海水腐蝕對海上風電樁基單樁水平承載特性影響的數值模擬研究

許海波，王欣怡，陳鳳云

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，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

海上風能是海洋可再生能源中具備極大商業發展潛力的清潔能源。目前，我國風電事業正處于飛速增長的黃金時期，其中江蘇省海上風電累計裝機容量占全國海上風電累計裝機容量的71.5%，連續多年領跑全國[1]。海上風電樁基礎廣泛采用大直徑鋼管單樁基礎，鋼管樁由于長期浸泡在海水中，會受到不同程度的腐蝕，從而影響其承載特性。因此，開展鋼管單樁腐蝕程度對樁基的承載特性研究，對風電工程的穩定性評價具有重要的意義。目前，國內外研究學者在海上工程腐蝕領域已經做了很多研究工作。馮忠居等[2]采用現場試驗的方法，分析了強腐蝕環境下樁基的極限承載特性，并得出樁長與樁徑的增大均會增加樁的耐久性的結論；王富春等[3]采用MARC軟件分析了不同腐蝕程度下樁的豎直極限承載力的變化，得到相比于樁的腐蝕厚度，腐蝕深度對于樁的豎直極限承載能力影響更大的結論；馬希和等[4]采用ANSYS軟件對海水中的鋼筋混凝土樁耐久性進行了分析，為其建設提供了理論依據；Hobbs[5]通過理論分析海水中氯離子對樁基的腐蝕與影響，得到了氯離子在混凝土中擴散系數較大，會導致腐蝕更為嚴重的結論。

當前，關于海工建筑物腐蝕方面的研究主要集中在橋梁等傳統海工工程腐蝕領域，關于海上風電樁基腐蝕性對其承載特性的研究相對較少。為此，本文以江蘇啟東某海域海上風電場為工程背景，采用ABAQUS有限元數值模擬軟件，建立海上風電單樁基礎模型，基于鋼管樁的均勻腐蝕數學模型，分析其在經歷海水腐蝕不同時間時的樁身撓度及樁身所受的最大應力，揭示鋼管樁腐蝕程度對其水平承載特性的影響規律，可為海上風電工程的樁基設計提供參考。

1 工程背景

江蘇啟東海上風電場工程位于啟東近海海域，海岸與風電場中心區域相隔32 km。風電場規劃區域為矩形，長約8 km，寬約5 km，規劃面積約為40 km2，裝機容量預計約250 MW。海底地形起伏不大，最小水深為6 m，最大水深約為13 m。風電場擬安裝42臺風電機組，總裝機容量為250 MW。場區的泥面高程約為-35 m，樁徑6 m。單樁基礎防腐體系采用的是涂層+外加電流的保護方式。風電場示意見圖1。

圖1 風電場示意

2 鋼管樁均勻腐蝕模型

鋼管樁在海洋中的腐蝕分為局部腐蝕與均勻腐蝕。其中，均勻腐蝕是對基礎結構損傷影響最大的一種腐蝕類型，也是導致樁基礎承載性能下降的主要原因。均勻腐蝕為在管樁各處均以近似相同的速度發生腐蝕的腐蝕類型，過去的研究中常將該速度設定為常數。但多個腐蝕試驗結果表明，鋼管的腐蝕過程非常復雜，其腐蝕速率并不能用簡單的常數進行描述，并且由于海上工程通常均設計有防腐系統，在確定鋼管樁基礎的腐蝕數學模型時也需要考慮到該系統的存在。

Soares等[6]在前人研究的基礎上提出了1個3階段的海工鋼結構腐蝕速率變化的非線性模型：①第1階段。由于防腐系統的存在，假定該階段管樁基礎尚未被腐蝕，這個階段持續時間由防腐系統、海域海況、鋼管樁材料物理特性等多個因素決定，其范圍一般為3～7 a。②第2階段。鋼管樁開始發生腐蝕，此時為海水腐蝕作用與防腐系統共同生效的階段，海工結構物外壁被腐蝕導致結構物壁厚變薄。③第3階段。樁的腐蝕因腐蝕物在樁外壁的沉積逐漸停止。

秦圣平等[7]在該模型的基礎上，總結出考慮防腐系統與環境共同作用的鋼管樁防腐模型，其腐蝕厚度d(t)和腐蝕速率V(t)數學表達式為

(1)

(2)

式中，d∞為極限腐蝕厚度；Tst為腐蝕開始時間；TL為海工結構物的維護周期；β、η為待定系數。參考本文工程背景的鋼管樁基基本信息，本文取Tst=3 a、β=1.99、η=9.19、d∞=10 mm。由該數學表達式可繪制出鋼管樁的腐蝕曲線，見圖2，從圖2可知，在t=20 a時，腐蝕速率趨近于0。

圖2 海上風電樁基鋼管樁腐蝕率

3 單樁基礎有限元數值模型

本文通過ABAQUS軟件，建立單樁基礎有限元數值計算模型，考慮到樁-土結構和水平荷載作用的對稱性，為便于計算，選取整體的1/2進行研究。整個模型選取為半圓柱形，模型半徑為50 m，深度100 m。ABAQUS數值模型見圖3。海上風電鋼管樁的作業環境是海洋，因此，模型中土體的容重均選取有效容重進行計算。在賦予水平集中力之前，通過對初始模型賦予重力進行計算得到地應力。導入獲得的地應力作為該模型初始應力場，再反復計算直至模型整體豎向沉降小于10-4m，得到該模型在地應力平衡下的初始狀態。

圖3 ABAQUS數值模型

模型的底部及四周均采用全約束，對稱面給予垂直于該面的法向位移約束，而頂面則設置為自由面。整個部件均采用三維八節點減縮積分六面體單元(C3D8R)類型網格進行劃分，網格屬性設定為結構。為方便結構網格的劃分，對樁-土模型均在1/2處進行了分割。樁-土接觸采用法向硬接觸與切向罰函數接觸，并設定罰摩擦系數為0.5。整個模型中，土體考慮為彈塑性體，選用M-C本構模型，樁則考慮為彈性樁。土層與鋼管樁數值模擬參數見表1。

表1 土層與鋼管樁數值模擬參數

本次數值模擬試驗設置基準點施加水平集中力，該作用點位于樁頂處。本文主要研究水平荷載對風機基礎的影響，因此外部荷載主要考慮風荷載、波浪荷載與海流荷載，內部荷載則考慮風機本身水平合力。參考東海大橋海上風電站荷載計算結果[8]，本文取相似水平荷載320 kN進行計算。

結合海上鋼結構均勻腐蝕數學模型，通過分析不同腐蝕狀況下鋼管樁因荷載產生的樁頂撓度與樁身最大應力，對鋼管樁基礎的強度及穩定性進行分析。考慮到海洋工程結構維護周期一般在30 a以內，本文僅對海上風電鋼管樁基礎30 a內的腐蝕進行數值分析。樁身撓度變化見圖4。各時刻樁基應力分布見圖5。從圖4、5可知，隨暴露腐蝕介質中的時間的增加，海上風電鋼管樁基礎樁頂撓度γmax由3.45 cm增加至3.87 cm，增幅為10%；樁身最大應力σmax由17.1 MPa增加至19.0 MPa，增幅為12%。

圖4 樁基撓度變化

圖5 各時刻樁身應力分布(單位：Pa)

為進一步分析樁基的腐蝕程度對樁身撓度與應力的影響，繪制樁基各部位擾度及應力變化曲線，見圖6、7。從圖6、7可知：

圖6 樁基撓度發展進程

圖7 樁基應力發展進程

(1)樁基的樁身相對撓度發展進程曲線分為3個主要階段：t=0時，初始樁頂撓度γ=3.45 cm；t<3 a即腐蝕初期時，隨時間的發展，腐蝕所導致的樁頂撓度變化并不大；3 a15 a時，樁頂撓度隨時間變化幅度減小，t=15～30 a的時間段內，撓度僅從1.1γ增長至1.12γ，增長幅度僅有0.02γ，其增速略低于防腐系統運作良好時的第1階段，大約為第1階段增速的2/3，表明此時樁的腐蝕速率已經由于腐蝕物的沉積趨于停止。

(2)樁基的相對最大應力發展曲線與相對撓度發展曲線變化幅度較為一致。t=0即樁未發生腐蝕時，樁身最大應力σ=17.1 MPa；t<3 a時，樁防腐蝕系統并未失效，樁身最大應力的增速較小；3 a15 a時，樁身最大應力隨時間變化幅度減小，t=15～30 a的時間段內，樁身最大應力僅從1.09σ增長至1.11σ，增長幅度僅有0.02σ，增速與第1階段基本持平。

4 結 語

本文以江蘇啟東某海上風電場為工程背景，基于均勻腐蝕模型，分析單樁鋼管樁基礎腐蝕程度對樁頂撓度與樁身最大應力的影響規律，得到以下結論：

(1)單樁基礎腐蝕數學模型分為3個階段，t<3 a時不發生腐蝕，3 a20 a時腐蝕速率趨近于0。

(2)單樁基礎在30 a的時間內因腐蝕導致其樁頂最大撓度γmax由3.45 cm發展至3.87 cm，且撓度發展曲線分為3個階段，與腐蝕數學模型基本一致。其中，第2階段樁頂撓度的增速為第1階段的5倍，第3階段增速則為第1階段的2/3。

(3)單樁基礎在30a的時間內因腐蝕導致其樁身最大應力σmax由17.1 MPa 發展至19.0 MPa。其中，第2階段最大應力增速為第1階段的7倍，第3階段增速與第1階段持平。