楊 博，魏克湘,，楊文獻(xiàn)，寧立偉,，周 舟

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411102；3.風(fēng)電運(yùn)維與測試技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

0 引言

風(fēng)能作為一種新型的清潔能源，在全球范圍內(nèi)不斷的推廣和建設(shè).預(yù)計(jì)2020年底全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量能達(dá)到792.1 GW[1].近年來，陸上風(fēng)力機(jī)建設(shè)趨近飽和，未來海上風(fēng)電場的建設(shè)必定成為風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展的重要方向.自2007年我國海上風(fēng)電領(lǐng)域得到較快的發(fā)展，截至2015年底已達(dá)到1014.68 MW，目前已有2307 MW的海上風(fēng)電正在建設(shè)中，1240 MW的海上風(fēng)電在待建中[2]，規(guī)劃到2020年，我國將開發(fā)建設(shè)有30 GW的海上風(fēng)電.而相比于眾多的海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，單樁式基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、制造工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此已占據(jù)75%的市場份額[3].面對惡劣的海上環(huán)境，單樁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須在不更換發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備的前提下，安全運(yùn)行25年才能達(dá)到盈利的目的.在風(fēng)力機(jī)整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，要面臨著100次大的荷載，106～108次中等荷載[4].而單樁式基礎(chǔ)面對風(fēng)、浪、流等多種荷載時(shí)，不僅會(huì)造成基樁的變形，還會(huì)引起基礎(chǔ)周圍床面出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象.而基礎(chǔ)的局部沖刷將減小了樁基的入土深度，不但降低基礎(chǔ)的承載能力，還使支撐結(jié)構(gòu)的自振頻率發(fā)生改變，對風(fēng)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性和穩(wěn)定性造成極為不利的影響[5].

p-y曲線法作為分析基樁水平承載性最為廣泛的方法，中國、美國、日本等國的規(guī)范都有推薦[6].國內(nèi)外大量學(xué)者對p-y曲線開展了相關(guān)研究.Mcclelland和Focht等[7]根據(jù)原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，提出了p-y曲線制作的一些方法.胡丹等[8]則是通過建立有限元模型，開展了沖刷形態(tài)對樁基水平承載性的研究.Andersen等[9]通過彈簧模擬樁體與土壤之間的p-y曲線研究了海床對風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的影響.漆文剛等[10]探討了沖刷對海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)水平承載機(jī)理的影響及p-y曲線法的適用性，分析了沖刷對樁土相互作用的影響.Kishore等[11]通過模型試驗(yàn)分別探討了沖刷現(xiàn)象對剛性樁和柔性樁水平承載力的影響.

本文研究了沖刷現(xiàn)象對海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)水平承載性的影響.以往，眾多研究人員通常以圓棒代替單樁基礎(chǔ)作為研究目標(biāo)，而本文則是建立了空心圓管有限元模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果更加貼切實(shí)際.本文運(yùn)用p-y曲線法探討沖刷坑對單樁水平承載性的影響，分析沖刷效應(yīng)對支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律.從而為樁基的設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)，確保風(fēng)力機(jī)在海上復(fù)雜環(huán)境中安全運(yùn)行，以促進(jìn)我國大規(guī)模海上風(fēng)電開發(fā)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義.

1 水平荷載對單樁的影響

風(fēng)力機(jī)基樁面臨的水平荷載有許多，其中影響最深的是風(fēng)荷載和波、流荷載.與海上石油平臺不同，當(dāng)高聳的塔筒承受風(fēng)、波、流荷載時(shí)，是通過水平荷載去轉(zhuǎn)移水平力，而不是軸向荷載.基樁受到多種水平荷載后，樁身會(huì)將一部分荷載轉(zhuǎn)移至樁頂和樁側(cè)土.這時(shí)，基樁整體的彎矩、應(yīng)力都會(huì)增大，施加的荷載較大時(shí)，基樁將會(huì)發(fā)生明顯的位移，嚴(yán)重時(shí)基樁會(huì)發(fā)生斷裂.同時(shí)樁側(cè)土表面會(huì)發(fā)生破壞，下部的土處于彈性狀態(tài)[12].另一方面海流荷載和波浪荷載在沖擊基樁的同時(shí)，會(huì)引起下降水流的產(chǎn)生，同時(shí)由于海面水流速度大，海床表面水流速度小，因此存在一個(gè)壓力梯度，形成一個(gè)橫向旋渦并向下移動(dòng).下降水流攜帶著橫向旋渦形成馬蹄渦，與海床表面接觸時(shí)不斷掏蝕海床，使泥沙起動(dòng)，圓柱兩側(cè)的加速水流則使已起動(dòng)的泥沙處于懸浮狀態(tài).在樁的前后兩側(cè)存在一個(gè)壓力梯度，從而形成一個(gè)向海面運(yùn)動(dòng)的尾流，處于懸浮狀態(tài)的泥沙被帶離基樁附近，形成沖刷坑.而沖刷坑的出現(xiàn)，導(dǎo)致土體傳遞荷載的能力減弱.單樁沖刷示意圖如圖1所示.

圖1 單樁沖刷示意圖

1.1 單樁在水平荷載下的變形過程

海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)從承受風(fēng)、浪、流等荷載再到發(fā)生樁基斷裂，要經(jīng)過三個(gè)階段.第一階段為彈性變形階段，在這個(gè)階段基樁可以承受一定范圍內(nèi)的水平荷載，基樁雖然會(huì)產(chǎn)生變形但是當(dāng)荷載減小或者消失時(shí)形變都可恢復(fù).第二階段為塑性變形階段，這時(shí)施加在基樁上的水平荷載要大于樁身材料的屈服極限，基樁的應(yīng)力、彎矩均會(huì)有明顯地增長，而產(chǎn)生變形則大多不可恢復(fù)，此階段末所承受的荷載為極限荷載.第三階段為破壞階段.當(dāng)基樁承受的水平荷載大于極限荷載后,基樁的位移、應(yīng)力、彎矩隨荷載變化關(guān)系曲線的斜率均會(huì)表現(xiàn)為爆發(fā)式的增長.同時(shí)樁側(cè)土表面開始出現(xiàn)裂縫,明顯破壞.

1.2 p-y曲線的應(yīng)用原理

對于基樁水平承載力的計(jì)算方法有很多，但是p-y曲線法能較好反映樁土相互作用的變形特征，因此得到了廣泛地應(yīng)用.p-y曲線法，也稱為復(fù)合地基反力系數(shù)法，該方法的基本思想就是在水平力H作用下，泥面以下深度X處土反力P與該點(diǎn)樁的撓度y之間的關(guān)系曲線，即p-y曲線.蔣建平[12]等人已對軟黏土、硬黏土、沙土中的p-y曲線的計(jì)算方式作出了詳細(xì)的介紹，本文就不再進(jìn)行論述.

2 有限元建模

2.1 基樁及環(huán)境參數(shù)

潿洲海域已建某單樁海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，基樁相關(guān)參數(shù)如表1所示，環(huán)境參數(shù)如表2所示.

表1 基樁物理力學(xué)參數(shù)

表2 環(huán)境參數(shù)

因樁基入土20 m深，則設(shè)置了20組p-y曲線，一組p-y曲線代表1 m管段上土反力P與該點(diǎn)樁的撓度y之間的關(guān)系曲線.其中經(jīng)測量與計(jì)算后4～5 m泥深與9～10 m泥深的p-y曲線如圖2所示.

圖2 p-y曲線圖

2.2 有限元模型

模型采用PIPE16、PIPE59、COMBIN39以及MASS21單元.PIPE16單元主要用于代表海床表面以上的基樁部分，海床以上的樁基的長度為43 m，因此設(shè)置44個(gè)單元，1個(gè)單元代表1 m的基樁管段，同時(shí)對這44個(gè)PIPE16單元進(jìn)行編號，分別記為1～44號.而PIPE59單元?jiǎng)t是用于代表海床表面以下的基樁機(jī)構(gòu)，海床以下的樁基的長度為20 m，則設(shè)置20個(gè)單元，1個(gè)單元對應(yīng)1 m的基樁管段，這20個(gè)單元分別編號為44～64號單元.而COMBIN39單元用于模擬樁土之間關(guān)系的p-y曲線，在本模型中因床面以下的樁基結(jié)構(gòu)為20 m，因此設(shè)置了20層非線性彈簧單元，1個(gè)單元?jiǎng)t對應(yīng)于1條p-y曲線，單元編號分別記為65～85號.MASS21單元?jiǎng)t是用于模態(tài)分析.基于Sumer[13]及Melville[14]等人的研究，最大沖刷深度為1.38倍樁徑至2.4倍樁徑.本文最大沖刷深度則取2倍樁徑，因此模型建立的沖刷深度分別為0 m、1 m、2 m、3 m.有限元模型如圖3所示.

圖3 有限元模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 靜力分析

基樁的結(jié)構(gòu)整體變形圖、節(jié)點(diǎn)位移等效云圖以及單元彎矩分布云圖，如圖4所示.并且由圖可知無沖刷現(xiàn)象時(shí)，樁身的最大水平位移為1.58051 m，最大彎矩以及最大水平應(yīng)力值出現(xiàn)在第50節(jié)點(diǎn)，即海床表面下5 m附近.

圖4 基樁的變形、位移、應(yīng)力、彎矩分布圖

圖5 最大水平位移、最大水平應(yīng)力、

當(dāng)沖刷坑深度到達(dá)1 m時(shí)，模型的單元也隨之改變，水中的PIPE16單元變?yōu)?5個(gè)，泥沙中的PIPE59單元變?yōu)?9個(gè)，象征著樁土關(guān)系的COMBIN39單元也由20個(gè)變?yōu)?9個(gè).通過對1 m、2 m、3 m沖刷深度進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，可得到最大水平應(yīng)力值，分別出現(xiàn)在第51、52、53節(jié)點(diǎn)，而這就意味這沖刷深度下降1 m，樁身的最大水平應(yīng)力出現(xiàn)的位置也下降1 m.不同程度的沖刷深度，對應(yīng)的最大水平位移、最大水平應(yīng)力、最大彎矩的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖可知當(dāng)無沖刷現(xiàn)象時(shí)，樁基的最大水平位移為1.58051 m，最大彎矩為2.25 MN·m、最大水平應(yīng)力為259 MPa.當(dāng)沖刷深度達(dá)到S/D=2時(shí)，樁基的最大水平位移為1.58966 m，最大彎矩為2.28 MN·m、最大水平應(yīng)力為261 MPa.比無沖刷坑時(shí)，分別增長了0.58%、1.3%以及0.77%.在沖刷坑深度位于0～1.31倍樁徑的區(qū)間時(shí)，樁基的最大水平位移，最大彎矩以及最大水平應(yīng)力都是緩慢增長的.而當(dāng)沖刷深度位于1.31～2倍樁徑的區(qū)間時(shí)，三者都出現(xiàn)了快速增長的趨勢，因最大沖刷深度為2.4倍樁徑，所以在沖刷深度大于2倍樁徑后最大水平位移，最大彎矩以及最大水平應(yīng)力會(huì)逐漸的趨于平穩(wěn).

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析則是采用MASS21單元，取前六階模態(tài)，振型如圖6所示.1階模態(tài)固有頻率為0.4726 Hz；2階模態(tài)固有頻率為2.6982 Hz；3階模態(tài)固有頻率為7.1816 Hz；4階模態(tài)固有頻率為13.841 Hz；5階模態(tài)固有頻率為22.667 Hz；6階模態(tài)的固有頻率為32.716 Hz.未發(fā)生沖刷時(shí)自三階模態(tài)開始固有頻率開始較快增長.

圖6 模態(tài)分析圖

當(dāng)沖刷坑出現(xiàn)后，對基樁自身固有頻率有著一定影響，不同沖刷深度條件下對基樁自身固有頻率的影響如表3所示.1～6階的固有頻率均有所下降，其中下降最為明顯的是一階模態(tài)，下降幅度達(dá)1.8%.同時(shí)在基樁自身頻率下降的同時(shí)，要注意避免共振，樁基的自身頻率在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率1P(一般為0.17～0.33 Hz)和葉輪掃掠頻率3P(典型的3葉片3P在0.5～1 Hz)之間時(shí)才不會(huì)發(fā)生共振[15].在設(shè)計(jì)階段也要考慮到?jīng)_刷坑對基樁自身固有頻率的影響，要避免基樁的固有頻率降至1P.

表3 固有頻率對比表

4 結(jié)論

在風(fēng)、浪、流等荷載作用下，沖刷深度對單樁式基礎(chǔ)的承載性有較大影響，通過仿真分析可以得出：

(1)無沖刷時(shí)海床以下5m處基樁的彎矩最大，而出現(xiàn)1 m沖刷深度時(shí)，基樁的最大彎矩出現(xiàn)的位置也下降1 m，因此在海床以下5～8 m處的樁基應(yīng)考慮到加固.

(2)當(dāng)沖刷深度小于1.3倍樁徑時(shí)，位移、樁身彎矩以及應(yīng)力均是緩慢增長.而沖刷深度大于1.3倍樁徑時(shí)樁身的位移、樁身彎矩以及最大應(yīng)力值增長的趨勢較為劇烈.

(3)沖刷深度的增加會(huì)使基樁自身的固有頻率有所下降，當(dāng)沖刷深度到達(dá)2倍樁徑時(shí)即最大沖刷深度下，基樁的固有頻率會(huì)降低1.8%.這時(shí)要避免基樁的固有頻率降至1P.