海上风机群桩筒基础的力学性能分析.pdf

第 卷 第期 年月金 陵 科 技 学 院 学 报J OUR NA LO FJ I N L I NGI N S T I TUT EO FT E CHNO L O G YV o l ,N o J u n e,D O I:/j c n k i /n 海上风机群桩筒基础的力学性能分析左熹,许想,周恩全(金陵科技学院建筑工程学院,江苏南京 ;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江 )摘要:基于A B AQU S有限元软件平台建立了海上风机群桩筒基础的有限元模型,对不同桩数、桩径及不同桩分布方式下群桩筒基础的力学性能进行研究,结果表明:不同基础形式的应力均集中于上部结构与筒体结构的连接处,桩身的应力集中于桩顶位置;筒体结构被动区的应力显著高于主动区的应力;群桩筒基础与土体的接触面积比筒型基础更大,提供了更好的转角控制效果.群桩筒基础提升了基础与地基土之间的协同度,有效地提高了群桩筒基础的承载能力.关键词:海上风机;群桩筒基础;力学性能;应力作用;扭剪作用中图分类号:TU 文献标识码:A文章编号:X()收稿日期:基金项目:江苏高校“青蓝工程”资助项目(苏教师函 号)作者简介:左熹(),男,江苏兴化人,教授,博士,主要从事土动力学与地下工程技术方面的研究.M e c h a n i c a lP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fP i l e b u c k e tC o m p o s i t eF o u n d a t i o no fO f f s h o r eW i n dT u r b i n eZ UOX i,XUX i a n g,Z HOUE n q u a n(J i n l i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,N a n j i n g ,C h i n a;J i a n g s uU n i v e r s i t y,Z h e n j i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:Af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp i l e b u c k e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o no fo f f s h o r ew i n dt u r b i n ew a se s t a b l i s h e db a s e do n t h eA B AQU S f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r ep l a t f o r m T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fp i l e b u c k e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n tp i l en u m b e r s,p i l ed i a m e t e r s,a n dp i l ed i s t r i b u t i o nm o d e sw e r es t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es t r e s so fd i f f e r e n t f o u n d a t i o nt y p e s i sc o n c e n t r a t e da tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eu p p e rs t r u c t u r ea n dt h et u b es t r u c t u r e,w h i l e t h es t r e s so f t h ep i l eb o d y i sc o n c e n t r a t e da t t h ep i l e t o pp o s i t i o n T h es t r e s s i nt h ep a s s i v ez o n eo ft h et u b es t r u c t u r ei ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a t i nt h ea c t i v ez o n e T h ep i l e b u c k e t c o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a s a l a r g e r c o n t a c t a r e aw i t h t h e s o i l t h a n t u b e f o u n d a t i o n,p r o v i d i n gb e t t e rc o r n e rc o n t r o le f f e c t T h ep i l e b u c k e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ne n h a n c e st h es y n e r g yb e t w e e nt h e f o u n d a t i o na n dt h ef o u n d a t i o ns o i l,e f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h eg r o u pp i l e t u b e f o u n d a t i o n K e yw o r d s:o f f s h o r ew i n dt u r b i n e;p i l e b u c k e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n;m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s;s t r e s sa c t i o n;t o r s i o n a l s h e a ra c t i o n海上风机基础需要足够的承载力以维系风机安全和稳定运行.单桩基础的应用十分广泛,但缺点是侧向刚度不足,会产生难以控制的水平变位现象;筒型基础的发展前景非常广阔,但在承载力不足的条件下易发生沉陷、平移或者倾倒.针对这些问题,许多学者对现有的海上风机基础形式进行不断的研究第期左熹,等:海上风机群桩筒基础的力学性能分析与优化.周龙为了满足大容量风电机不断增加的施工水深,对砂土中超大直径单桩基础的桩土相互作用问题展开了理论分析、数值模拟和模型试验等.刘喜珠提出了以往工程尚未应用的、适用于近海和滩涂区域的大直径宽浅筒型基础,并采用有限元软件对基础的结构设计、承载力特性、破坏模式进行了全面的研究.WANG等提出了一种将单桩基础与圆盘组合在一起的新型海上风机混合单桩基础,有效地提高了基础的承载性能.乐丛欢等提出了一种将单桩基础与筒型基础组合的新型海上风机基础形式,即桩筒组合基础.黄周泉、唐兴亮、朱东剑等对新型桩筒复合基础的承载力进行了大量研究,模拟分析了桩埋深、桩径、筒径、筒壁高度与基础承载性能的关系.本文在现有的筒型基础内部增加钢管桩,使之成为新型海上风机群桩筒型基础,并对该基础进行力学性能分析,证明群桩筒基础提升了基础与地基土之间的协同度,有效地提高了群桩筒基础的承载力.群桩筒基础结构海上风机群桩筒基础是在传统的筒型基础内部安装数量不等的钢管桩,钢管桩与筒顶盖连接,筒型基础为已有的大直径宽浅式基础,为“筒中桩”构造.基础整体采用钢材制作,上部连接直线型过渡段,如图所示.(a)海上风机结构(b)筒型基础与内部钢管桩图桩筒复合基础示意图群桩筒基础结构的钢管桩、筒型基础、过渡段之间的预制和焊接在陆地完成,检验合格、符合下水的要求后,将群桩筒基础吊入内港池.安排施工船只使用浮运方式将其拖航到指定安装海域,通过负压下沉原理抽去筒内桩内的水,使基础出现内外压力差.基础不断被压入土中,直到安装成功.相反,将水注入筒内和桩内就可以将基础顶出海床,达到回收和重复使用的目的.相比于传统的单一的桩基础与筒型基础,群桩筒基础由两者组合而成,在结构上改变了原有基础的结构形式及力承载模式,具有下列优势:)改变基础受荷时的荷载传递模式,基础上部传递来的荷载由过渡段传递到筒型基础顶盖时,分别传递到钢管桩与筒壁上,提升了基础整体荷载的分担能力,有效地提高了基础的整体承载能力,保证了风机运行时的安全与稳定.)新型群桩筒基础仍然采用筒型基础的安装方式,依据负压下沉原理进行施工,与传统结构相比,降低了基础施工难度,节省了大量安装时间,同时也可以回收和重复使用.)新型群桩筒基础提供了更大的基础承载力,能够应用于大功率海上风力发电机,顺应了海上风机向大功率发展的方向和海上风电产业的研发趋势.群桩筒基础结构有限元模型的建立以江苏灌云某海域的风力发电机基础为研究对象,基础的形式为独柱单筒基础,风机规格为MW.风机规格源自“华能灌云清洁能源发电有限责任公司 年 月 华能灌云海上风电场 MW工程一般变动环境影响分析”.金陵科技学院学报第 卷筒基的形式为大直径双筒壁结构,外筒直径为 m,筒壁厚 m,埋深 m;过渡段为圆柱形,直径m.基于A B AQU S有限元计算平台,依据工程背景资料来源对群桩筒基础的力学性能进行研究.在控制用钢量不变的前提下,开展了单筒(B P基础)、单筒加桩(B P基础)、单筒加桩(B P基础)和单筒加桩(B P基础)种基础形式的水平承载力特性研究.模型参数见表.表基础形式及参数基础形式外筒直径/m外筒壁厚/m桩径/m桩壁厚/m用钢量/tB P基础 B P基础 B P基础 B P基础 群桩筒中的筒型基础和钢管桩都由钢材构成,材料密度 k gm,弹性模量 MP a,屈服强度 MP a,泊松比.建立的土体模型尺寸为直径 m、高度 m的圆柱形土体,能够避免土体的有限边界对计算结果精度的影响.选用M o h r C o u l o m b模型为地基土体本构模型 ,土层密度 k gm,弹性模量 MP a,泊松比 ,摩擦角 .选取足够范围的地基土尺寸来尽量反映真实的土体受力情况.在边界条件设置上,对土体侧面边界约束x、z方向上的位移条件和y方向上的转动条件;对于地基土的底部边界条件选用完全固定约束,即当底部土体在外荷载作用下无任何位移和转角发生.模型网格划分的数量和质量对计算是否收敛和计算结果的精度具有直接影响.在M e s h模块中,对群桩筒基础及地基土体模型进行合理分割,在关键截面处布置数量适宜的种子,使网格分布较为均匀.选用六面体八节点线性减缩积分实体单元(C D R)的网格属性,提升划分后的网格质量和模型计算的收敛性.同时,通过A B AQU S软件自带的网格校验功能,检查网格中出现的明显错误并进行高亮显示,在一定程度上减少了不合理网格的出现,提高了网格划分的准确性.群桩筒基础与地基土体之间的接触面有筒壁的内外侧面、钢管桩的内外侧面、顶盖的底面和基础底部.基础与土的接触面均采用“S u r f a c e t o s u r f a c e”接触,选择材料刚度较大的模块作为接触面的主面,刚度较小的为从面.切向行为设为“P e n a l t y”接触,法向行为设为“H a r d”接触,允许接触后分离.各个结构间的接触属性通过设置摩擦系数来模拟,基础与土体之间摩擦系数选为 .群桩筒基础在受到外来荷载作用时,荷载经由基础上部过渡段向下传递到基础下部,在建立模型进行计算的过程中,在群桩筒基础过渡段上部设计一点P作为加载点(图),通过耦合作用使该点与法兰面进行链接,此时荷载会经耦合作用均匀传递到结构上.图群桩筒基础的有限元模型及加载点P第期左熹,等:海上风机群桩筒基础的力学性能分析 群桩筒基础结构力学性能研究 应力作用分析图为群桩筒基础沿竖直方向的应力分布云图,图为B P、B P和B P基础的筒内钢管桩的桩身应力云图.可以看出:不同基础形式的应力均集中于上部结构与筒体结构的连接处;桩身的应力集中于桩顶位置;筒体结构被动区(向着土体方向运动的区域)的应力显著高于主动区(背离土体方向运动的区域)的应力,这是由于被动区受到不均匀土压力的挤压作用;主动区出现了筒 土相对脱离的现象.(a)B P基础(b)B P基础(c)B P基础(d)B P基础图群桩筒基础竖向应力云图(a)B P基础(b)B P基础(c)B P基础图群桩筒基础桩身应力云图图为加载位移达到m时种基础的被动区筒壁应力沿埋深的分布规律.可以看出:B P、B P、B P、B P基础的筒壁应力沿埋深呈现减小增加减小增大的变化规律;B P基础的筒壁应力最小,B P、B P、B P基础中筒壁的应力值相对较大,这主要是因为在这种状态下B P基础已经失效,无法继续承担荷载;B P与B P基础的应力变化规律基本同步.金陵科技学院学报第 卷图筒壁沿深度的应力分布 土压力作用分析图和图分别是群桩筒基础筒壁外侧被动区和主动区的土压力分布情况.分析可知:随着施加荷载的增大,地基土的被动区土体与筒壁间的挤压强度逐步增强,土压力也随之增加,且沿埋深呈现先增大再减小的趋势,说明群桩筒基础在承受水平荷载时,筒体的运动方式为转动;在主动区侧,筒壁与土体之间的接触随深度增加逐渐发生脱离,土压力随之减小,分布近似为三角形.由图可得,在承受相同水平荷载时,B P基础被动区土压力最小,B P基础被动区土压力最大.说明钢管桩的存在有效分担了基础上部传递的荷载,提升了筒体内部筒土的协同度,降低了被动区筒土间的挤压强度,即减小了外荷载作用下基础的水平位移.图筒壁外侧被动区土压力分布图筒壁外侧主动区土压力分布 扭剪作用分析模型计算中,随着加载转角的不断增大,群桩筒基础的旋转角度不断增大,群桩筒基础的扭剪荷载不断增大.扭剪荷载达到某值时与转角的变化关系趋于平缓,此值即为基础的扭剪极限承载力.本文采用位移控制法,在基础顶部加载点P施加 r a d的转角,进行扭剪荷载下群桩筒基础承载性能分析.图为群桩筒基础的转角与扭剪荷载之间的关系曲线,从图中可以看出:随着施加的转动角度增大,群桩筒基础的扭剪荷载不断增大;B P基础的扭剪荷载值最大(MN),表现出的效果最优,其次是B P、B P和B P基础,说明筒内钢管桩的存在增加了基础与土体的接触面积,显著提高了基础的扭剪承载力,且在用钢量相同的条件下,扭剪承载力的大小与桩数间无明显的正相关关系,与桩径、桩的布置方式有关.总的来说,群桩筒基础的扭剪荷载应根据其与桩数、桩径及桩分布方式之间的关系综合考虑.第期左熹,等:海上风机群桩筒基础的力学性能分析图转角与扭剪荷载的关系曲线 结论本文基于A B AQU S有限元软件平台建立了群桩筒基础的有限元模型(B P、B P、B P和B P基础),介绍了群桩筒基础的尺寸大小、材料属性、接触设置、边界条件等,对不同桩数、桩径及桩分布方式的群桩筒基础的承载性能进行研究,结论如下:)不同基础形式的应力均集中于上部结构与筒体结构的连接处,桩身的应力集中于桩顶位置;筒体结构被动区的应力显著高于主动区,同时主动区出现了筒 土相对脱离的现象.)对群桩筒基础模型扭剪作用下的承载力进行分析,群桩筒基础与土体的接触面积比筒型基础更大,提供了更好的转角控制效果.本文数值模拟中的地基土体为单一属性的土层,在实际工程中土壤分层较多,且不同土层力学性质不同,后续研究可以结合具体工程的土层参数,模拟不同土层下群桩筒基础的承载力.参考文献:OH KY,NAM W,R YU MS,e t a l Ar e v i e wo f f o u n d a t i o n so fo f f s h o r ew i n de n e r g yc o n v e r t o r s:c u r r e n t s t a t u sa n df u t u r ep e r s p e c t i v e sJ R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l eE n e r g yR e v i e w s,:KUMA RPM,S I VA L I N GAM K,NA R A S I MA L US,e t a l Ar e v i e wo nt h ee v o l u t i o no fD a r r i e u sv e r t i c a l a x i sw i n dt u r b i n e:s m a l lw i n dt u r b i n e sJ J o u r n a l o fP o w e ra n dE n e r g yE n g i n e e r i n g,:周龙砂土中海上风电超大直径钢管桩桩土相互作用研究D天津:天津大学,刘喜珠海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计及安全性研究D天津:天津大学,WANGXF,Z E N GX W,L IXY,e t a l L i q u e f a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o f f s h o r ew i n dt u r b i n ew i t hh y b r i dm o n o p i l e f o u n d a t i o nv i ac e n t r i f u g em o d e l l i n gJ R e n e w a b l eE n e r g y,:乐丛欢,丁红岩,练继建,等一种复合桩基础:C N AP 黄周泉,吴锋,苏静波海上风电桩桶复合基础的竖向承载性能研究J水力发电,():,唐兴亮水平荷载作用下海上风电桩筒复合基础承载特性研究D东营:中国石油大学(华东),朱东剑筒型基础与单桩相结合的新型复合风电基础研究D天津:天津大学,Z HANGPY,L IYE,L VYJ,e t a l B e a r i n gc a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o s i t eb u c k e t f o u n d a t i o nu n d e r t o r q u e l o a d i n gJ E n e r g i e s,():孙永鑫近海风机超大直径单桩水平承载特性试验与数值分析D杭州:浙江大学,李森,俞剑,黄茂松饱和黏土中不同刚度单桩水平循环加载离心试验J岩土工程学报,():张纪蒙,张陈蓉,张凯砂土中大直径单桩水平循环加载模型试验研究J岩土力学,():(责任编辑:湛江谭彩霞)