波流荷载加载方式对风机高桩承台结构的应力影响

陆南辛，祝周杰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

0 引 言

高桩承台基础是一种常见的海上风电机组基础形式，其具有结构安全性能高、抗水平荷载能力强、施工工艺相对成熟和造价较低等优点[1]。在水深10～30 m，表层土体工程性状较差的区域，得到广泛采用。

在海上风电基础的受力模式中，主要承受的外荷载为基础波流荷载和风机荷载[2]。对于高桩承台而言，由于风机荷载直接作用在承台顶部的基础法兰上，作用力由基础环结构或者高强预应力螺栓传递至混凝土承台，由于荷载的间接传递，风机荷载大部分的作用效果已经由混凝土承台整体转化为桩基础的轴力，其对于高桩承台桩基础的钢管桩的影响是协同的，影响较小。

波流荷载直接作用高桩承台钢管桩上，对桩身的应力直接影响。而在实际工程中，波流荷载的加载方向和高度往往是随机的，与风机荷载呈一定的夹角，因此，了解波流荷载加载方式对桩基础的应力影响具有一定的工程应用价值和学术意义。

1 波流荷载模型

(1)波浪荷载。波浪荷载是引起海上建筑物疲劳损坏的主要荷载，在相关的港工、海上结构物规范中，如《港口与航道水文规范》《Design of offshore wind turbine structures》《海上固定平台入级与建造规范》《滩海环境条件与荷载技术规范》都对波浪荷载的计算给出了相关的规定。目前通用的波浪荷载的计算公式均是基于Morison公式(其适用条件为波浪波长与构件外径之比大于5)，根据Morison方程，作用于结构的波浪荷载为[3]

(1)

(2)水流荷载。建议采用《港口工程荷载规范》进行水流荷载的计算，即

(2)

式中，Fw为水流力标准值；Cw为水流阻力系数；V为水流设计流速；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积。

2 高桩承台结构有限元模拟

本文以我国东南某海上风电场高桩承台基础为算例。结构计算采用有限元分析软件ANSYS程序，承台混凝土采用实体单元SOLID65模拟，与承台连接的塔筒连接段和管桩段用实体单元SOLID 95进行模拟，海床面以上钢管桩采用PIPE59单元模拟，海床面以下钢管桩采用PIPE16单元进行模拟[4]。模型如图1所示。

图1 海上风电场高桩承台基础示意

钢管桩与土层作用采用非线性弹簧单元COMBINE39进行模拟，根据地勘成果，参照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》等相关规范，确定p-y曲线、t-z曲线和Q-z曲线，并分别用于定义水平方向、轴向及桩端非线性弹簧属性。

对于桩土相互作用时的水平荷载的模拟采用的p-y曲线，参照《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法》相关规定，对于粘性土桩的侧向极限承载力Pu按下式确定[5]：

Pu=(3c+γX)D+JcX当0

(3)

Pu=3cD当XR≤X

(4)

式中，pu为桩侧向极限承载力；c为未受扰动的粘性土的不排水剪强度；D为桩的直径；γ为土体有效容重；J为无量纲经验常数，变化范围为0.25～0.50，本文取为0.4；X为泥面以下深度；XR为泥面以下至土抗力减小区底部的深度。

对于砂性土的p-y曲线，桩的侧向极限承载力Pu按下式确定：

Pu=(C1X+C2D)γX当0

(5)

Pu=C3DγX当XR≤X

(6)

式中，C1、C2、C3为参数，取决于砂土内摩擦角φ。

3 计算结果及分析

3.1 不同水位对于钢管桩应力的影响

3.1.1计算工况及承台基本情况

为了更加准确的研究不同水位波流荷载对高桩承台钢管桩受力的影响，采用5个水位工况对高桩承台钢管桩进行受力分析，计算工况描述见表1。

表1 计算工况

本文高桩承台采用2.0 m直径钢管桩，海床面以上钢管桩壁厚为30 mm。承台底高程设置为12.5 m，采用《港口与航道水文规范》对面板底部波浪付托力复核，本文高桩承台基本不受波浪上托力及冲击力作用。由于非实际工程且对服役期止的风机基础结构海生物附着厚度的敏感性进行研究表明，海生物生长厚度对基础结构自振特性敏感性较低[6]，因此，本文高桩承台暂不考虑海生物附着、钢管桩腐蚀以及海床面局部冲刷。同时，考虑波流荷载与风机荷载的作用方向为同向。

3.1.2钢管桩应力最大值及高程分布

钢管桩应力最大值及位置分布见表2。通过表2可以看出，考虑波流荷载影响的钢管桩Mises应力，均要明显高于不考虑波流荷载影响的工况，应力增大幅度高达66%。对于不同计算水位的工况，可知随着水深和波高的增加，钢管桩应力也不断增加。由表2可知，总体上随着水深的增加，最大应力点也会上移，基本上位于对应工况水面位置以上。对于没有波流荷载作用的工况1，最大应力作用点位置明显靠下。

表2 各水位工况钢管桩Mises应力情况

3.2 不同波流荷载作用方向对钢管桩应力的影响

在工程设计上通常选取常浪向作为波浪的入射方向，并且让风机荷载作用方向与波浪海流方向一致，而实际上波流荷载的作用往往是随机的。为了研究波流荷载作用方向对高桩承台钢管桩的作用效果，固定计算水位为极端高水位，选取风机荷载与波流荷载方向分别呈0°、45°、90°、135°、180°5个工况对高桩承台钢管桩进行受力分析。钢管桩应力最大值及应力分布见表3。

表3 各波流荷载作用方向钢管桩Mises应力情况

由表3可知，在波流荷载与风机荷载同向作用时，钢管桩的应力最小，而在反向作用时，钢管桩的应力反而最大，这与通常理解的情况有所出入。为了探寻原因，提取本工程钢管桩变形如图2所示。由图2可知，由于土壤和混凝土承台对于钢管桩约束作用，钢管桩在单纯风机荷载作用下的变形呈现“S”形。在水下部分，钢管桩桩身呈现出与风机荷载方向反向的挠度。此时，与风机荷载反向的波浪力与水下部分钢管桩扰度方向一致，在一定程度上是对于钢管桩水下部分的挠度有增加作用，这直接表现为钢管桩应力的增大，同时导致钢管桩最大应力位置随着风机荷载与波流荷载荷载夹角增加而下移。在波流荷载与风机荷载方向呈大于135°时，最大应力位置已经低于该工况的水面位置。当荷载夹角引起的应力增大幅度约为10%，对比水位、波高对于应力增大的幅度而言相对较小，但是在工程设计比较接近极限的情况下，这部分应力增大将是不可忽视的。

图2 钢管桩变形示意

3.3 应力危险区分布

本文中高桩承台风电基础钢管桩采用Q355C材质钢管桩，对于壁厚16～40 mm的钢材而言，其抗拉、抗压和看完的强度为295 MPa。因此，本文将应力区间在245～295 MPa的钢管桩区域定义为“应力危险区”。本文对高桩承台8根桩应力危险区面积进行累加统计，5种应力危险区总面积如表4所示。由表4可知，波流荷载与风机荷载反向作用工况下的应力危险区面积要略大于同向作用工况，但是并没有很明显的规律性，危险区面积没有显著增大。

表4 各波流力作用方向钢管桩应力危险区面积

由于应力危险区面积是统计的整个承台的8根桩，而最大应力只是选取了其中应力最大的桩，并不能代表整个基础钢管桩的应力平均水平。对于整个承台而言，8根桩是沿360°方向平均分布的，整体而言对于荷载夹角的敏感程度较低。工程可靠度较水平没有明显变化。

4 结 论

(1)波流荷载会显著增加高桩承台钢管桩的应力，桩结构的应力随着水深、波高的增大而增大。

(2)波流荷载与风机荷载的作用夹角会影响风机高桩承台钢管桩基础的受力情况。当波流荷载与风机荷载反向时，桩基础最大应力达到峰值。在工程设计中，应该注意波流荷载作用方向的影响，选取最不利工况进行设计。

(3)对于不同的波流荷载与风机荷载的作用夹角，应力危险区面积相差不大。应力危险区是整个风机基础设计可靠度的一个整体评价，在实际设计过程中，如果未达到基础整体受力极限，则可以认为波流荷载的作用方向对于基础的整体可靠度影响较小。