淺談不同壁厚海洋樁基在波浪作用下的動力響應

吳 峰

（信陽職業技術學院河南信陽 464000）

風電作為一種新型能源，目前已經得到相當廣泛的應用，但隨著陸地風力資源的開發殆盡，人們開始將風電場建設在海上，以此獲取海上的風力資源。但在海上建設風電場與在陸地上建設不同，對技術的要求更加嚴苛，其中最為關鍵的就是解決海洋波浪對風機塔的影響。海洋中往往存在很大的波浪，波浪會對風機塔產生沖擊，因此若想讓風機在海洋上穩定工作，首先就要解決海浪對風機塔的沖擊問題。

風機的管壁厚度對其應對海浪沖擊的影響效果較為明顯，因此為減少海浪沖擊對風機塔帶來的影響，可以適當采取加厚管壁的方式，但這樣將帶來較高的施工成本。而目前對風機管壁對海浪沖擊的影響的研究中，普遍忽略了土壤對樁基帶來的影響。雖然風機塔受海浪的沖擊會產生搖晃，但風機塔和土壤的交界處也是一個需要分析的部位，這一部位的特征也會對風機塔在海浪的沖擊下的搖晃方式造成影響。

1 海浪沖擊風機塔的計算模型

1.1 模型的確定

為確定海浪對風機塔的沖擊影響，首先應當建立模擬這一過程的模型。為此，本文選取我國某海上風電場中使用的風機塔作為基礎，建立簡化的二元模型進行分析。在該模型中，將土層簡化為一層，風機塔的直徑為上下等寬的均勻圓柱，換算后得到的圓柱直徑為4.3m，以風機塔為中心，模型中地面的范圍為直徑60m的圓，從而在不影響計算結果的前提下簡化計算難度。風機塔中埋入土壤的樁體部分同樣進行適當的簡化，簡化后其中管樁的半徑為1.75m，長度為60m，土壤的深度為60m，管樁埋入土壤中的深度為35m。鋼管樁的模擬采用簡單的梁單元，土壤同樣采用簡單的實體單元，同時劃分土壤網格，選取4 節點雙線性應變單元作為土壤的基本網格單元。為模擬實際的風機塔在海浪沖擊下的振動狀態，土壤模型的側邊緣為位移約束狀態，底部為固定約束狀態，頂部則不設置任何約束狀態。在對模型進行分析時，首先為土壤模型設置重力參數和土壤應力，在保持管樁長度、埋深和半徑等其他因素不變的前提下，將管壁厚度設置為真實風機塔中常用的0.4m、0.5m 和0.6m，依次進行海浪沖擊風機塔樁基的模擬。

1.2 計算參數的選擇

該模型為單一線性彈性模型，土壤性質的確定采用Drucker-Prager 結構，土壤和埋入其中的鋼管樁的具體參數如下：土壤密度為1434kg/m3，彈性模量為5.3×106Pa，泊松比為0.34，粘聚力為30kPa，摩擦角為33°；鋼管樁密度為7659kg/m3，彈性模量為2.4×1011Pa，泊松比為0.31，粘聚力為N/A，摩擦角為N/A.

1.3 海浪負載設定

本文中定義的海浪為線性波浪，應用Airy 理論進行計算。在該理論中，波浪產生的一系列波均在流體的水平面中，不存在流固耦合的影響。Airy 波浪理論是一種簡化的理論，將液體看作理想流體，且忽視液體表面的張力影響；同時假設水的運動是無旋運動，表面的壓力恒定且海底處于水平狀態。由于海浪對風機塔的影響主要來自于其中蘊含的動能，且場景規模較大，因此可以忽視部分微觀因素的影響，采用該理論進行計算是可行的。基于Airy 理論的彌散方程為：（1）（2） ，上述兩方程中， 為海浪的角頻率， 為重力加速度，取9.82m/s2， 為本次海浪中的波數， 為海水的深度。計算中除了使用彌散方程外還需要使用莫里森方程，在莫里森方程中，橫向阻力系數為0.7，切向阻力系數為0，橫向慣性系數為1.5。

1.4 數值模型結構分析

分析數值模型的結構采用lanczos 方式并選取模型中前十階的振動頻率，通過對結果的分析可知，階數和振動頻率之間基本呈現出正相關的狀態，在一階時，振動頻率為0.15Hz 左右，而十階時的振動頻率為0.8Hz。同時，管壁厚度在0.4、0.5 和0.6m 下的振動頻率隨階數的變化程度基本上是一致的，說明風機塔壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的風機塔振動頻率基本上相當，即風機塔的振動頻率和厚度關系不大。而上述計算結果為在管樁的長度、半徑以及埋深完全相同下的計算結果，也就是說在上述三種情況不變的前提下，管壁厚度的改變基本不會影響風機塔受海浪沖擊的振動頻率。且通過對模型的數值結構的分析表明，模型在海浪的沖擊下的振動周期約為6s，海浪的周期約為8.3s，而現代的風機塔結構完全可以抵抗這種水平的振動，因此基本無需擔心海浪沖擊對風機塔的影響。

1.5 風機塔特征點位移比較

為更加具體的分析風機塔在海浪沖擊下的振動情況，我們在風機塔中選取了幾個特征點，并分析不同管壁厚度下的特征點在海浪沖擊下的位移狀態，以此得出更加詳細的風機塔振動狀態。

本文中特征點選取在模型結構的拼接處，對應現實中的風機塔則是管樁和土壤面的交界處以及管樁的頂端，并分析了不同管壁厚度的風機塔受到海浪沖擊后的100s 內的特征點的位移狀態。以初始狀態下的位移值為0 開始計算，在100s內，特征點的位移呈現出周期性的搖擺方式，但相對于振動頻率，管壁厚度對特征點的位移影響明顯更大，且管壁的厚度越小，風機塔在海浪沖擊下的位移效應就越明顯，即風機出現搖晃的程度也越大。第一個振動周期約為10s，后續的振動周期大致控制在8.3s 左右，同上文中不同階數和振動頻率相關曲線類似。

對于管壁厚度在0.4m、0.5m 和0.6m 下，樁頂特征點沿X 軸的正向位移量分別為11.2mm、8.43mm 和6.89mm，呈現出減少的狀態，說明管壁厚度的增加可以有效減少風機塔頂端受海浪沖擊的影響，且減少幅度達到了25%，屬于比較可觀的水平；而沿X 軸負向的最大位移值分別為9.43mm、7.54mm 和6.33mm，同樣也隨著管壁厚度的增加在減小，減幅達到17%左右，雖然不如X 軸正向狀態，但也也較為明顯。樁基和土壤交界面處的不同管壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的特征點在海浪沖擊下沿X 軸正方向的最大位移分別為5.43mm、4.12mm 和3.54mm，呈現出逐漸減小的趨勢，減幅為22%左右，屬于較為可觀的水平；而X 軸負方向的最大位移分別為4.55mm、3.23mm 和1.89mm，減幅達到23%左右，同樣也很可觀。

通過上述的分析可知，無論管壁厚度如何，土壤面的特征點的位移始終小于頂點，這是由于風機塔受土壤的約束所致，同時，同一特征點處X 軸的正向位移普遍大于負向位移，這與海浪沖擊的方向有關，如果海浪沖擊的方向為正方向，則正方向的位移為海浪沖擊所致，而負方向的位移則為風機塔回彈時所產生的力所致，因此負向位移明顯不如正向位移。

2 結論

通過上述計算和分析可知，樁基的厚度確實會影響風機塔對海浪沖擊的響應情況，并且隨著厚度的增加，海浪沖擊對風機塔的影響在減少。對于風機塔樁基的整體結構和振動頻率方面，樁基的厚度不會對這兩項因素造成影響，不同樁基厚度之間的差距微乎其微，且振動頻率的數值較低，現代風機塔的樁基結構完全可以抵御，不會出現因為過度震動倒塌或斷裂的問題。

當樁基的厚度增加時，在海浪沖擊下樁基頂部和與土壤之間的交界處的位移程度呈現出較為可觀的減小趨勢，樁基厚度每增加0.2m，大約會減小20%。因此如果想要減弱海浪沖擊對風機塔位移的影響，增強風機塔的穩定性，適當增加管壁厚度是非常不錯的方法.