海上風(fēng)電大直徑單樁沉樁疲勞分析

李懷剛，張積樂(lè)，許 立

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電因具有海上風(fēng)資源豐富、湍流強(qiáng)度小、靠近能源負(fù)荷中心、不存在土地占用問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為全球風(fēng)電領(lǐng)域的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)［1］。研究表明，相對(duì)于陸地，海上的風(fēng)速提高20%，發(fā)電量就增加70%，積極合理開發(fā)海上風(fēng)電意義重大［2-3］。海上風(fēng)電作為一種清潔能源，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯，備受關(guān)注。隨著技術(shù)提升和經(jīng)驗(yàn)積累，我國(guó)海上風(fēng)電逐步進(jìn)入大發(fā)展期。截至2019 年底，我國(guó)海上風(fēng)電累積裝機(jī)約684 萬(wàn)kW，已招標(biāo)未建設(shè)項(xiàng)目約2 132.5萬(wàn)kW，容量巨大，市場(chǎng)前景廣闊。

已運(yùn)行的海上風(fēng)電場(chǎng)中，單樁是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式，比例達(dá)到80%［4］。單樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是受力明確、施工較為簡(jiǎn)便快捷，且適應(yīng)性強(qiáng)。單樁基礎(chǔ)通常為大型鋼管樁，單根直徑4～8 m 甚至更大，樁長(zhǎng)數(shù)十米甚至超過(guò)百米，采用大型沉樁機(jī)械打入海床，上部通過(guò)法蘭或連接段與塔筒連接。

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電遠(yuǎn)離陸地，受波浪、海流、強(qiáng)腐蝕等影響，工作環(huán)境更為復(fù)雜。海上環(huán)境惡劣，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到循環(huán)載荷作用，設(shè)計(jì)使用期內(nèi)長(zhǎng)期承受波浪、海流及風(fēng)荷載的反復(fù)作用，設(shè)計(jì)試驗(yàn)期內(nèi)一般反復(fù)作用的次數(shù)達(dá)到1 000 萬(wàn)次以上，易發(fā)生疲勞破壞［5］。沉樁疲勞對(duì)樁體整體疲勞影響明顯，樁基設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)入沉樁造成的疲勞損傷的影響［6-7］。目前對(duì)風(fēng)、波浪疲勞已有較多研究，但對(duì)沉樁階段的疲勞研究卻不多。

GRLWEAP 程序基于一維波動(dòng)方程分析法，可模擬沖擊或振動(dòng)沉樁機(jī)在打入過(guò)程中樁的運(yùn)動(dòng)及受力情況。運(yùn)用GRLWEAP 軟件對(duì)大直徑單樁進(jìn)行可打性分析，與工程符合度較好，已得到業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。通過(guò)可打性分析可得出錘擊次數(shù)及樁身應(yīng)力情況，為疲勞分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。結(jié)合渤海某擬建海上風(fēng)電項(xiàng)目，開展大直徑單樁沉樁疲勞的詳細(xì)分析，研究沉樁疲勞的影響因素及疲勞水平，為類似工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)參考。

1 沉樁分析

1.1 工程概況

渤海海上風(fēng)能儲(chǔ)備豐富，在國(guó)家積極開發(fā)和利用可再生能源的戰(zhàn)略背景下，渤海近海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)勢(shì)在必行［8］。研究的擬建風(fēng)電場(chǎng)位于山東渤海海域，水深30～32 m，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量5.2 MW，設(shè)計(jì)使用年限25年。

基于國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)海洋工程、港口工程的施工能力，排除了重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)，初步擬定單樁基礎(chǔ)、水下三樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)4種代表性基礎(chǔ)方案進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、分析和比選。

考慮結(jié)構(gòu)、施工、工程經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用單樁、水下三樁、導(dǎo)管架及高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案進(jìn)行了綜合比較后，認(rèn)為單樁基礎(chǔ)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且隨著我國(guó)江蘇、廣東海域近海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)發(fā)展，單樁基礎(chǔ)的施工技術(shù)越來(lái)越成熟，其施工簡(jiǎn)便與工期短的優(yōu)勢(shì)逐步在各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)施工過(guò)程中得以體現(xiàn)。因此擬采用單樁基礎(chǔ)作為本工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方案。

主體結(jié)構(gòu)采用大型海工分析設(shè)計(jì)軟件SACS 進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)過(guò)靜力及動(dòng)力分析后，確定單樁基礎(chǔ)樁徑6.0～7.8 m，壁厚65～75 mm。鋼管樁分3 段，上段為圓管，直徑6.0 m，中段為過(guò)渡錐段，直徑6.0～7.8 m，下段為圓管，直徑7.8 m。

1.2 計(jì)算原理

動(dòng)力沉樁是一個(gè)涉及樁-錘-土三者相互作用的復(fù)雜問(wèn)題，影響沉樁順利進(jìn)行的因素較多。沉樁時(shí)，錘擊能量須克服土對(duì)樁的阻力把樁擊入土中。沉樁的過(guò)程就是破壞樁土原有的靜力平衡，使樁體下沉，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程。

對(duì)于大直徑、超長(zhǎng)樁，慣用的動(dòng)力沉樁公式已無(wú)法解決預(yù)測(cè)樁的承載力等問(wèn)題，因?yàn)槠鋵⒊翗哆^(guò)程看成是兩個(gè)絕對(duì)剛體自由碰撞問(wèn)題，認(rèn)為錘擊能力瞬間就傳遞到樁底，但實(shí)際上沉樁的能量是以一種應(yīng)力波的方式向下傳遞，所以采用波動(dòng)方程能給沉樁過(guò)程提供較為合理的分析［9］。

波動(dòng)方程分析方法是將整個(gè)打樁系統(tǒng)抽象化成由許多離散的單元組成，樁錘、樁帽、墊層（錘墊及樁墊）以及樁身部分均由無(wú)質(zhì)量的彈簧模擬，各部分的質(zhì)量則由不可壓縮的剛性塊體來(lái)模擬。樁周土體的彈性、塑性動(dòng)阻力與靜阻力也分別用彈簧、摩擦鍵及緩沖壺來(lái)模擬。樁錘對(duì)樁的一次錘擊可轉(zhuǎn)化為樁-錘-土系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題來(lái)分析。

采用GRLWEAP 軟件對(duì)單樁基礎(chǔ)的沉樁過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。GRLWEAP 程序用于模擬沖擊或振動(dòng)沉樁機(jī)在打入過(guò)程中樁的運(yùn)動(dòng)及受力情況，可全面模擬樁錘、沉樁系統(tǒng)、樁和土的性能。考慮土阻力時(shí)的一維波動(dòng)方程表述如式（1）［9-10］所示。

式中：ω為樁內(nèi)某截面沿Z軸向的位移；t為時(shí)間；c為應(yīng)力波在樁內(nèi)的傳播速度，c=，其中E為彈性模量，ρ為質(zhì)量密度；z為樁截面位置坐標(biāo)；R′為反映樁的土阻力參數(shù)項(xiàng)。

1.3 單樁基本參數(shù)

單樁基礎(chǔ)為一根中空鋼管樁，長(zhǎng)度100 m，設(shè)計(jì)入土深度56 m，壁厚65～75 mm。樁體分段組成詳見(jiàn)表1。樁2 段為變截面過(guò)渡段，其頂部與樁1 段連接處為6 000 mm，尾部與樁3 段連接處為7 800 mm，故其為區(qū)間值。單樁材料采用海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼，等級(jí)DH36，正火Ⅰ級(jí)探傷板，屈服強(qiáng)度為355 MPa，彈性模型210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。

表1 樁的組成表（從樁頂?shù)綐兜祝?/p>

1.4 樁錘參數(shù)

液壓式IHC 系列沉樁錘結(jié)合了完整一體的錘芯和全封閉沉樁錘殼體兩大特點(diǎn)，是一種設(shè)計(jì)別致且加固可靠的沉樁錘。該沉樁錘適用于大而長(zhǎng)的海上平臺(tái)管樁以及其他各種樁和地面基礎(chǔ)工程，包括水下全能量碎石。液壓沉樁錘具有操作方便，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，是當(dāng)今世界上主流的打樁錘。

結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)同類工程的調(diào)查，須采用大型液壓打樁錘，經(jīng)調(diào)研滿足沉樁需求的1 800 kJ的大型打樁錘國(guó)內(nèi)有20 余臺(tái)，1 200 kJ 的大型打樁錘數(shù)量較多，因此確定以1 800 kJ 的大型打樁錘作為首選錘型，1 200 kJ 的大型打樁錘作為備選錘型。沉樁分析時(shí)選用的樁錘為IHC S-1200 及IHC S-1800，不使用樁墊，樁錘效率按90%考慮，其基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 樁錘基本參數(shù)

1.5 土層參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，勘測(cè)土層厚度為75 m，從上到下分為10 層，主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂等類型。各土層基本參數(shù)見(jiàn)表3。

樁側(cè)土的阻尼，砂土取為0.164 s/m，黏土取為0.65 s/m，樁端土取0.5 s/m。

樁周土的彈性變形值，樁側(cè)土取為2.54 mm，樁端土取為2.54 mm。

根據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)［1］，大直徑開口鋼樁在連續(xù)打樁過(guò)程中幾乎不形成土塞，因此分析中不考慮土塞效應(yīng)。

表3 土層參數(shù)

1.6 沉樁結(jié)果分析

1）樁土阻力計(jì)算。

以S-1200樁錘為例，在GRLWEAP軟件中，輸入土層參數(shù)及樁體參數(shù)，選用簡(jiǎn)單土類型方法（即ST方法）進(jìn)行樁身阻力計(jì)算，樁身阻力分布情況如圖1所示。第1層土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布在頂部4.4 m 范圍，單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力極??；第2層為粉土，單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力均有明顯增加；第3 層為粉質(zhì)黏土，單位樁側(cè)阻力明顯增加，但單位樁端阻力增加較少；第4層和第5層分別為粉土及粉砂，單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力均大幅增加；第6 層粉質(zhì)黏土單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力呈現(xiàn)局部凹陷趨勢(shì)，強(qiáng)度明顯低于相鄰?fù)翆樱坏? 層和第8 層分別為粉土和細(xì)砂，單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力值達(dá)到峰值；第9 層粉質(zhì)黏土的單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力值有所下降?？梢?jiàn)砂土層的單位樁側(cè)阻力及單位樁端阻力值明顯高于黏土層。粉土因黏粒含量和砂粒含量不同而表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，第2 層粉土更接近于黏土，第4 層和第7 層更接近于砂土性質(zhì)。

從樁身阻力沿樁長(zhǎng)分布角度分析，樁身阻力表現(xiàn)出上小下大的趨勢(shì)，以21.5 m 為界，下部土層樁身阻力明顯大于上部土層。沉樁過(guò)程主要是克服下部土層的樁身阻力。

2）沉樁分析結(jié)果。

經(jīng)計(jì)算，S-1200 沉樁錘將單樁打入設(shè)計(jì)標(biāo)高所需錘擊數(shù)約為2 578 擊；最大動(dòng)應(yīng)力為92 MPa，滿足美國(guó)API RP2A—WSD 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)應(yīng)力限值的要求［11］。壓應(yīng)力約為90 MPa，拉應(yīng)力約為60 MPa，此處局部應(yīng)力集中系數(shù)按1.0 考慮，由此得到應(yīng)力幅值約150 MPa。

圖1 樁身阻力

沉樁過(guò)程模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，極限承載力與錘擊數(shù)變化規(guī)律與樁身阻力分布情況基本一致，極限承載力最大值出現(xiàn)在泥下50 m 處，其值為64 835 kN。單位貫入度錘擊數(shù)變化范圍在0～128 擊，最大值出現(xiàn)在泥下50 m 處。錘擊能量在22 m 以后基本穩(wěn)定在880 kJ，錘擊沖程在22 m 以后基本穩(wěn)定在2.02 m。樁在自沉階段，受自重和樁錘壓力，下沉可達(dá)到22 m，淺表層沉樁錘擊數(shù)為0，容易出現(xiàn)溜樁問(wèn)題，建議沉樁開始時(shí)控制錘的能量，采取相應(yīng)措施，確保沉樁的正常進(jìn)行。

圖3為樁頂力變化曲線，圖4為樁頂速度變化曲線，樁頂端的力及速度隨L/c（樁長(zhǎng)L與應(yīng)力波波速c的比值）及時(shí)間波動(dòng)變化。樁頂端力在3.9 ms 時(shí)達(dá)到最大值152 522 kN，樁頂端速度在3.9 ms時(shí)達(dá)到最大值2.165 m/s。兩條曲線的波動(dòng)趨勢(shì)基本相同，擬合程度很高，表明錘擊能量在樁身中以波動(dòng)形式傳播，驗(yàn)證了波動(dòng)理論在大直徑單樁沉樁分析中的有效性。

圖2 沉樁過(guò)程模擬結(jié)果

采用同樣分析方法，對(duì)應(yīng)得到S-1800 沉樁錘擊數(shù)約為1 974擊，最大動(dòng)應(yīng)力為101 MPa，壓應(yīng)力約為100 MPa，拉應(yīng)力約為60 MPa，局部應(yīng)力集中系數(shù)按1.0考慮，應(yīng)力幅值約160 MPa。

圖3 樁頂力變化曲線

圖4 樁頂速度變化曲線

通過(guò)對(duì)兩種不同型號(hào)樁錘沉樁全過(guò)程的分析，發(fā)現(xiàn)樁身最大應(yīng)力隨樁錘額定功率的增加而增大。S-1200 沉樁錘對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)應(yīng)力為92 MPa，S-1800沉樁錘對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)應(yīng)力為101 MPa，均不超過(guò)樁身鋼材屈服強(qiáng)度的80%～90%，滿足API RP2A—WSD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)應(yīng)力限值的要求。兩種樁錘型號(hào)均滿足規(guī)范要求。

S-1200 沉樁錘及S-1800 沉樁錘對(duì)應(yīng)的沉樁擊數(shù)分別為2 578擊及1 974擊。結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)同類海上風(fēng)電工程沉樁情況的調(diào)研，兩種型號(hào)的樁錘都可用于沉樁施工。

2 疲勞分析

疲勞是海工結(jié)構(gòu)失效的常見(jiàn)原因，對(duì)于始終承受循環(huán)動(dòng)力荷載的海洋工程結(jié)構(gòu)而言，疲勞分析顯得尤為重要。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的樁體疲勞主要包括兩個(gè)方面，一是在位疲勞，包括波浪、風(fēng)機(jī)荷載等引起的樁體疲勞；二是沉樁及運(yùn)輸引起的樁身疲勞。此處主要研究沉樁引起的樁體疲勞問(wèn)題。

鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析采用基于Palmgren?Miner 線性損傷理論的S-N曲線方法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：N為疲勞失效循環(huán)次數(shù)；m為S-N曲線斜率的負(fù)倒數(shù)；lga為lgN軸上的截距；tref為參照厚度，此處取為25 mm；t為最可能發(fā)生裂紋的厚度，此處取75 mm；Δσ為應(yīng)力幅值；k為疲勞強(qiáng)度的厚度指數(shù)。

依據(jù)挪威船級(jí)社DNVGL 標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RPC203《Fatigue design of offshore steel structures》，考慮厚度的影響，根據(jù)單樁基礎(chǔ)的位置及所處環(huán)境，給出參考S-N曲線的參數(shù)，詳見(jiàn)表4。在實(shí)際疲勞設(shè)計(jì)中，把焊接節(jié)點(diǎn)分為幾個(gè)類別，每個(gè)類別的節(jié)點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的S-N曲線。單樁基礎(chǔ)各樁段之間采用坡口對(duì)接焊縫，一般認(rèn)為大直徑單樁可按板的對(duì)接焊縫考慮，對(duì)應(yīng)的S-N曲線一般為C1 或D。C1 曲線對(duì)加工制造要求很高，所有焊縫都須打磨至與板表面齊平，此外對(duì)焊接加工環(huán)境和檢測(cè)都有嚴(yán)格要求，加工成本較高。D 曲線對(duì)加工制造要求相對(duì)寬松，可降低施工難度，加快施工速度，實(shí)際工程中選用較多。結(jié)合擬建風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際情況，此處曲線類型選為D。

表4 S-N曲線取值參數(shù)

疲勞分析按式（3）計(jì)算［6］。

式中：FDFF為疲勞安全系數(shù)，此處取3；Dc為疲勞損傷；ni為應(yīng)力組i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Ni為常應(yīng)力幅值Δσi作用下產(chǎn)生疲勞失效的預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)，可根據(jù)式（2）計(jì)算得出；u為應(yīng)力組個(gè)數(shù)。

S-1200 分析結(jié)果對(duì)應(yīng)DNVGL-RP-C203 的D 曲線，考慮到沉樁時(shí)陰極保護(hù)可能尚未完成安裝，此處偏安全取用在海水中自由腐蝕的S-N曲線，按照式（2）計(jì)算得到N約為74 551 次。按照式（3）計(jì)算樁身疲勞為

得到此時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷約為0.1。若沉樁時(shí)陰極保護(hù)已起到保護(hù)作用，則采用海水中有陰極保護(hù)的S-N曲線，對(duì)應(yīng)的N約為92 700 次，相應(yīng)的疲勞損傷為0.083。

此外考慮到若打樁時(shí)間較短，單樁鋼結(jié)構(gòu)尚未能夠形成應(yīng)力腐蝕狀態(tài)，此時(shí)大氣環(huán)境中的S-N曲線可能較為符合實(shí)際情況。采用大氣中的S-N曲線進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的N約為223 590 次，相應(yīng)的疲勞損傷為0.035?？梢园l(fā)現(xiàn)，大氣中的S-N曲線對(duì)應(yīng)的疲勞損傷明顯小于海水中的S-N曲線。但大氣中的S-N曲線是否適用于沉樁疲勞分析還有待于進(jìn)一步的研究。

采用同樣分析方法，S-1800 分析結(jié)果對(duì)應(yīng)海水中自由腐蝕的S-N曲線，N約為63 970 次，對(duì)應(yīng)的疲勞損傷為0.093。對(duì)應(yīng)海水中有陰極保護(hù)的S-N曲線，N約為76 380次，對(duì)應(yīng)的疲勞損傷為0.078。對(duì)應(yīng)大氣中的S-N曲線，N約為184 233 次，對(duì)應(yīng)的疲勞損傷為0.032。

可見(jiàn)不同S-N曲線、不同的沉樁環(huán)境、不同沉樁錘型等因素對(duì)疲勞損傷均有影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮，確保樁體的安全及經(jīng)濟(jì)合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

由于海上環(huán)境的復(fù)雜性，海上沉樁需要進(jìn)行可打性分析，實(shí)踐證明運(yùn)用基于一維波動(dòng)方程分析法的GRLWEAP 軟件進(jìn)行可打性分析是一種有效手段。

在沉樁分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于S-N曲線可以較方便地評(píng)估單樁沉樁疲勞損傷情況。結(jié)合渤海海域某擬建海上風(fēng)電場(chǎng)，評(píng)估得到該大直徑單樁沉樁疲勞損傷在0.1 左右，沉樁疲勞不可忽視，可為類似工程提供參考。

沉樁疲勞損傷與樁錘型號(hào)、土層分布情況、樁體參數(shù)、S-N曲線等多種因素有關(guān)，需要結(jié)合工程實(shí)際情況合理分析，確保樁體設(shè)計(jì)安全合理。