ni次循環(huán)，則總損傷如下式所示：

表7 單樁基礎(chǔ)初步方案的分析結(jié)果

式中，D為累積的疲勞損傷度；n（Δσi）為應(yīng)力幅Δσi的實(shí)際循環(huán)次數(shù)，N（Δσi）為應(yīng)力幅Δσi的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)；DFF為設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)，單樁基礎(chǔ)的焊縫疲勞分析取值為3。

單樁基礎(chǔ)的疲勞損傷主要包括施工期打樁疲勞損傷，以及運(yùn)行期風(fēng)、浪聯(lián)合作用下的疲勞損傷。施工期單樁基礎(chǔ)的焊縫疲勞損傷分析主要包括：通過打樁分析軟件GRLWEAP，根據(jù)錘型及錘擊計(jì)劃，獲得沉樁過程中不同位置焊縫名義應(yīng)力幅值及作用次數(shù)，采用DNVGL-RP-C203規(guī)范（2016）建議的應(yīng)力集中系數(shù)SCF計(jì)算法獲得焊縫位置的熱點(diǎn)應(yīng)力，基于DNVGL-RP-C203規(guī)范（2016）推薦的S-N曲線，計(jì)算獲得熱點(diǎn)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的疲勞破壞次數(shù)。根據(jù)作用次數(shù)及疲勞破壞次數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)DFF，最終獲得施工期焊縫疲勞損傷。運(yùn)行期單樁基礎(chǔ)的焊縫疲勞損傷分析，應(yīng)首先計(jì)算風(fēng)、浪疲勞載荷下焊縫處彎矩，獲得單樁基礎(chǔ)焊縫位置的名義應(yīng)力，而后根據(jù)風(fēng)、浪聯(lián)合作用的次數(shù)，采取與施工期疲勞分析相同的方法，獲得運(yùn)行期單樁基礎(chǔ)的疲勞損傷。表8為樁身不同焊縫位置的疲勞累積損傷，由表可以看出綜合考慮施工期打樁疲勞，運(yùn)行期風(fēng)、浪聯(lián)合作用引起的疲勞，單樁基礎(chǔ)的各焊縫截面疲勞損傷值均小于1.0，樁身焊縫疲勞滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上可知，單樁支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率滿足風(fēng)電機(jī)組廠商關(guān)于頻率窗口的要求，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載力、變形滿足《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10105—2018）中的技術(shù)要求，單樁基礎(chǔ)的疲勞滿足DNVGL-RP-C203規(guī)范（2016）要求，因此，上述單樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)方面是安全可靠的。

表8 樁身焊縫位置疲勞累積損傷

單樁基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，占主導(dǎo)地位的水平荷載及彎矩，使得單樁基礎(chǔ)的水平變形成為單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制約因素。因此，在滿足結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，盡可能降低樁重、控制水平變形是單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的重要內(nèi)容。在不影響支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率（涉及風(fēng)電機(jī)組載荷迭代）、打樁時(shí)樁身的強(qiáng)度等前提下，樁長(zhǎng)優(yōu)化被認(rèn)為是降低樁重的最有效方法。事實(shí)上，在合理適用的樁徑條件下，樁長(zhǎng)的選取與環(huán)境荷載水平及樁周土體（特別是表層土體）的力學(xué)性質(zhì)等因素密切相關(guān)。在樁長(zhǎng)的具體設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)不能過于冗余。樁長(zhǎng)對(duì)變形的控制存在邊際效應(yīng)，當(dāng)超過一定的樁長(zhǎng)后，樁長(zhǎng)的增加對(duì)變形的影響非常小。（2）設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)不能太短。樁長(zhǎng)小于一定值后，泥面位置的變形、轉(zhuǎn)角容易超出設(shè)計(jì)限值，在極端的情況下甚至?xí)l(fā)生整體傾倒失穩(wěn)，影響風(fēng)電機(jī)組的正常服役?？梢姡瑢?duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化是單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化最重要的內(nèi)容。

本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)上文所述單樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，探討不同樁長(zhǎng)對(duì)單樁基礎(chǔ)水平變形的影響，即對(duì)在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上將樁長(zhǎng)分別減短1m、2m、3m、4m、5m、6m的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行樁身變形分析。圖7—圖8分別為不同方案樁身水平變形及樁身轉(zhuǎn)角沿深度變化的曲線。由圖7-圖8可以看出，樁長(zhǎng)減短后，泥面處樁身水平位移及轉(zhuǎn)角、樁端水平位移均有所增大。表9為不同方案下泥面處樁身變形及轉(zhuǎn)角，可以看出樁長(zhǎng)在減短0～4m情況下，每減短1m，泥面處樁身水平變形增大幅度為2.2%～4.1%，泥面處樁身轉(zhuǎn)角增大幅度為1.3%～3.1%。當(dāng)樁長(zhǎng)在減短4～6m情況下，每減短1m，泥面處樁身水平變形增大幅度為5.4%～6.0%，泥面處樁身轉(zhuǎn)角增大幅度為4.02%～5.2%?？梢?，當(dāng)樁長(zhǎng)由初步設(shè)計(jì)方案（樁底標(biāo)高-55.0m）減短0～4m，泥面位置水平變形緩慢增大，每減短1m，水平變形增大幅度小于5%，水平變形相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)樁長(zhǎng)由初步方案（樁底標(biāo)高-55.0m）減短4～6m，泥面位置水平變形增大較快，每減短1m，水平變形增大幅度大于5%，水平變形增大速率相對(duì)樁長(zhǎng)減短已不穩(wěn)定，盡管此時(shí)泥面轉(zhuǎn)角在規(guī)范（NB/T10105—2018）允許的范圍內(nèi)，但考慮到土體參數(shù)離散性以及該海域極端風(fēng)暴潮頻發(fā)導(dǎo)致的“大幅值”循環(huán)荷載長(zhǎng)期作用等復(fù)雜因素對(duì)水平變形的不利影響，不建議將樁長(zhǎng)優(yōu)化至此長(zhǎng)度范圍。因此，從單樁基礎(chǔ)的水平變形上看，將樁長(zhǎng)在初步設(shè)計(jì)方案（樁底標(biāo)高-55.0m）的基礎(chǔ)上減短4m是較為合理的優(yōu)化方案（樁底標(biāo)高-51.0m），而單樁基礎(chǔ)的泥面轉(zhuǎn)角亦滿足《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10105—2018）要求。對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)頻率，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載力、疲勞等方面的復(fù)核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的單樁基礎(chǔ)方案均滿足設(shè)計(jì)要求。因此，針對(duì)原初步設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，能夠有效減小單樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度及重量，單根樁體重量可減少約41噸，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表9 不同方案下泥面處樁身水平變形及轉(zhuǎn)角

結(jié)語與展望

本文針對(duì)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中存在“規(guī)范較明確但實(shí)際設(shè)計(jì)導(dǎo)則不完善”的行業(yè)現(xiàn)狀，基于國(guó)內(nèi)外單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，首先歸納介紹了單樁基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)流程；然后依托某個(gè)具有典型復(fù)雜條件的近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，詳細(xì)闡述了單樁基礎(chǔ)初步方案的結(jié)構(gòu)分析過程，涵蓋支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率，基礎(chǔ)的強(qiáng)度、承載力、變形及疲勞等主要分析內(nèi)容；最后針對(duì)工程中普遍關(guān)注的單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，明確了單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，并提出基于單樁基礎(chǔ)水平變形的樁長(zhǎng)優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法，在滿足結(jié)構(gòu)安全前提下能夠有效減少基礎(chǔ)工程量，合理地降低基礎(chǔ)的投資，提升單樁基礎(chǔ)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

本文研究可為海上風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一些借鑒思路。但限于問題的復(fù)雜性，本文的研究在后繼工作中還可以繼續(xù)深化，例如進(jìn)一步完善一體化載荷的計(jì)算理論及方法，發(fā)展單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)新理論，合理確定結(jié)構(gòu)分析限值等。