波流荷載作用下風機混凝土高樁 承臺拉應力超限區分布研究

李 煒，熊 根，張俊臣，陸南辛，金 超

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014；2.國電電力浙江舟山海上風電開發有限公司，浙江杭州310014)

0 前 言

在海上風機基礎形式中，高樁承臺基礎具有結構安全性能高、施工工藝成熟和造價低等優點[1]，在我國東南沿海風電場已采用高樁承臺基礎形式。

波流荷載是高樁承臺基礎形式穩定性的重要影響因素之一。目前，大部分研究工作主要是針對波流荷載的計算和波流荷載對樁柱結構的影響，對于波流荷載對樁基礎上部結構承臺的影響研究較少[2- 4]。因此，波流荷載對高樁承臺混凝土拉應力影響模型的建立具有一定的學術意義和工程應用價值。本文利用ANSYS有限元軟件施加波流荷載的功能，歸納了極端風荷載下波流荷載對風機高樁承臺拉應力超限區域分布的規律。

1 水動力荷載模型

1.1 波浪荷載

當結構物的特征尺寸D與波長L的比值小于等于0.2時，可采用Morison方程計算作用于結構的波浪荷載[5]：

(1)

1.2 海流荷載

由于海流可近似看作一種穩定的平面流動，因此海流與圓柱形結構物的相互作用可用平面流與鉛直圓柱載荷公式來表示[7]。單位長度圓形構件上的流載荷的計算公式為

(2)

式中，A為單位長度的構件在垂直于海流方向上的投影面積；UC為流速。

2 高樁承臺有限元模型建立

2.1 有限元模型

以我國東南沿海某風電場高樁承臺風機基礎為例，承臺混凝土采用實體單元SOLID45模擬；高強預應力錨桿采用桿單LINK8模擬；鋼管樁采用管單元模擬，其中泥面以上采用PIPE59單元，泥面以下采用PIPE16單元；塔筒及與承臺連接位置填充有混凝土的鋼管樁采用殼單元SHELL63模擬；上部結構質量采用質量單元MASS21模擬；有限元模型如圖1所示。

圖1 整體結構有限元模型

2.2 樁土相互作用模型

考慮海底地基的非線性變形時，將泥面以下樁-土相互作用用彈簧阻尼單元COMBIN14模擬，單位樁長的彈簧剛度系數和阻尼系數計算公式為

kx=1.2Es

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Es為土體彈性模量；βs為土體滯回阻尼；ω為激勵荷載的頻率；ρs為土體質量密度；Vs為剪切波速；D為樁直徑；α0為無量綱頻率(α0=ωD/Vs)。其中

Es=mB0x

(7)

式中，B0為樁的計算寬度；x為樁的入土深度。

2.3 材料參數

本文采用多線性隨動強化KINH模型，該模型采用多線性的應力-應變曲線模擬隨動強化效應，考慮包辛格效應。此模型適用于服從Mises屈服準則的小應變塑性分析，并可模擬混凝土本構關系下降段?；炷羻屋S應力應變關系上升段采用GB 50010—2002規定的公式，下降段則采用Hongnestad的處理方法[8]，即

當εc≤ε0時，

(8)

當ε0<εc≤εcu時，

(9)

式中，σc為混凝土抗壓強度；fc為峰值應力(棱柱體抗壓強度)；ε0為相應于峰值應力時的應變，取0.02；εcu為極限壓應變，取0.003 8；εc為初始應變。

因為鋼材應力應變曲線轉折點多，針對承臺鋼材結構特性，采用考慮鋼材強化特性的本構關系，如圖2所示。

圖2 鋼材應力應變曲線參數

3 計算結果與分析

3.1 拉應力值和超限區域對比

為更加精確研究波流荷載對承臺拉應力影響，分5個水位工況對該高樁承臺拉應力進行分析，具體工況見表1。

表1 研究工況

為得到高樁承臺混凝土最大拉應力值，工況二到工況四均取為該水深下波浪累計概率為1%的波浪工況進行。所有工況的波流荷載均按最大值選取，風機荷載通過塔筒質量單元施加。

3.1.1 拉應力最大值

不同工況承臺混凝土最大拉應力值見表2。由表2可以看出，與不考慮波流荷載的基礎工況相比，波流荷載作用下的工況承臺拉應力最大值均有所增加，這說明在最大波浪荷載作用下，承臺拉應力區間增大。且隨著水深地增加，最大拉應力值不斷增加。

表2 不同工況拉應力最大值

3.1.2 混凝土超限體積

該風機高樁承臺的混凝土等級為C50，混凝土抗拉強度標準值2.64MPa。不同工況承臺混凝土拉應力超限體積見表3。由表3可以看出，相比與不考慮波流荷載的基礎工況，波流荷載作用下的工況承臺拉應力超限區體積均有所減小且隨著水深地增加，拉應力超限區體積不斷增大。

表3 不同工況拉應力超限體積

本次所有工況的波流荷載選取的均是不同相位角中波流荷載的最大值。通過模擬不同相位角的波流荷載，最大波流荷載均為由外向內”的荷載。為分析波流荷載對高樁承臺混凝土受力形態影響，建立與最大波流荷載工況相似的簡化模型(見圖3a)進行分析。

圖3 波流荷載下高樁承臺簡化模型

通過對圖3a超靜定結構分析，簡化結構為對稱結構，可取結構一半進行受力分析。因為荷載對稱，中間點不存在剪力作用，經過計算得到該結構受力模型等同于圖3b結構。

由此可見，承臺混凝土主要承受順時針的彎矩和壓應力作用，如圖4所示。該工況下，上部和中部混凝土受壓，而通過靜力分析可知，高樁承臺的拉應力超限混凝土主要集中在承臺上部和中部，因此波流荷載作用下承臺整體混凝土拉應力超限區混凝土體積減??；而承臺下部受拉，且承臺高拉應力混凝土主要集中在承臺下部，因此承臺混凝土的拉應力最大值增加。

圖4 高樁承臺受力模型分析

3.2 應力分布

工況一～工況五拉應力超限區分布對比如圖5所示，圖例括號內為該工況下拉應力最大值。

圖5 不同工況應力區間混凝土體積分布

由圖 5可以看出，在2.64～5 MPa范圍內，無波流荷載超限體積大于波流荷載工況；在5～11 MPa范圍內，無波流荷載工況和波流荷載公款工況超限體積大致相等；在大于11 MPa范圍內，僅波流荷載工況下存在超限區，且超限區體積很小。

3.3 可靠度分析

由圖5中還可以看出，不同應力區間的混凝土超限體積呈大致二次凸函數分布，混凝土超限體積主要集中在2.64～6 MPa，在3～4 MPa范圍內混凝土達到最大值，拉應力7 MPa以上混凝土很少。通過應力直方圖，可以求出應力的累計函數，從而得到承臺不同可靠度下的承臺拉應力控制值，如圖6所示。

圖6 不同可靠度下拉應力控制值對比

由圖6可以看出，波流荷載作用下不同可靠度的拉應力控制值大于無波流荷載作用下控制值，但是兩者差距不大，且當可靠度接近100%時，兩者基本相等。說明波流荷載作用下雖然造成混凝土承臺拉應力增加，但是由于其高拉應力區間混凝土超限體積很小，在某一可靠度下其拉應力控制值與無波流荷載下控制值基本相當。在實際工程中，因為波流荷載變化復雜，且不容易模擬實際工況的混凝土承臺受力，可按照較高可靠度下無波流工況的拉應力控制作為工程防裂施工參照標準。

4 結 論

(1)由于高樁承臺自身結構的特點，波浪荷載使承臺拉應力值增加，但是拉應力超限區減小，說明在波流荷載作用下，承臺混凝土應力重分布，拉應力極值處受拉程度增加，無波流荷載工況下的部分拉應力超限區變為受壓狀態。

(2)波浪荷載增加了承臺混凝土最大應力值，但是高拉應力區間的混凝土很少。各個波流荷載工況中，拉應力為2.64～7 MPa混凝土占總超限體積的96%，11 MPa以上混凝土所占體積僅為1.5%左右。

(3)混凝土承臺結構抗拉性能可靠度越高，波浪荷載拉應力控制值與無波浪荷載作用下的控制值越接近。在實際工程中可考慮采用無波流荷載作用的承臺應力最大值作為各種工況下的控制值。