海上風電PHC 高樁承臺基礎靜力分析實例

陳學章，蒲 濤，彭德剛，鄭 中，周孝佳

( 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

作為海上風電的重要組成部分，與陸上風電相比，風機基礎主要的技術難點在于其復雜的海上環(huán)境荷載作用[1]。由于海上風機結構的剛度與工程造價成正比，若結構的剛度較大，其工程造價將大幅度增加。一般而言，對于固定式基礎，海上風機的整體剛度相對較小，結構受力分析一直是基礎分析中的重難點[2-3]。

目前，海上風電風機基礎主要采用單樁基礎、高樁承臺和導管架基礎，樁基材料主要采用鋼管樁。王海軍[4]等對Y 型導管架基礎采用筒型基礎的受力特征進行了分析；楊鈺榮[5]等、王舸[6]等對大型海上單樁基礎在長期循環(huán)荷載下的受力變形特性進行了研究；龔敏[7]等對海上風電風機新型吸力桶型基礎的結構受力進行了分析；王秋慧[8]對海上風電中PHC 群樁高樁承臺基礎的施工進行了研究。最初，海上風電工程建設的規(guī)范體系均是基于歐洲的DNV 規(guī)范[9]、美國的API 規(guī)范[10]，我國能源行業(yè)標準NB/T 10105—2018《海上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》[11]也相對完善，但主要基于鋼管樁基礎。而國內(nèi)外關于PHC 樁海上風電場風機基礎方面的研究還相對有限。

本文基于我國通用的標準，運用非線性有限元理論，以越南某近海風電場風機基礎為例，研究PHC樁高樁承臺風機基礎在工程中的靜力分析。

1 設計條件

本次分析選用越南某近海風電場(以下簡稱“越南風電場”)風機基礎作為工程實例。越南風電場場區(qū)海底地形起伏變化較小，泥面高程在-4.5 ～-1.0 m 之間。越南風電場擬安裝83 臺單機容量為4.2 MW 的風電機組，總裝機容量350 MW。根據(jù)我國能源行業(yè)標準NB/T 10101—2018《風電場工程等級劃分及設計安全標準》[12]，越南風電場工程規(guī)模為大型，風機基礎設計等級為甲級，風機基礎結構安全等級為一級。參照國內(nèi)NB/T 10105—2018 的規(guī)定，越南風電場風機基礎的潮水設計標準按重現(xiàn)期50 a；其風機基礎的海況(海洋環(huán)境荷載或荷載效應)設計標準按重現(xiàn)期50 a。

1.1 工程地質及海洋水文

風機布設區(qū)域主要屬于沿海平原的累積地形。地形表面比較平坦，地形高程范圍為-4.5 ～-1.0 m。

風機區(qū)域鉆孔揭露地層如下：

①層表土：主要包括松散砂、軟塑狀黏性土等，混有植物根系、腐殖質、貝殼等。厚度0.5 ～1.0 m。

②層淤泥、淤泥質土：流塑狀，夾薄層砂，混貝殼。厚度15.8 ～17.0 m。標貫擊數(shù)1 ～4 擊，平均擊數(shù)2 擊。

③黏性土：以可塑狀為主，局部為軟塑狀?；煊械[石。厚度32 ～36 m。標貫擊數(shù)8 ～29 擊，平均擊數(shù)20 擊。

④層細砂：中密～密實，混黏性土，厚度約4.5 m，標貫擊數(shù)30 ～31 擊。

⑤層黏性土：可塑～硬塑，厚度約12.5 m，標貫平均擊數(shù)26 擊。

⑥層中細砂：密實，該層鉆探未揭穿，標貫擊數(shù)30 ～37 擊，平均擊數(shù)33 擊。

風電場區(qū)域海泥面以下土層的設計地質參數(shù)見表1 所列。

表1 風電場區(qū)域海泥面以下土層的設計地質參數(shù)

該項目處于前期開發(fā)階段，缺乏海洋水文資料，參照使用項目周邊水文觀測站相關資料。由于篇幅所限，本文僅分析極端高潮位3.1 m、相應的波高Hs=2.22 m、周期Tp=6.22 s 的情況。

1.2 風機參數(shù)及荷載資料

目前，計算風機風輪氣動荷載的方法主要有動量理論、葉素-動量理論和計算流體力學模擬等。葉素-動量理論模型比較簡單，計算量較小，在實際工程中被廣泛用于風機的設計和性能計算。風機基礎結構設計時，所考慮的風機荷載為風機及塔筒等上部結構承受風荷載、機組自重等作用傳遞至塔筒底部的荷載，由風機廠家計算并提交設計使用。本次分析以某4.2 MW 海上風機作為推選機型進行計算，風機荷載見表2 所列。

2 PHC高樁承臺基礎布置

越南風電場當?shù)氐母劭诤０兜裙こ探ㄔO主要采用PHC 樁，本次風機基礎采用PHC 樁高樁承臺方案。

高樁承臺基礎即群樁式高承臺基礎，為海岸碼頭和橋墩基礎的常見結構，由基樁和承臺組成。該方案承臺為現(xiàn)澆C40 高性能海工混凝土結構，承臺直徑20.0 m。承臺頂高程為8.50 m，底高程為5.90 m，大于H+2/3Hb+?，其中，H為極端高潮位，按3.00 m；Hb為極端高潮位的最大波高，本工程采用場區(qū)H1/3=2.22 m，推算H1%暫按3.33 m；?為富裕高度(取0.5 m)，確保波浪不能直接作用在承臺上。承臺立模也可以采用整體鋼套箱圍堰模板后，澆筑C40 高性能海工混凝土。塔筒底部法蘭盤通過高強預應力螺栓錨固于承臺內(nèi)部(設置相應的環(huán)形墊圈，使得受力均勻并增加錨固作用)，以保證上部塔筒與承臺的固端連接。

該方案采用38 根直徑為0.8 m 的AB 型PHC 樁，平均樁長約60 m，入土深度約50.0 m，樁端根據(jù)各區(qū)域土層埋深不同，以③層可塑黏土底或④層中密細砂作為持力層。樁底平均高程約-54.10 m，樁頂高程為5.90 m，38 根PHC 樁在承臺底部沿直徑R=3 m、6 m、9 m 的圓周均勻分布，為提高結構的水平剛度，采用1∶6 的斜樁。在承臺以下PHC 樁中灌注3 ～4 倍樁徑長度的混凝土，以提高PHC 樁抗彎剛度。

PHC 樁高樁承臺方案結構布置詳如圖1 和圖2 所示。800 mm 直徑的PHC 樁沿環(huán)向布置，其中半徑3 m、6 m 和9 m 的PHC 樁分別布設6 根、10 根和22 根。

圖1 PHC樁高樁承臺基礎平面布置圖

圖2 PHC樁高樁承臺基礎剖面圖

3 PHC高樁承臺基礎結構靜力分析

本次分析采用大型有限元軟件ANSYS進行結構靜力分析，并依據(jù)現(xiàn)行國家標準GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[13]、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[14]對桿件彎曲、拉壓、剪切及屈曲等應力要求，編制后處理程序計算結構是否滿足要求，同時對風機基礎結構極限強度、變形和樁基承載力進行了詳細的計算分析。

3.1 計算模型

塔筒本身是變截面的圓管，采用BEAM188變截面梁單元能很好地模擬其質量及剛度分布；而樁基基礎一般也是變截面或定截面的，主要受彎、剪、扭作用，BEAM188 變截面梁單元能很好地模擬其受力狀態(tài)。承臺是大體積混凝土，采用實體單元SOILD45 能很好地模擬其剛度、質量分布及受力特性。NB/T 10105—2018 關于樁土之間的相互作用采用p-y、t-z、Q-z曲線，本文采用ANSYS 軟件的非線性彈簧進行模擬；波流荷載采用Morison 方程進行計算，并計入海生物對水動力荷載的影響；風機荷載采用節(jié)點荷載輸入。PHC樁高樁承臺基礎三維模型如圖3所示。

圖3 PHC樁高樁承臺基礎三維模型圖

根據(jù)NB/T 10105—2018 的要求，風機基礎受力需考慮各個荷載在組合下的受力特點，本文僅對極端高潮位3.1 m，相應的波高Hs=2.22 m，周期Tp=6.22 s 的情況進行分析。海上風電風機基礎主要受力包括風機荷載、波浪荷載以及本身的自重，因此，僅對以風機荷載、波浪荷載為主的荷載工況進行分析。

3.2 模態(tài)分析

海上風電機組是一種高聳柔性海洋結構物，風和波浪是海上風電機組承受的主要動力荷載。在風和波浪的耦合作用下，海上風電機組將產(chǎn)生顯著的動力效應，對海上風電機組結構極限強度、變形和疲勞提出了更高要求。因此，必須通過模態(tài)分析掌握海上風機支撐結構的動力特性，使海上風電整機結構自振頻率避開波浪頻率、風輪轉動頻率與葉片通過頻率范圍，避免結構發(fā)生共振，盡可能降低結構的動力效應。

本文采用ANSYS 軟件的動力分析模塊進行海上風電整機模態(tài)分析，建立“風機+塔筒+基礎+地基”整體結構系統(tǒng)，葉片、機艙和輪轂的質量由質量點加在相應的質心，樁-土非線性相互作用由軟件中的非線性土彈簧處理后的等效線性彈簧作為模型的邊界條件。PHC 樁高樁承臺模態(tài)計算結果見表3 所列。從表3 可以看出，PHC 樁高樁承臺基礎的前三階模態(tài)避開了整機自振頻率限制范圍為0.25 ～0.48 Hz。

表3 PHC樁高樁承臺模態(tài)計算結果表

3.3 結構強度分析

PHC 樁軸力分布云圖如圖4 所示，可以看出：PHC 樁基礎在風機、波浪等荷載組合下，主要呈現(xiàn)迎風(波)面受拉，背風(波)受壓的狀態(tài)；同時最大的拉力出現(xiàn)在迎風(波)樁頂處，最大的壓力出現(xiàn)在背風(波)樁頂以下約1/5 處，這主要是由于樁上部的承臺剛度大，約束了樁體本身的變形，樁身在水平力與彎矩作用下，受壓側樁頂部出現(xiàn)局部的反向受拉作用，減小了其受壓狀態(tài)。此外，這種群樁的受力主要是外圈受力大于內(nèi)圈受力，這是由于海上風電基礎主要受水平力和水平力產(chǎn)生的彎矩作用。

圖4 PHC樁軸力分布云圖

PHC 樁的剪力分布云圖如圖5 所示，可以看出：PHC 樁基礎在風機、波浪等荷載組合下，群樁主要呈現(xiàn)內(nèi)圈小外圈大的特點；這主要是風機基礎中部連接上部風機塔筒，其剛度相對側面較大。針對單根樁，沿豎向樁身呈現(xiàn)先減小變方向后增加，再減小的過程，最大受力點主要是頂部和上部1/3 處；這主要是由于PHC樁樁身頂部受承臺約束剛度較大，底部有海泥面以下的土體約束，而中部無約束，在受波浪等環(huán)境荷載作用下，樁身中部的受力較大。

圖5 PHC樁剪力分布云圖

PHC 樁的彎矩分布云圖如圖6 所示，可以看出：PHC 樁基礎在風機、波浪等荷載組合下，其最大彎矩主要出現(xiàn)在迎風(波)面樁體頂部，背風(波)樁頂以下約1/5 處；對于迎風(波)面樁體沿豎向彎矩是逐漸減小的過程，對于背風(波)樁體沿豎向是現(xiàn)增大后減小的過程。這主要是在水平力作用下，受壓側樁出現(xiàn)在背風(波)面，其頂部受承臺及底部泥面約束，故在中部出現(xiàn)最大彎矩；而迎風(波)面樁體受拉，其最大值在頂部基礎彎矩作用下最大。

圖6 PHC樁彎矩分布云圖

承臺的等效應力云圖如圖7 所示，可以看出：承臺的應力分布主要層圈層分布狀態(tài)，其在頂部與塔筒接觸部分以及底部與樁體接觸部分出現(xiàn)應力集中，特別是頂部。本文主要對PHC 樁進行分析，對承臺受力暫不多做描述。

圖7 承臺等效應力分布云圖

3.4 樁基承載力驗算分析

PHC 樁在風機、波浪等荷載在樁基承載力組合下的樁基頂部軸力分布如圖8 所示，可以看出：PHC 樁基礎在荷載組合下，主要呈現(xiàn)其迎風(波)面受拉，背風(波)受壓的狀態(tài)；同時其最大的拉壓力均出現(xiàn)在外圈迎風(波)處。沿環(huán)向呈現(xiàn)為壓力逐漸減小后增大的過程；對于背風(波)面其壓力內(nèi)外圈差別不大，但呈現(xiàn)向內(nèi)逐漸減小的過程；對于迎風(波)面其受力狀態(tài)差異較大，主要呈現(xiàn)向內(nèi)逐漸由受拉逐步轉換為受壓的狀態(tài)。

圖8 PHC樁樁基承載力分布圖

3.5 變形驗算分析

PHC 樁方案在風機、波浪等荷載的正常使用狀態(tài)組合下的位移分布如圖9 所示，可以看出：由于海上風電風機基礎的受力特點是主要受風機荷載和波浪荷載的水平力，海泥底部約束較弱，上部風機等重量較大；在正常使用狀態(tài)下，基礎承臺向風(波)向移動，同時在風機彎矩作用下迎風(波)面受拉，背風(波)受壓。PHC 群樁在底部約束情況下，頂部向風(波)向受彎作用。

圖9 PHC樁方案位移分布圖

3.6 綜合分析

PHC 樁高樁承臺方案各項指標計算結果見表4 所列。從表4 可知：PHC 樁高樁承臺基礎在承載能力極限狀態(tài)(強度)下，其PHC 樁的樁身受彎、受剪、受拉滿足規(guī)范要求，PHC 樁主要是樁身受彎及受拉控制；在樁基承載力工況下，樁基的承載力主要受海泥面以下的土層控制，其樁基的抗壓抗拉滿足要求；在正常使用狀態(tài)下，基礎的沉降、變位及PHC 樁的抗裂滿足要求。

表4 PHC樁高樁承臺方案計算結果表

4 結論

本文以越南某近海風電場風機基礎為例，對PHC 樁高樁承臺基礎的靜力計算分析進行研究，得到的主要結論如下：

基于非線性有限元理論，以非線性彈簧模擬樁-土之間的非線性相互作用(p-y、t-z、Q-z曲線)，波流荷載采用Morison 方程進行計算，本文中的0.8 m 的AB 型PHC 樁+高樁承臺方案各項指標滿足現(xiàn)行規(guī)范標準要求。

PHC 樁高樁承臺基礎在布置合理的情況下前三階模態(tài)可避開整機自振頻率限制范圍。

對于PHC 樁高樁承臺風機基礎方案，其PHC 樁主要受樁身受彎及受拉控制，樁身受彎最大作用位置為基礎外圈的迎風(波)面樁體頂部，背風(波)樁頂以下約1/5 處；樁身最大抗拔力出現(xiàn)在迎風(波)面樁體。