波流荷載加載方式對風機高樁承臺結構的應力影響

陸南辛，祝周杰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

0 引 言

高樁承臺基礎是一種常見的海上風電機組基礎形式，其具有結構安全性能高、抗水平荷載能力強、施工工藝相對成熟和造價較低等優點[1]。在水深10～30 m，表層土體工程性狀較差的區域，得到廣泛采用。

在海上風電基礎的受力模式中，主要承受的外荷載為基礎波流荷載和風機荷載[2]。對于高樁承臺而言，由于風機荷載直接作用在承臺頂部的基礎法蘭上，作用力由基礎環結構或者高強預應力螺栓傳遞至混凝土承臺，由于荷載的間接傳遞，風機荷載大部分的作用效果已經由混凝土承臺整體轉化為樁基礎的軸力，其對于高樁承臺樁基礎的鋼管樁的影響是協同的，影響較小。

波流荷載直接作用高樁承臺鋼管樁上，對樁身的應力直接影響。而在實際工程中，波流荷載的加載方向和高度往往是隨機的，與風機荷載呈一定的夾角，因此，了解波流荷載加載方式對樁基礎的應力影響具有一定的工程應用價值和學術意義。

1 波流荷載模型

(1)波浪荷載。波浪荷載是引起海上建筑物疲勞損壞的主要荷載，在相關的港工、海上結構物規范中，如《港口與航道水文規范》《Design of offshore wind turbine structures》《海上固定平臺入級與建造規范》《灘海環境條件與荷載技術規范》都對波浪荷載的計算給出了相關的規定。目前通用的波浪荷載的計算公式均是基于Morison公式(其適用條件為波浪波長與構件外徑之比大于5)，根據Morison方程，作用于結構的波浪荷載為[3]

(1)

(2)水流荷載。建議采用《港口工程荷載規范》進行水流荷載的計算，即

(2)

式中，Fw為水流力標準值；Cw為水流阻力系數；V為水流設計流速；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積。

2 高樁承臺結構有限元模擬

本文以我國東南某海上風電場高樁承臺基礎為算例。結構計算采用有限元分析軟件ANSYS程序，承臺混凝土采用實體單元SOLID65模擬，與承臺連接的塔筒連接段和管樁段用實體單元SOLID 95進行模擬，海床面以上鋼管樁采用PIPE59單元模擬，海床面以下鋼管樁采用PIPE16單元進行模擬[4]。模型如圖1所示。

圖1 海上風電場高樁承臺基礎示意

鋼管樁與土層作用采用非線性彈簧單元COMBINE39進行模擬，根據地勘成果，參照API RP 2A-WSD-2000《Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design》[5]和DNVGL-ST- 0126《Support structures for wind turbines》等相關規范，確定p-y曲線、t-z曲線和Q-z曲線，并分別用于定義水平方向、軸向及樁端非線性彈簧屬性。

對于樁土相互作用時的水平荷載的模擬采用的p-y曲線，參照《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法》相關規定，對于粘性土樁的側向極限承載力Pu按下式確定[5]：

Pu=(3c+γX)D+JcX當0

(3)

Pu=3cD當XR≤X

(4)

式中，pu為樁側向極限承載力；c為未受擾動的粘性土的不排水剪強度；D為樁的直徑；γ為土體有效容重；J為無量綱經驗常數，變化范圍為0.25～0.50，本文取為0.4；X為泥面以下深度；XR為泥面以下至土抗力減小區底部的深度。

對于砂性土的p-y曲線，樁的側向極限承載力Pu按下式確定：

Pu=(C1X+C2D)γX當0

(5)

Pu=C3DγX當XR≤X

(6)

式中，C1、C2、C3為參數，取決于砂土內摩擦角φ。

3 計算結果及分析

3.1 不同水位對于鋼管樁應力的影響

3.1.1計算工況及承臺基本情況

為了更加準確的研究不同水位波流荷載對高樁承臺鋼管樁受力的影響，采用5個水位工況對高樁承臺鋼管樁進行受力分析，計算工況描述見表1。

表1 計算工況

本文高樁承臺采用2.0 m直徑鋼管樁，海床面以上鋼管樁壁厚為30 mm。承臺底高程設置為12.5 m，采用《港口與航道水文規范》對面板底部波浪付托力復核，本文高樁承臺基本不受波浪上托力及沖擊力作用。由于非實際工程且對服役期止的風機基礎結構海生物附著厚度的敏感性進行研究表明，海生物生長厚度對基礎結構自振特性敏感性較低[6]，因此，本文高樁承臺暫不考慮海生物附著、鋼管樁腐蝕以及海床面局部沖刷。同時，考慮波流荷載與風機荷載的作用方向為同向。

3.1.2鋼管樁應力最大值及高程分布

鋼管樁應力最大值及位置分布見表2。通過表2可以看出，考慮波流荷載影響的鋼管樁Mises應力，均要明顯高于不考慮波流荷載影響的工況，應力增大幅度高達66%。對于不同計算水位的工況，可知隨著水深和波高的增加，鋼管樁應力也不斷增加。由表2可知，總體上隨著水深的增加，最大應力點也會上移，基本上位于對應工況水面位置以上。對于沒有波流荷載作用的工況1，最大應力作用點位置明顯靠下。

表2 各水位工況鋼管樁Mises應力情況

3.2 不同波流荷載作用方向對鋼管樁應力的影響

在工程設計上通常選取常浪向作為波浪的入射方向，并且讓風機荷載作用方向與波浪海流方向一致，而實際上波流荷載的作用往往是隨機的。為了研究波流荷載作用方向對高樁承臺鋼管樁的作用效果，固定計算水位為極端高水位，選取風機荷載與波流荷載方向分別呈0°、45°、90°、135°、180°5個工況對高樁承臺鋼管樁進行受力分析。鋼管樁應力最大值及應力分布見表3。

表3 各波流荷載作用方向鋼管樁Mises應力情況

由表3可知，在波流荷載與風機荷載同向作用時，鋼管樁的應力最小，而在反向作用時，鋼管樁的應力反而最大，這與通常理解的情況有所出入。為了探尋原因，提取本工程鋼管樁變形如圖2所示。由圖2可知，由于土壤和混凝土承臺對于鋼管樁約束作用，鋼管樁在單純風機荷載作用下的變形呈現“S”形。在水下部分，鋼管樁樁身呈現出與風機荷載方向反向的撓度。此時，與風機荷載反向的波浪力與水下部分鋼管樁擾度方向一致，在一定程度上是對于鋼管樁水下部分的撓度有增加作用，這直接表現為鋼管樁應力的增大，同時導致鋼管樁最大應力位置隨著風機荷載與波流荷載荷載夾角增加而下移。在波流荷載與風機荷載方向呈大于135°時，最大應力位置已經低于該工況的水面位置。當荷載夾角引起的應力增大幅度約為10%，對比水位、波高對于應力增大的幅度而言相對較小，但是在工程設計比較接近極限的情況下，這部分應力增大將是不可忽視的。

圖2 鋼管樁變形示意

3.3 應力危險區分布

本文中高樁承臺風電基礎鋼管樁采用Q355C材質鋼管樁，對于壁厚16～40 mm的鋼材而言，其抗拉、抗壓和看完的強度為295 MPa。因此，本文將應力區間在245～295 MPa的鋼管樁區域定義為“應力危險區”。本文對高樁承臺8根樁應力危險區面積進行累加統計，5種應力危險區總面積如表4所示。由表4可知，波流荷載與風機荷載反向作用工況下的應力危險區面積要略大于同向作用工況，但是并沒有很明顯的規律性，危險區面積沒有顯著增大。

表4 各波流力作用方向鋼管樁應力危險區面積

由于應力危險區面積是統計的整個承臺的8根樁，而最大應力只是選取了其中應力最大的樁，并不能代表整個基礎鋼管樁的應力平均水平。對于整個承臺而言，8根樁是沿360°方向平均分布的，整體而言對于荷載夾角的敏感程度較低。工程可靠度較水平沒有明顯變化。

4 結 論

(1)波流荷載會顯著增加高樁承臺鋼管樁的應力，樁結構的應力隨著水深、波高的增大而增大。

(2)波流荷載與風機荷載的作用夾角會影響風機高樁承臺鋼管樁基礎的受力情況。當波流荷載與風機荷載反向時，樁基礎最大應力達到峰值。在工程設計中，應該注意波流荷載作用方向的影響，選取最不利工況進行設計。

(3)對于不同的波流荷載與風機荷載的作用夾角，應力危險區面積相差不大。應力危險區是整個風機基礎設計可靠度的一個整體評價，在實際設計過程中，如果未達到基礎整體受力極限，則可以認為波流荷載的作用方向對于基礎的整體可靠度影響較小。