海上風電四樁導管架基礎(chǔ)承載特性數(shù)值模擬研究

孫煥鋒，葛 暢，許海波，陳鳳云

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

近年來，我國海上風電事業(yè)發(fā)展十分迅猛，到2019年底，全國海上風電累計裝機593萬kW，風電裝機占全部發(fā)電裝機的10.4%[1]。隨著海上風電大力發(fā)展，海上風電基礎(chǔ)形式也越來越豐富。目前，國內(nèi)外較為常見的海上風電基礎(chǔ)形式有單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、高承臺群樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、吸力桶式基礎(chǔ)、導管架基礎(chǔ)等。其中，導管架基礎(chǔ)是一種由上部導管架結(jié)構(gòu)與四根角樁兩部分構(gòu)成的三維框架結(jié)構(gòu)，因其剛度大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、適用水深范圍廣、對場地土體依賴性小等優(yōu)點，近年來逐漸應(yīng)用于海上風電領(lǐng)域中[2]。

海上風電基礎(chǔ)主要受到上部風機荷載和風浪流等環(huán)境荷載作用，由于其為高聳結(jié)構(gòu)，其荷載形式表現(xiàn)為彎矩和水平力較大，受到的豎向力相對較小[3]。目前國內(nèi)外對單樁基礎(chǔ)的承載特性已經(jīng)進行了大量研究[4-7]，而關(guān)于導管架基礎(chǔ)承載特性的研究相對較少[8-13]。數(shù)值模擬方面，袁志林等[8]采用ABAQUS建立了四樁導管架樁基水平承載特性的有限元模型，分析了水平土壓力系數(shù)對承載性能的影響。李光鑾等[9]通過ABAQUS建立了飽和粘土中的樁土模型，研究了導管架基礎(chǔ)的水平承載性能。Wen等[10]采用數(shù)值模擬的方法對沙土中的四樁導管架基礎(chǔ)承載特性開展了研究。室內(nèi)試驗方面，朱斌等[11]采用離心機模型試驗研究四樁導管架基礎(chǔ)在飽和砂土中的承載性能。鐘超等[12]建立導管架平臺縮尺模型，通過現(xiàn)場試驗加載不同幅值與次數(shù)的循環(huán)荷載，研究了樁基弱化對導管架平臺水平承載性能的影響。祝周杰等[13]通過離心機模型試驗，研究了導管架基礎(chǔ)的p-y曲線并對其進行修正。

四樁導管架基礎(chǔ)因其開展海上現(xiàn)場試驗非常困難而且需要大量的人力物力，成本高昂。本文以江蘇某海上風電項目為研究背景，采用ABAQUS數(shù)值模擬方法，開展四樁導管架基礎(chǔ)承載特性分析研究，確定導管架基礎(chǔ)的水平承載力，分析樁基受力變形特性，研究結(jié)果可為海上風電工程的導管架基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 工程概況

江蘇某海上風電場的海上升壓站導管架基礎(chǔ)采用上部導管架結(jié)構(gòu)與四根角樁結(jié)合。上部導管架結(jié)構(gòu)長寬均為24 m，導管分兩種，一種直徑為1.1 m，壁厚為0.032 m，共有16根，另一種直徑為0.8 m，壁厚為0.024 m，共有8根。導管架基礎(chǔ)角樁采用4根直徑為3.0 m，樁長75 m，壁厚36 mm的鋼管直樁，角樁埋深約為49.4 m。導管架結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

2 導管架基礎(chǔ)數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置

四樁導管架基礎(chǔ)由上部導管架結(jié)構(gòu)和4根角樁兩部分構(gòu)成。其中，上部導管架機構(gòu)的主要作用是將海上升壓站所承受的風、浪、波流等水平荷載傳遞給下部的4根角樁。采用ABAQUS建立四樁導管架基礎(chǔ)數(shù)值模型，將上部導管架結(jié)構(gòu)簡化為空間桁架，如圖2所示。

圖2 導管架基礎(chǔ)ABAQUS數(shù)值模型

角樁為鋼管樁，Q235材質(zhì)，上部導管架與下部樁基均選用線彈性本構(gòu)關(guān)系。將上部導管架結(jié)構(gòu)與下部樁基視為整體，不考慮下部樁基與上部結(jié)構(gòu)的滑移及摩擦。因為角樁剛度與土體差別較大，計算中容易發(fā)生不收斂現(xiàn)象，所以采用等效抗彎剛度法，將鋼管樁轉(zhuǎn)化為實心樁，對其密度以及楊氏模量進行折減，折減后抗彎剛度不變，導管架與樁基參數(shù)見表1。土地基模型假設(shè)為長方體，土體模型長寬高分別為160、60、80 m，樁與邊界距離遠大于10D，因此可忽略邊界效應(yīng)的影響。土體本構(gòu)模型選擇Mohr-Coulomb模型，為彈塑性體，為便于計算收斂，在對水平承載性能影響不大的情況下對土層進行簡化，土層數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

表1 導管架基礎(chǔ)模型的材料參數(shù)

表2 土體物理力學參數(shù)

2.2 樁-土接觸面接觸設(shè)置及邊界約束條件

在ABAQUS中，設(shè)置樁周土體與樁基的接觸模型時，采用通用接觸，選擇主-從表面接觸算法，為了確保計算能夠收斂，將剛度較大的樁基表面設(shè)為主面，土體接觸面設(shè)為從面。接觸面切向接觸采用“罰”函數(shù)設(shè)置相應(yīng)摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)設(shè)為0.36，為了防止主-從接觸面對應(yīng)的網(wǎng)格發(fā)生入侵現(xiàn)象，對法向接觸采用硬接觸，即樁基與土體僅在完全壓密時才會傳遞法向應(yīng)力，當樁基與土體間存在間隙時則不會傳遞法向應(yīng)力。同時，允許樁-土接觸面在接觸后分離。數(shù)值模型底部施加3個方向上的位移約束，使土體底部固定，對4個側(cè)面施加兩個方向的位移約束，僅讓土體在豎直方向發(fā)生變形，頂面則為自由面。

2.3 劃分網(wǎng)格及平衡地應(yīng)力

上部導管架結(jié)構(gòu)采用兩結(jié)點線性三維桁架單元(T3D2)。為了防止計算結(jié)果出現(xiàn)交替的梯形網(wǎng)格等嚴重的網(wǎng)格畸變，即出現(xiàn)“沙漏模式”導致結(jié)果失真，下部樁基和地基模型采用八結(jié)點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)。樁周10D范圍內(nèi)對土體網(wǎng)格進行加密。平衡地應(yīng)力的方法采用循環(huán)迭代導入odb文件法，在施加水平荷載之前，將重力賦加在數(shù)值模型，得到模型的初始地應(yīng)力。

2.4 加載方式

常規(guī)試樁試驗中水平靜載試驗一般采取水平維持荷載法，采用荷載加載方式，每隔一定時間測量水平位移[3]。數(shù)值模擬加載方式若采用水平力加載方式，結(jié)果只有該特定荷載下的水平位移，得到的是離散的水平荷載-位移(Q-s)點。因此，本數(shù)值模擬加載方式采取位移加載，能夠得到連續(xù)的連續(xù)的水平荷載-位移(Q-s)曲線。

3 導管架基礎(chǔ)承載力特性分析結(jié)果

3.1 水平荷載-水平位移特性曲線

通過對四樁導管架頂部兩點進行水平位移加載進行模擬分析，得到了導管架頂部水平荷載-水平位移曲線(Q-s)曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，A點之前，水平位移隨著荷載的增加而線性增加；B點以后，水平位移隨著荷載的增加緩慢增加；C點(水平位移為0.2 m)以后，水平承載力曲線基本保持不變，承載力基本不再增長，說明C點處對應(yīng)的水平承載力即為該四樁導管架基礎(chǔ)的極限水平承載力，為17 MN。

圖3 承臺水平荷載-位移(Q-s)

圖4為四樁導管架基礎(chǔ)的水平方向上的樁土位移，為了便于觀察，將變形系數(shù)設(shè)為10倍。從圖4可以看出，靠近加載點一側(cè)的兩根樁有明顯的向上移動現(xiàn)象，遠離加載點一側(cè)的兩根樁有明顯的向下移動現(xiàn)象，分別為上拔樁與下壓樁。

圖4 水平方向上位移(放大10倍)

3.2 水平荷載-豎向位移特性曲線

由于導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較高，受到水平荷載時容易出現(xiàn)較大的傾覆彎矩。上拔樁及下壓樁頂部豎向位移隨著水平荷載的變化趨勢，如圖5所示。當水平荷載較小時，上拔樁及下壓樁的豎向位移與水平荷載呈線性變化；隨著水平荷載逐漸增大，上拔樁開始出現(xiàn)上拔效應(yīng)，當荷載逐漸接近導管架基礎(chǔ)的極限承載力時，上拔樁豎向位移發(fā)生陡增現(xiàn)象，說明此時導管架基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。由于上拔樁的豎向位移對導管架基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響較大，在進行導管架基礎(chǔ)設(shè)計時要注意上拔效應(yīng)，從而避免上拔樁被拔出引起的基礎(chǔ)破壞。

圖5 水平荷載-豎向位移曲線

3.3 樁身變形和受力分析

對C點(導管架頂部位移為0.2 m時)樁身撓度以及樁身應(yīng)力進行分析。在導管架基礎(chǔ)達到極限荷載時，上拔樁和下壓樁的樁身撓度曲線基本一致，如圖6a所示。兩種樁的變形主要發(fā)生在泥面下深度7D的范圍內(nèi)，深部樁基本不發(fā)生變形，這是因為樁基礎(chǔ)的樁徑比約為17，均屬于柔性樁。通過樁身應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)導管架基礎(chǔ)上拔樁和下壓樁出現(xiàn)最大樁身應(yīng)力的位置大約在泥面下3D處，上拔樁應(yīng)力約為下壓樁的1.5倍，該處為樁最有可能發(fā)生破壞，如圖6b所示。

圖6 樁身受力變形

4 結(jié) 論

采用ABAQUS對江蘇某海域海上升壓站四樁導管架基礎(chǔ)水平承載性能進行數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1)導管架基礎(chǔ)水平荷載-水平位移(Q-s)特性曲線顯示水平位移為0.2 m(C點)以后，水平承載力曲線基本保持不變，該四樁導管架基礎(chǔ)的極限水平承載力為17 MN。

(2)在導管架基礎(chǔ)達到極限荷載時，上拔樁和下壓樁的樁身撓度曲線基本一致，兩種樁的變形主要發(fā)生在泥面下深度7D的范圍內(nèi)，深部樁基本不發(fā)生變形。上拔樁和下壓樁出現(xiàn)最大樁身應(yīng)力的位置大約在泥面下3D處，該處樁最有可能發(fā)生破壞。

(3)當水平荷載較小時，上拔樁及下壓樁的豎向位移與水平荷載呈線性變化；隨著水平荷載逐漸增大，上拔樁開始出現(xiàn)上拔效應(yīng)，當荷載逐漸接近導管架基礎(chǔ)的極限承載力時，上拔樁豎向位移發(fā)生陡增現(xiàn)象，說明此時導管架基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。