基于多尺度有限元的海上升壓站腳靴式樁套筒連接結(jié)構(gòu)分析研究

張 偉，張 坤，姜貞強，孫震洲，王永發(fā)，呂國兒，陳杰峰

(1.華能遼寧清潔能源有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000；2.浙江省深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 311122；3.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 311122)

隨著“3060”碳排放目標(biāo)的提出，作為可再生清潔能源的海上風(fēng)電將迎來持續(xù)性的增長。截至2021年年初，國內(nèi)已成功建設(shè)40余座海上風(fēng)電場，在建海上風(fēng)電場20余座。在海上風(fēng)電場從淺海向深海發(fā)展的大趨勢下，承擔(dān)電能匯集及傳輸作業(yè)的海上升壓站結(jié)構(gòu)型式由樁插入主導(dǎo)管型式向樁插入水下套筒型式轉(zhuǎn)變。一方面，樁—套筒腳靴式導(dǎo)管架可大大降低導(dǎo)管架鋼材量；另一方面，該導(dǎo)管架型式海上打樁、灌漿等施工更為簡便，大大提高了工程經(jīng)濟(jì)性。相應(yīng)地，腳靴式連接結(jié)構(gòu)扮演著荷載從導(dǎo)管架向樁基礎(chǔ)傳遞的重要角色，一旦失效將造成災(zāi)難性后果。因此，針對上下軛板、剪力板等連接件開展更精確地計算方法研究分析，是該型式海上升壓站在位狀態(tài)安全性評估的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的工程設(shè)計中，通常采用有限元計算軟件建立整體海上升壓站的框架結(jié)構(gòu)模型，關(guān)注梁、桿等單元的應(yīng)力狀態(tài)。對于腳靴式結(jié)構(gòu)與主導(dǎo)管的連接部位，其由剪力板、上下軛板及翼緣板等板型結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在梁桿系有限元中無法準(zhǔn)確計算板的應(yīng)力狀態(tài)[1]。因此針對關(guān)鍵部位的板型結(jié)構(gòu)，通常采用截斷的板系有限元模型進(jìn)行計算分析。然而，截斷有限元模型對于邊界條件設(shè)置十分敏感，不準(zhǔn)確的邊界條件可能造成截然相反的結(jié)論。此外，對于海上升壓站，其設(shè)計工況包含在位[2]、地震[3]、靠船[4]、疲勞[5]等諸多控制性工況，截斷有限元模型需要提取大量組合工況的節(jié)點位移、荷載等邊界條件，同時涉及整體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，給設(shè)計人員增加了巨大的計算復(fù)核壓力。

為解決整體有限元與截斷有限元之間的矛盾，宜采用多尺度有限元同步模擬宏觀的整體行為及結(jié)構(gòu)局部的微觀特性[6]，在保證計算效率的同時，也可提高局部區(qū)域的計算精度[7]。對于多尺度有限元的研究，國外起步較早。在20世紀(jì)末，McCune等[8-9]基于功平衡原則給出了梁單元—實體單元、梁單元—板單元等跨尺度界面的節(jié)點約束方程，該方程具有更好的應(yīng)力連續(xù)性的同時，考慮了桿件的剪切變形效應(yīng)。隨后，Nukala等[10]將多尺度推廣至框架結(jié)構(gòu)中，解決了幾何非線性問題；Ladeveze等[11]在多尺度域分解方法的基礎(chǔ)上，增加了時空多尺度特性，發(fā)展了廣義分解法。除結(jié)構(gòu)多尺度外，F(xiàn)afitis[12]通過多尺度有限元模型，對材料非線性開展研究并驗證了跨尺度耦合的可行性；Li等[13]提出了一致多尺度方法，對材料損傷演化造成的結(jié)構(gòu)失效進(jìn)行模擬，分析了強動荷載引起的結(jié)構(gòu)失效問題。

目前，國內(nèi)學(xué)者也對多尺度有限元開展了諸多研究。李兆霞等[14]基于ABAQUS軟件，研究了大跨結(jié)構(gòu)多尺度模擬中的建模方法和策略；劉海峰[15]研究了網(wǎng)格節(jié)點或桿件塑性屈服前后，多尺度有限元求解的彈性階段和塑性階段；徐世鵬[16]針對粗糙邊界問題，采用局部正交分解技術(shù)構(gòu)造了多尺度組合有限元法；鄭哲遠(yuǎn)[17]提出了尺度域演變機(jī)制，并建立了邊尺度域有限元方法，解決了損傷跨尺度演化對計算精度的影響；王小慶[18]通過優(yōu)化改進(jìn)的多尺度并行數(shù)值模擬方法，將多尺度計算推廣至千萬自由度以上的超大規(guī)模數(shù)值分析?？梢钥闯觯槍Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)特別是海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的多尺度模型分析研究尚少，同時有限元結(jié)果僅針對屈服強度的驗算，無法完成板受壓時的屈曲極限復(fù)核，對于短、頻、快的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)工程設(shè)計未形成指導(dǎo)性意見。

文中基于多尺度有限元計算理論及SACS軟件，針對我國東北地區(qū)某海上風(fēng)電場的腳靴式海上升壓站結(jié)構(gòu)，建立多尺度有限元模型，對腳靴結(jié)構(gòu)的屈服強度進(jìn)行復(fù)核；并采用直接計算的方式，對各板件的屈曲進(jìn)行驗算。同時，通過不同精細(xì)化范圍的多尺度有限元模型及不同邊界的截斷有限元模型對比研究，論證了多尺度有限元的優(yōu)越性，給出了截斷有限元邊界條件設(shè)置建議；進(jìn)而結(jié)合屈曲極限的敏感性曲線，為工程設(shè)計的不同階段提供建議。

1 失效模式分析

1.1 屈服失效

在工程應(yīng)用中，通?？刹捎糜邢拊嬎阒械牡刃?yīng)力來研究所關(guān)注結(jié)構(gòu)的屈服強度。文中采用多尺度有限元法來確保邊界條件及傳力路徑的準(zhǔn)確性，以計算得到較為可靠的設(shè)計強度值。

多尺度有限元分析中，通常將結(jié)構(gòu)分成兩個部分——整體大尺度域Ω(1)和局部小尺度域Ω(2)?；谧钚菽茉?，為得到位移的唯一解，應(yīng)使得系統(tǒng)應(yīng)變能的變分為零，可以得到有限元的一般控制方程，同時對應(yīng)于多尺度有限元模型不同尺度域，可表達(dá)為：

(1)

(2)

(3)

式中：F及M為梁/桿單元的節(jié)點力及力偶；Nd為跨尺度界面上精細(xì)化單元的數(shù)量；Ai為精細(xì)化單元的面積；τ為單元平面內(nèi)的剪應(yīng)力流；σ為主應(yīng)力；α為單元局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的夾角，上標(biāo)e代表單元。

1.2 屈曲失效

對于軛板，其結(jié)構(gòu)型式屬于外沿受壓構(gòu)件，其受壓屈曲應(yīng)滿足[19]：

(4)

(5)

其中，s為板的寬度，t為板的厚度，kσ為屈服強度fy的折減系數(shù)，其與板兩端的應(yīng)力比Ψ存在一定的函數(shù)關(guān)系，即kσ=f(Ψ)，兩者關(guān)系如圖1所示。實際計算時，Ψ應(yīng)根據(jù)有限元計算得到的軛板兩端應(yīng)力關(guān)系確定，Ψ=σ2/σ1，σ1為較大側(cè)應(yīng)力的最大值，其中受壓為正。從圖1可以看出，當(dāng)最大應(yīng)力位于約束側(cè)時，kσ對應(yīng)力比Ψ十分敏感。因此，為保證屈曲校核的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡可能地在有限元計算中計算得到準(zhǔn)確應(yīng)力比Ψ。

圖1 kσ與Ψ關(guān)系圖[19]

對于軛板受剪、剪力板受剪屈曲校核及軛板翼緣的校核，可參照規(guī)范DNV-RP-C201[19]，文中不做贅述。

對于屈服和屈曲校核，可采用UC(unity check)值來直觀衡量結(jié)構(gòu)的安全性，對于安全性復(fù)核時，UC值應(yīng)滿足以下要求：

(6)

式中：σmises為采用多尺度有限元模型計算得到的等效Mises應(yīng)力，γm為材料系數(shù)。

2 工程算例

2.1 計算模型

文中所采用的計算模型依托于大連海域某300 MW海上風(fēng)電項目海上升壓站。該海上升壓站上部組塊采用空間桁架結(jié)構(gòu)，平面尺寸約41.0 m×38.0 m，共設(shè)置4層甲板，總高度約20.5 m，一層為電纜層及休息區(qū)，主變壓器、氣體絕緣組合電器(GIS)、開關(guān)柜等主要設(shè)備布置于2～4層，總質(zhì)量約3 200 t?；A(chǔ)采用樁—套筒腳靴式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，腳靴處主導(dǎo)管腿截面尺寸為Φ1 850 mm×50 mm，套筒截面尺寸為Φ2 960 mm×50 mm，兩者通過上、下軛板及剪力板焊接連接。算例工程樁徑為2 600 mm，入泥約49 m，樁基持力層為粉質(zhì)黏土層。

海上升壓站所處海域平均海平面水深為23.22 m，選取具有代表性的極端風(fēng)暴潮工況作為研究工況。其百年一遇高潮位為3.79 m，百年一遇低潮位為-4.14 m，百年一遇最大波高為Hmax=3.09 m，其對應(yīng)周期T=9.44 s，百年一遇最大垂向平均流速為1.41 m/s。為精確計算樁—套筒處位置板的應(yīng)力狀態(tài)，采用SACS V15.0進(jìn)行多尺度有限元建模。為同時保證計算效率，通過無局部細(xì)化的有限元模型試算后，選取最危險受力處的腳靴式連接結(jié)構(gòu)，采用板殼單元對主腿及其相鄰撐桿、套筒、剪力板、上下軛板及軛板翼緣板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各構(gòu)件參數(shù)如表1所示。為體現(xiàn)撐桿與主腿的節(jié)點關(guān)系并獲得最優(yōu)的網(wǎng)格質(zhì)量，撐桿及主腿采用三角形單元，其余位置均以四邊形單元為主，最終計算模型如圖2所示。特別地，局部精細(xì)化建模位置波流力無法直接采用Morison公式計算得到，為保證荷載輸入的正確性，通過調(diào)整板的拖曳力系數(shù)，使環(huán)境荷載等同于無局部細(xì)化的整體模型環(huán)境荷載。

圖2 海上升壓站的多尺度有限元計算模型

表1 腳靴式連接結(jié)構(gòu)各構(gòu)件參數(shù) Tab.1 The parameters of the boot-type substation (mm)

2.2 屈服失效分析

多尺度有限元模型約束條件等同于在位工況時整體有限元模型的約束，即套筒底部為土體超單元矩陣。極端風(fēng)暴潮工況計算時共設(shè)置32組工況，包括各個典型角度的風(fēng)浪流荷載組合，如表2所示。為保證多尺度有限元模型中計算結(jié)果的可對比性，選取局部小尺度域處的樁頭0779位置，對比計算得到的樁頭水平位移及樁頭軸力結(jié)果，如圖3所示?？梢钥闯龆喑叨饶Ｐ团c整體模型計算結(jié)果基本吻合，驗證了多尺度模型局部精細(xì)化建模的合理性。

表2 極端風(fēng)暴潮荷載工況組合

圖3 多尺度有限元與整體有限元節(jié)點位移及內(nèi)力對比

通過樁土非線性靜力分析，可得到海上升壓站大尺度桿件UC結(jié)果及小尺度板等效應(yīng)力結(jié)果，如圖4所示。不難看出，上部組塊及導(dǎo)管架各梁、柱和桿件UC值均小于1，滿足安全性要求。需要指出，對于局部精細(xì)化模型，其主腿撐桿可直接通過桿件校核結(jié)果得到，因此撐桿的網(wǎng)格劃分僅為得到主腿應(yīng)力分布及撐桿與弦桿交界處網(wǎng)格的連續(xù)性，不作為應(yīng)力校核的參考依據(jù)。

圖4 多尺度有限元6012工況計算結(jié)果

多尺度有限元中各板的等效應(yīng)力云圖如圖5所示。在局部精細(xì)化模型中，對套筒—漿體—樁的相互作用予以忽略，保守考慮該位置板單元厚度僅為套筒壁厚，通過改變套筒單元板的密度來修正缺失的樁及灌漿料質(zhì)量，該部分的局部強度及漿體的抗剪/壓強度需額外計算[20]。通過多尺度有限元計算得到最大等效應(yīng)力位于剪力板與套筒、下軛板連接處，幅值達(dá)到421.5 MPa。該位置處于應(yīng)力重分布的交界處，具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且該位置塑性應(yīng)變小于5%，不會導(dǎo)致塑性區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展。基于規(guī)范[21]，考慮1.15材料系數(shù)的50 mm鋼板的屈服強度為282.6 MPa，除應(yīng)力集中位置外，最大等效應(yīng)力215 MPa小于板的屈服強度，滿足安全性要求。另外，上、下軛板及其翼緣介于75～181 MPa間，最大等效應(yīng)力為180.4 MPa，位于剪力板與下軛板連接處，同樣滿足安全性要求。

圖5 腳靴式連接結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

2.3 屈曲失效分析

對腳靴式連接結(jié)構(gòu)上、下軛板及剪力板屈曲校核時，為保守考慮通常假定樁頭傳遞的基底彎矩和剪力均由軛板承擔(dān)，樁頭傳遞的豎向力則由剪力板承擔(dān)?；谲棸寮凹袅Π宓氖軌籂顟B(tài)，軛板按外沿受壓構(gòu)件進(jìn)行屈曲校核，剪力板按無加強筋受剪構(gòu)件進(jìn)行屈曲校核。在軛板的屈曲校核時，建立如圖6所示的局部坐標(biāo)系，將基底彎矩及剪力轉(zhuǎn)換至軛板所在的局部坐標(biāo)系中進(jìn)行校核，x方向為導(dǎo)管架中心與樁中心連線方向，y方向垂直于該連線方向，剪力板屈曲校核仍采用整體坐標(biāo)系。

圖6 軛板局部坐標(biāo)系

從腳靴式連接結(jié)構(gòu)的兩種失效模式分析中可以看出，對于算例工程極端風(fēng)暴潮工況，剪力板的屈服失效為最危險工況，UC值達(dá)0.76，且上軛板的屈曲UC值(0.63)相對于屈服UC值(上軛板最大等效應(yīng)力為168.9 MPa，UC值為0.60)更大，說明了僅屈服校核無法涵蓋所有失效模式，表明屈曲校核的必要性。

3 有限元模型敏感性分析

對多尺度模型精細(xì)化范圍及截斷模型邊界條件對于結(jié)果的敏感程度進(jìn)行分析，特別地，選取樁頭產(chǎn)生最大豎向荷載的6012工況(低水位下重力起主導(dǎo)作用時和45°環(huán)境荷載的組合工況)。在海上升壓站整體坐標(biāo)系下，該工況樁頭(0779)位置內(nèi)力為FX=2 741.1 kN，F(xiàn)Y=2 971.9 kN，F(xiàn)Z=-15 960.9 kN，MX=21 468.2 kN·m，MY=-20 900.8 kN·m，MZ=-101.7 kN·m，以用于截斷有限元該位置的邊界條件約束。

3.1 多尺度模型精細(xì)化范圍

從2.2節(jié)計算結(jié)果可知，項目結(jié)構(gòu)主導(dǎo)管并非為最危險位置，在多尺度有限元模型中，為了保證主導(dǎo)管與撐桿相貫關(guān)系，在其局部位置需劃分大量網(wǎng)格，降低了運算效率。這里建立無撐桿網(wǎng)格劃分的多尺度有限元模型為對比模型，大大降低網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格復(fù)雜程度，討論多尺度模型精細(xì)化范圍對計算結(jié)果的影響。

為保持計算結(jié)果的可對比性，模型除不對撐桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分及主腿采用四邊形單元網(wǎng)格劃分不同外，其余網(wǎng)格劃分及輸入條件設(shè)置均保持一致。最終計算結(jié)果對比如表3所示，各部位等效應(yīng)力云圖如圖7所示?？梢钥闯觯鲗?dǎo)管位置外，其余部件最大等效應(yīng)力均有所增長，但均在10%以內(nèi)，等效應(yīng)力云圖趨勢均保持一致。主導(dǎo)管位置由于撐桿荷載傳遞由網(wǎng)格傳遞更改為桿件節(jié)點傳力，局部網(wǎng)格位置的受力無法體現(xiàn)，被網(wǎng)格所耗散的荷載變小，進(jìn)而導(dǎo)致其余構(gòu)件等效應(yīng)力變大。因此，若在設(shè)計前期或關(guān)注重點為連接構(gòu)件時，可不對撐桿節(jié)點網(wǎng)格劃分，提高計算效率的同時，使得計算結(jié)果更為保守，有利于前期結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表3 不同精細(xì)化范圍多尺度模型計算結(jié)果對比

圖7 腳靴式連接結(jié)構(gòu)精細(xì)化范圍縮小等效應(yīng)力云圖

3.2 截斷模型邊界條件

通過設(shè)置6組不同截斷有限元模型的邊界條件，研究計算結(jié)果對邊界條件的敏感程度。同樣為消除有限元網(wǎng)格帶來的影響，截斷模型采用2.2節(jié)多尺度有限元模型中精細(xì)化建模部分。相同的，為結(jié)果顯示的清晰性，同樣不對撐桿進(jìn)行應(yīng)力分析。6組邊界條件設(shè)置如表4所示。

表4 截斷有限元模型邊界條件設(shè)置

計算得到各截斷模型等效應(yīng)力云圖如圖8～13所示。其中，截斷模型4和截斷模型5由于等效應(yīng)力超限大，采用百分比的形式來體現(xiàn)應(yīng)力分布?；?.1節(jié)結(jié)論，這里重點關(guān)注上、下軛板及剪力板的等效應(yīng)力幅值變化，結(jié)果匯總于表5中。通過結(jié)果對比，可以得到如下結(jié)論：

表5 截斷有限元模型計算結(jié)果

圖8 截斷模型1等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

1)各截斷有限元模型中，剪力板的等效應(yīng)力分布基本一致，極值點均出現(xiàn)在剪力板與下軛板、套筒和上軛板、主導(dǎo)管連接位置，且下方等效應(yīng)力更大，截斷模型1和截斷模型2與多尺度模型計算結(jié)果更為接近；

2)相比于多尺度模型，截斷模型1和截斷模型2上、下軛板等效應(yīng)力最大值基本相同，但除開最大等效應(yīng)力位置，如軛板邊緣及翼緣計算結(jié)果整體偏??；

3)從主導(dǎo)管的應(yīng)力分布可以得知，截斷模型1與截斷模型2相比，其結(jié)果更接近多尺度有限元模型，因此在不便于提取撐桿位移時，可簡化采用固定約束進(jìn)行分析，但需注意主導(dǎo)管的校核結(jié)果將偏危險；

4)套筒底部施加固定或位移約束后，計算結(jié)果均偏大，這是由于在多尺度模型中，套筒底部實際是采用樁土相互作用產(chǎn)生的約束，等效剛度較小。截斷面的約束越強，則計算得到的等效應(yīng)力結(jié)果越大。

綜上，在截斷有限元分析計算時，推薦采用截斷模型1的約束方式；當(dāng)主導(dǎo)管構(gòu)件應(yīng)力水平低或多尺度模型截斷位置節(jié)點位移獲取困難時，可采用截斷模型2來分析。但針對上、下軛板翼緣的校核，截斷模型結(jié)果均偏小，若該位置為主要關(guān)注位置，應(yīng)采用多尺度有限元模型或相應(yīng)規(guī)范條款進(jìn)行補充分析。

圖9 截斷模型2等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

圖10 截斷模型3等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

圖11 截斷模型4等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

圖12 截斷模型5等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

圖13 截斷模型6等效應(yīng)力云圖計算結(jié)果

4 屈曲敏感性分析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)2.3節(jié)結(jié)論，對于文中工程項目剪力板的控制工況為屈服失效，屈曲UC值較小，但上軛板的屈曲UC值要大于屈服UC值，因此將探討不同軛板板厚對屈服及屈曲設(shè)計的敏感性。為保證軛板屈服應(yīng)力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，重點關(guān)注軛板的等效應(yīng)力值，因此基于3.1節(jié)結(jié)論，采用無斜撐的多尺度有限元模型進(jìn)行保守計算，同時為排除應(yīng)力比對屈曲極限的影響，均選取30 mm軛板計算的應(yīng)力比0.78計算，共考慮32組工況。分別設(shè)置軛板板厚為20～40 mm，板厚間隔為5 mm，計算得到的兩種失效模式UC值如圖14所示。

從圖14中可以看出，屈曲UC值隨軛板板厚變化斜率更大，即屈曲失效對軛板板厚更為敏感。對于工程中當(dāng)板厚為30 mm時兩種失效模式UC值相當(dāng)。在工程設(shè)計中，除構(gòu)件安全性校核需求外，仍需考慮鋼材用量、焊接施工難度等，當(dāng)板厚提高時，焊接難度及用鋼量增加明顯?？删C合考量項目需求、施工質(zhì)量及安全性等指標(biāo)，給出合理的板厚設(shè)計值。

圖14 軛板板厚對失效模式的影響

4.2 應(yīng)力比Ψ

腳靴式連接結(jié)構(gòu)上軛板的屈曲不僅與本身設(shè)計參數(shù)有關(guān)，亦與應(yīng)力比Ψ關(guān)系密切?；谝?guī)范[19]要求，應(yīng)力比應(yīng)根據(jù)有限元計算結(jié)果確定，因此從不同有限元模型計算得到的應(yīng)力比Ψ對屈曲計算的敏感性，來探討多尺度有限元模型的優(yōu)越性。

選取6012工況為研究工況，基于3.2節(jié)的結(jié)論，對兩個多尺度有限元模型及截斷模型1～6進(jìn)行分析研究。根據(jù)公式(5)，可以繪制出屈曲極限折減系數(shù)Cx與應(yīng)力比Ψ的關(guān)系，如圖15所示，可以看出在不同約束條件下，折減系數(shù)均隨著應(yīng)力比的增大而減小，當(dāng)應(yīng)力比為1時達(dá)到最小值0.30。對于文中工程，可以計算得到帶斜撐的多尺度模型應(yīng)力比為0.78，不帶斜撐的多尺度模型、截斷模型1和2的應(yīng)力比為0.60，截斷模型3和4的應(yīng)力比為0.58，屈曲極限值分別為93.20 MPa、102.31 MPa和103.33 MPa，帶斜撐的有限元計算結(jié)果最為保守，當(dāng)有限元模型計算得到的等效應(yīng)力結(jié)果接近時，所計算得到的應(yīng)力比相當(dāng)。對于工程設(shè)計的前期階段，可采用應(yīng)力比1進(jìn)行保守設(shè)計；隨著設(shè)計深度的提升，宜在建立多尺度有限元模型計算后，提取精確的應(yīng)力比對腳靴結(jié)構(gòu)的屈曲進(jìn)行重新驗算，以保證計算的合理性和結(jié)構(gòu)的安全性。

圖15 屈曲極限對應(yīng)力比的敏感性曲線

5 結(jié) 語

針對國內(nèi)尚無多尺度有限元方法應(yīng)用于海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)的空白，采用多尺度有限元方法開展了腳靴式海上升壓站樁—套筒連接結(jié)構(gòu)的局部分析，以某海上升壓站實際結(jié)構(gòu)為對象驗證了其在極端風(fēng)暴潮工況下屈服及屈曲失效模式的安全性。同時，開展了多尺度有限元精細(xì)化范圍及不同邊界條件下截斷有限元計算結(jié)果對比研究，并針對上軛板板厚及應(yīng)力比對屈曲極限值的敏感度分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)對于文中海上升壓站工程，腳靴式結(jié)構(gòu)不存在屈服和屈曲失效，滿足安全性要求。

2)多尺度有限元方法相比于截斷有限元結(jié)構(gòu)荷載傳遞更為合理，考慮樁土的相互作用，可準(zhǔn)確計算得到腳靴處連接結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，精細(xì)化網(wǎng)格面積越大，則可實現(xiàn)更大范圍的精確等效應(yīng)力計算。文中細(xì)化斜撐的多尺度模型可更為精確地計算主導(dǎo)管位置等效應(yīng)力。

3)截斷有限元模型套筒底部施加荷載邊界條件及截斷位置施加位移或固定邊界條件時，計算結(jié)果最接近多尺度有限元結(jié)果，但在上、下軛板及翼緣位置計算結(jié)果偏危險，多尺度有限元方法計算得到的等效應(yīng)力更符合工程實際，更能反映結(jié)構(gòu)的受力特性；截斷有限元建模邊界條件建議采用荷載加位移/固定邊界條件的組合。

4)腳靴式連接結(jié)構(gòu)上軛板屈曲極限對板厚更為敏感，對于上軛板而言，屈曲驗算更為關(guān)鍵；在實際工程設(shè)計時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮板厚、施工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及安全性等指標(biāo)。

5)在設(shè)計初期上軛板屈曲校核可保守采用應(yīng)力比1進(jìn)行估算，當(dāng)設(shè)計階段深入時宜采用多尺度有限元計算得到更為準(zhǔn)確的應(yīng)力比進(jìn)行復(fù)核。