加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真-水利水运工程学报.pdf

第3期 水 利 水 运 工 程 学 报 No.3 摇 2012年6月 HYDRO鄄SCIENCE AND ENGINEERING Jun. 2012 加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真 李摇 炜, 郑永明, 孙杏建, 罗金平, 赵生校 (中国水电顾问集团华东勘测设计研究院, 浙江 杭州摇 310014) 摘要:针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题,提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式.通 过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板,充分利用浅层桩前土的抗力,增强了基桩水平承载性能.借 助数值仿真计算结果,采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合,进而求 解单桩水平极限承载力.结果表明,四阶多项式拟合法精度更高;加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩 明显降低,单桩水平极限承载力显著增强,稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响.该结构 形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中,有利于减小相应的材料成本及施工成本. 关摇 键摇 词:海上风电;单桩;稳定翼;水平承载力 中图分类号:TU473.1摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1009-640X(2012)03-0056-08 在海上风电场的建设中,基础结构是重中之重,主要有以下三方面特点:一是基础结构的成本占总造价 的比例较高;二是结构型式多样(高、低桩承台,多桩导管架,单桩等);三是所处环境复杂(风、浪、流等动力 循环荷载作用). 单桩基础通常由单根大直径钢管构成,下部深入土中,提供承载力;中部浸于水中承受波浪、海流、潮汐 等长期循环作用;上部通过连接段与风机塔筒相连.单桩基础是桩承基础结构中最简单的一种形式,也是目 [1-4] 前欧洲海上风电场的主导基础结构型式 . 单桩基础主要承受风、浪、流等水平荷载作用,在设计中需要重点考虑其水平承载性能.由于其整体刚度 相对较小(“较柔冶),作为常规控制因素的桩身位移等往往较大,且结构动力响应较大,容易在风、浪、流等动 力荷载的长期作用下产生疲劳损伤甚至失效.如果单纯从加大桩径、壁厚或者采用变桩径等方面来调整桩身 性能,则可能使成本过量增加,且增加沉桩施工难度. 桩的水平承载性能主要由桩的抗弯能力和桩侧土抗力控制,而桩侧土抗力大部分由近地表的浅层土发 挥,鉴于此,本项研究给出了一种加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础型式(已申请专利,以下称为加翼 单桩).通过在常规单桩近地表范围内设置稳定翼,使浅层土的抗力得到充分发挥,由此对桩身位移、弯矩等 进行控制,提高基桩的水平承载性能,降低基桩在动荷载作用下的动力响应. 本文借助数值模拟的结果,分别采用指数模式、四阶多项式模式对水平荷载与基桩水平位移的关系进行 [4-8] 了拟合,进而求解基桩水平极限承载力 . 1摇 加翼单桩 1.1摇 基本构造 加翼单桩结构布置及细部构造见图1,图中1为单桩;2 为稳定翼;3 为抛石防护;4 为稳定翼内侧(与单 摇 摇 收稿日期:2011-09-22 摇 摇 基金项目:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院院立项课题:1. 海上风电基础结构关键技术研究(KY2010-02-19); 2. 海上风电基础结构动力响应及疲劳寿命分析(KY2011-02-07-02) 摇 摇 作者简介:李摇 炜(1981- ),男,山东淄博人,高级工程师,博士,主要从事海上风电基础桩土作用及结构疲劳方面的研 究. E鄄mail:li_w@ 摇 第3期 李摇 炜,等:加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真 57 桩连接一侧);5 为稳定翼外侧;6 为加强支撑构件;L 为稳定翼长度;W为稳定翼宽度;h 为稳定翼上缘距离 计算泥面深度;兹 为减阻角(降低沉桩阻力);兹 为减 1 2 缓应力集中坡角(降低应力集中). 沉桩前,在预计的单桩近地表(海床泥面以下