近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)樁基礎(chǔ)的動力學(xué)分析

李 武

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量日益增長，傳統(tǒng)的不可再生能源出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面［1-2］.因此，風(fēng)能資源作為清潔的可再生能源得到快速發(fā)展，近海是風(fēng)力發(fā)電的理想場所之一［3-4］.近海風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)多采用樁基結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)-塔架-基礎(chǔ)組成高聳動力結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)面對隨機(jī)變化的風(fēng)力及波浪力，使基礎(chǔ)承受自上部結(jié)構(gòu)傳遞的循環(huán)水平荷載，這個低頻的循環(huán)水平荷載會加大基礎(chǔ)的側(cè)向變形，而當(dāng)整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角超過0.5°時，就會使機(jī)頭位置產(chǎn)生過大水平位移，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法正常運(yùn)作［5］.因此，國內(nèi)外學(xué)者對近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的側(cè)向變形進(jìn)行了深入研究，對在低頻動力荷載作用下的樁基頂部最大位移、振動速度及樁基對風(fēng)機(jī)動力特性的影響等問題進(jìn)行了探討［6-8］.在動力荷載作用下，結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力會產(chǎn)生復(fù)雜變化，因此將有限元方法引入至樁基礎(chǔ)水平承載力與位移、轉(zhuǎn)角關(guān)系，穩(wěn)定性與樁直徑、埋深的關(guān)系及大直徑樁與土之間的相互作用等力學(xué)性質(zhì)的研究［9-11］.同時，通過有限元方法的研究成果修正了經(jīng)典p-y曲線計算方法對大直徑樁的側(cè)向位移的影響［12］.基于前人研究成果和實(shí)際工程問題，本文對大直徑鋼管樁、導(dǎo)管架和高樁墩臺基礎(chǔ)的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，討論其力學(xué)性質(zhì)，為實(shí)際工程設(shè)計提供參考.

1 工程概況

某風(fēng)力發(fā)電場場址呈“L”型，東西向長約15 km，南北向長約13.5 km，其西側(cè)邊線離海岸線直線最短距離約28 km，規(guī)劃海域面積127 km2.風(fēng)電場區(qū)域地形總體平坦，局部海溝較深，風(fēng)電場范圍內(nèi)原始地面高程大多為-1.0～1.3 m(85高程)，局部海溝處深達(dá)-8 m.該工程擬安裝100臺單機(jī)容量2 MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑93 m，輪轂高度80 m.風(fēng)電場配套設(shè)置1座220 kV海上升壓站及1座陸上集控中心，海上升壓站位于西側(cè)海域.升壓站規(guī)模按200 MW設(shè)計，并以一回220 kV海纜送出，陸上集控中心設(shè)置在海纜登陸點(diǎn)附近，海上升壓站距登陸點(diǎn)直線距離約30 km.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)擬采用大直徑鋼樁(4～5 m)、導(dǎo)管樁和高樁墩臺基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)需承受巨大的風(fēng)機(jī)傾覆力矩和波浪、水流荷載，而且風(fēng)機(jī)設(shè)備對基礎(chǔ)變形有很高的要求.

根據(jù)鉆孔揭示的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料得出，勘探深度內(nèi)均為第四系沉積物，上部①～③層為第四系全新統(tǒng)(Q4)沖海相粉土、粉砂，下部為上更新統(tǒng)(Q3)陸相、濱海相沉積物.根據(jù)土性及物理力學(xué)性質(zhì)細(xì)分為8個亞層，現(xiàn)自上而下分述見表1.

表1 地質(zhì)條件Tab.1 Geological conditions

2 數(shù)值模型

采用大型商業(yè)有限元程序ROBOT對3種基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，建立模型見圖1.超大直徑鋼管樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建模參數(shù):入土設(shè)計深度36 m，直徑4.3 m，壁厚6 cm，鋼樁部分采用殼單元，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.30，重度78 kN/m3;樁內(nèi)土采用桿單元模擬，主要考慮它對樁的剛度貢獻(xiàn)，不對其進(jìn)行力學(xué)分析，平均重度取9.35 kN/m3，彈性模量取6.21 MPa，泊松比取0.30.導(dǎo)管樁基礎(chǔ)建模參數(shù):鋼管樁直徑1.8 m，斜撐直徑1.7 m，水平撐直徑1.2 m，過渡管上端直徑4.3 m，下端直徑2.5 m，壁厚3 cm，采用桿單元模擬，材料參數(shù)同大直徑鋼管樁的參數(shù).建立數(shù)值模型如圖2.

圖1 基礎(chǔ)幾何模型Fig.1 Geometric models of the pile foundation

圖2 基礎(chǔ)有限元模型Fig.2 Finite element models of the pile foundation

高樁墩臺建模參數(shù):鋼管樁直徑1.2 m，壁厚2 cm，墩臺直徑14 m，高度3 m，墩臺是鋼筋混凝土現(xiàn)澆，混凝土C35，采用板殼單元模擬，彈性模量取27 GPa，泊松比取0.166，重度24.53 kN/m3.荷載按設(shè)計單位給定的范圍取值(為基礎(chǔ)環(huán)面的荷載設(shè)計值).上部傳導(dǎo)下的集中力荷載在模型計算中轉(zhuǎn)換為線荷載加于有限元模型的基礎(chǔ)環(huán)上，將彎矩等效加于有限元模型的基礎(chǔ)環(huán)上.鋼樁靠摩擦力提供承載力，所以采用m法模擬土對樁的側(cè)向約束，采用彈性地基模擬樁端約束.

3 動力計算分析

對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析時，首先要通過模態(tài)分析確定基礎(chǔ)的固有頻率和振型，再根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振頻率求出瞬態(tài)分析的阻尼.通過數(shù)值軟件模擬，得到3種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振型變化圖、固有頻率和周期表，分別見圖3～5和表2.瞬態(tài)分析中動力刺激采用波浪荷載，設(shè)計水位最大波高4.85 m，周期5.71 s，波長62.5 m.

圖3 獨(dú)樁基礎(chǔ)前4階振型Fig．3 Four modes of single-pile

圖4 導(dǎo)管架基礎(chǔ)前4階振型Fig.4 Four modes of offshore jacket

圖5 高樁墩臺基礎(chǔ)前4階振型Fig.5 Four modes of high-pile pier

表2 3種基礎(chǔ)自振頻率和周期Tab.2 Natural frequencies and periods of the three foundations

由圖3可知，獨(dú)樁基礎(chǔ)的第1階為橫向振動，第2階為縱向振動，第3階為扭轉(zhuǎn)方向振動，第4階為豎向振動，振動形式單一，實(shí)際工程中這幾種形式容易出現(xiàn).圖4中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)第1～3階振型與獨(dú)樁基礎(chǔ)的相同，但第4階振型出現(xiàn)撐桿振動，振動形式復(fù)雜，實(shí)際工程中不容易出現(xiàn).圖5中，高樁墩臺基礎(chǔ)與獨(dú)樁基礎(chǔ)振動形式相同.由表2可知，3種基礎(chǔ)的前3階自振周期相對高階大，激勵荷載周期為5.71 s，可見3種結(jié)構(gòu)自振頻率都能很好地避開激勵荷載的固有頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生.利用表2中得到的自振頻率，將它轉(zhuǎn)化成固有角頻率，結(jié)合公式，計算出瑞利阻尼系數(shù):獨(dú)樁基礎(chǔ)β=0.000 233，α=0.260 463;導(dǎo)管架基礎(chǔ)β=0.000 155，α=0.233 459;高樁墩臺基礎(chǔ) β=0.000 357，α=0.278 989.

根據(jù)瑞利阻尼，利用ROBOT程序進(jìn)行激勵荷載作用下基礎(chǔ)的瞬態(tài)動力分析，得到基礎(chǔ)頂位移的時間歷程響應(yīng)曲線如圖6.由圖6可見，在第1個激勵荷載周期內(nèi)，3種基礎(chǔ)振動不規(guī)則，特別是高樁墩臺抖動特別明顯，在第1個周期末，基礎(chǔ)頂端位移達(dá)到最大.此后，3種基礎(chǔ)的振動曲線隨著激勵荷載進(jìn)行規(guī)律性的擺動，結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變化，這與文獻(xiàn)［13］中獨(dú)樁的動力響應(yīng)規(guī)律相同，進(jìn)一步證明本文模型的有效性.3種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在靜力和動力作用的計算結(jié)果見表3.由表3可見，動力分析得到的位移值和應(yīng)力值比靜力分析的結(jié)果大，這與結(jié)構(gòu)的動力放大效應(yīng)是一致的.其中墩臺位移和應(yīng)力的放大系數(shù)比例遠(yuǎn)超過其他2種基礎(chǔ)，但是總體位移還是最小.然而獨(dú)樁基礎(chǔ)的位移放大系數(shù)相對較小，應(yīng)力放大系數(shù)在導(dǎo)管架和墩臺之間.對比3種基礎(chǔ)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)位移和應(yīng)力的放大系數(shù)綜合效果最小.

圖6 基礎(chǔ)頂位移的時程曲線Fig.6 The time-displacement curves on the foundation top surface

表3 最大位移和最大應(yīng)力的靜力和動力計算比較Tab.3 Comparison of static and dynamic calculation of the maximum displacement and stress

4 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計方案對3種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

(1)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的低階振型相對其他2種基礎(chǔ)復(fù)雜，而且其位移和應(yīng)力的放大系數(shù)相對其他2種較小，因此，3種基礎(chǔ)中導(dǎo)管架基礎(chǔ)承受動力荷載的性能最優(yōu).

(2)3種基礎(chǔ)經(jīng)過激勵荷載的第1周期后，位移振動趨向穩(wěn)定，沒有隨著時間的增加而增大，這說明3種基礎(chǔ)避開了激勵荷載的固有頻率.

(3)3種基礎(chǔ)中，高樁墩臺的抗側(cè)移剛度最大，雖然它受動力影響較大，但是應(yīng)力還在設(shè)計材料的允許范圍之內(nèi)，總體位移比其他2種基礎(chǔ)小得多.

總之，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電對基礎(chǔ)側(cè)向位移小的要求，綜合考慮3種基礎(chǔ)的力學(xué)性能，高樁墩臺基礎(chǔ)是近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基礎(chǔ)的最佳選擇.

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