海水腐蝕對(duì)海上風(fēng)電樁基單樁水平承載特性影響的數(shù)值模擬研究

許海波，王欣怡，陳鳳云

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海上風(fēng)能是海洋可再生能源中具備極大商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。目前，我?guó)風(fēng)電事業(yè)正處于飛速增長(zhǎng)的黃金時(shí)期，其中江蘇省海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的71.5%，連續(xù)多年領(lǐng)跑全國(guó)[1]。海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)廣泛采用大直徑鋼管單樁基礎(chǔ)，鋼管樁由于長(zhǎng)期浸泡在海水中，會(huì)受到不同程度的腐蝕，從而影響其承載特性。因此，開展鋼管單樁腐蝕程度對(duì)樁基的承載特性研究，對(duì)風(fēng)電工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在海上工程腐蝕領(lǐng)域已經(jīng)做了很多研究工作。馮忠居等[2]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，分析了強(qiáng)腐蝕環(huán)境下樁基的極限承載特性，并得出樁長(zhǎng)與樁徑的增大均會(huì)增加樁的耐久性的結(jié)論；王富春等[3]采用MARC軟件分析了不同腐蝕程度下樁的豎直極限承載力的變化，得到相比于樁的腐蝕厚度，腐蝕深度對(duì)于樁的豎直極限承載能力影響更大的結(jié)論；馬希和等[4]采用ANSYS軟件對(duì)海水中的鋼筋混凝土樁耐久性進(jìn)行了分析，為其建設(shè)提供了理論依據(jù)；Hobbs[5]通過理論分析海水中氯離子對(duì)樁基的腐蝕與影響，得到了氯離子在混凝土中擴(kuò)散系數(shù)較大，會(huì)導(dǎo)致腐蝕更為嚴(yán)重的結(jié)論。

當(dāng)前，關(guān)于海工建筑物腐蝕方面的研究主要集中在橋梁等傳統(tǒng)海工工程腐蝕領(lǐng)域，關(guān)于海上風(fēng)電樁基腐蝕性對(duì)其承載特性的研究相對(duì)較少。為此，本文以江蘇啟東某海域海上風(fēng)電場(chǎng)為工程背景，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，建立海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)模型，基于鋼管樁的均勻腐蝕數(shù)學(xué)模型，分析其在經(jīng)歷海水腐蝕不同時(shí)間時(shí)的樁身?yè)隙燃皹渡硭艿淖畲髴?yīng)力，揭示鋼管樁腐蝕程度對(duì)其水平承載特性的影響規(guī)律，可為海上風(fēng)電工程的樁基設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

江蘇啟東海上風(fēng)電場(chǎng)工程位于啟東近海海域，海岸與風(fēng)電場(chǎng)中心區(qū)域相隔32 km。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃區(qū)域?yàn)榫匦?，長(zhǎng)約8 km，寬約5 km，規(guī)劃面積約為40 km2，裝機(jī)容量預(yù)計(jì)約250 MW。海底地形起伏不大，最小水深為6 m，最大水深約為13 m。風(fēng)電場(chǎng)擬安裝42臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為250 MW。場(chǎng)區(qū)的泥面高程約為-35 m，樁徑6 m。單樁基礎(chǔ)防腐體系采用的是涂層+外加電流的保護(hù)方式。風(fēng)電場(chǎng)示意見圖1。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)示意

2 鋼管樁均勻腐蝕模型

鋼管樁在海洋中的腐蝕分為局部腐蝕與均勻腐蝕。其中，均勻腐蝕是對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷影響最大的一種腐蝕類型，也是導(dǎo)致樁基礎(chǔ)承載性能下降的主要原因。均勻腐蝕為在管樁各處均以近似相同的速度發(fā)生腐蝕的腐蝕類型，過去的研究中常將該速度設(shè)定為常數(shù)。但多個(gè)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管的腐蝕過程非常復(fù)雜，其腐蝕速率并不能用簡(jiǎn)單的常數(shù)進(jìn)行描述，并且由于海上工程通常均設(shè)計(jì)有防腐系統(tǒng)，在確定鋼管樁基礎(chǔ)的腐蝕數(shù)學(xué)模型時(shí)也需要考慮到該系統(tǒng)的存在。

Soares等[6]在前人研究的基礎(chǔ)上提出了1個(gè)3階段的海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速率變化的非線性模型：①第1階段。由于防腐系統(tǒng)的存在，假定該階段管樁基礎(chǔ)尚未被腐蝕，這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間由防腐系統(tǒng)、海域海況、鋼管樁材料物理特性等多個(gè)因素決定，其范圍一般為3～7 a。②第2階段。鋼管樁開始發(fā)生腐蝕，此時(shí)為海水腐蝕作用與防腐系統(tǒng)共同生效的階段，海工結(jié)構(gòu)物外壁被腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物壁厚變薄。③第3階段。樁的腐蝕因腐蝕物在樁外壁的沉積逐漸停止。

秦圣平等[7]在該模型的基礎(chǔ)上，總結(jié)出考慮防腐系統(tǒng)與環(huán)境共同作用的鋼管樁防腐模型，其腐蝕厚度d(t)和腐蝕速率V(t)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

式中，d∞為極限腐蝕厚度；Tst為腐蝕開始時(shí)間；TL為海工結(jié)構(gòu)物的維護(hù)周期；β、η為待定系數(shù)。參考本文工程背景的鋼管樁基基本信息，本文取Tst=3 a、β=1.99、η=9.19、d∞=10 mm。由該數(shù)學(xué)表達(dá)式可繪制出鋼管樁的腐蝕曲線，見圖2，從圖2可知，在t=20 a時(shí)，腐蝕速率趨近于0。

圖2 海上風(fēng)電樁基鋼管樁腐蝕率

3 單樁基礎(chǔ)有限元數(shù)值模型

本文通過ABAQUS軟件，建立單樁基礎(chǔ)有限元數(shù)值計(jì)算模型，考慮到樁-土結(jié)構(gòu)和水平荷載作用的對(duì)稱性，為便于計(jì)算，選取整體的1/2進(jìn)行研究。整個(gè)模型選取為半圓柱形，模型半徑為50 m，深度100 m。ABAQUS數(shù)值模型見圖3。海上風(fēng)電鋼管樁的作業(yè)環(huán)境是海洋，因此，模型中土體的容重均選取有效容重進(jìn)行計(jì)算。在賦予水平集中力之前，通過對(duì)初始模型賦予重力進(jìn)行計(jì)算得到地應(yīng)力。導(dǎo)入獲得的地應(yīng)力作為該模型初始應(yīng)力場(chǎng)，再反復(fù)計(jì)算直至模型整體豎向沉降小于10-4m，得到該模型在地應(yīng)力平衡下的初始狀態(tài)。

圖3 ABAQUS數(shù)值模型

模型的底部及四周均采用全約束，對(duì)稱面給予垂直于該面的法向位移約束，而頂面則設(shè)置為自由面。整個(gè)部件均采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分六面體單元(C3D8R)類型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格屬性設(shè)定為結(jié)構(gòu)。為方便結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，對(duì)樁-土模型均在1/2處進(jìn)行了分割。樁-土接觸采用法向硬接觸與切向罰函數(shù)接觸，并設(shè)定罰摩擦系數(shù)為0.5。整個(gè)模型中，土體考慮為彈塑性體，選用M-C本構(gòu)模型，樁則考慮為彈性樁。土層與鋼管樁數(shù)值模擬參數(shù)見表1。

表1 土層與鋼管樁數(shù)值模擬參數(shù)

本次數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)施加水平集中力，該作用點(diǎn)位于樁頂處。本文主要研究水平荷載對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的影響，因此外部荷載主要考慮風(fēng)荷載、波浪荷載與海流荷載，內(nèi)部荷載則考慮風(fēng)機(jī)本身水平合力。參考東海大橋海上風(fēng)電站荷載計(jì)算結(jié)果[8]，本文取相似水平荷載320 kN進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合海上鋼結(jié)構(gòu)均勻腐蝕數(shù)學(xué)模型，通過分析不同腐蝕狀況下鋼管樁因荷載產(chǎn)生的樁頂撓度與樁身最大應(yīng)力，對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析?？紤]到海洋工程結(jié)構(gòu)維護(hù)周期一般在30 a以內(nèi)，本文僅對(duì)海上風(fēng)電鋼管樁基礎(chǔ)30 a內(nèi)的腐蝕進(jìn)行數(shù)值分析。樁身?yè)隙茸兓妶D4。各時(shí)刻樁基應(yīng)力分布見圖5。從圖4、5可知，隨暴露腐蝕介質(zhì)中的時(shí)間的增加，海上風(fēng)電鋼管樁基礎(chǔ)樁頂撓度γmax由3.45 cm增加至3.87 cm，增幅為10%；樁身最大應(yīng)力σmax由17.1 MPa增加至19.0 MPa，增幅為12%。

圖4 樁基撓度變化

圖5 各時(shí)刻樁身應(yīng)力分布(單位：Pa)

為進(jìn)一步分析樁基的腐蝕程度對(duì)樁身?yè)隙扰c應(yīng)力的影響，繪制樁基各部位擾度及應(yīng)力變化曲線，見圖6、7。從圖6、7可知：

圖6 樁基撓度發(fā)展進(jìn)程

圖7 樁基應(yīng)力發(fā)展進(jìn)程

(1)樁基的樁身相對(duì)撓度發(fā)展進(jìn)程曲線分為3個(gè)主要階段：t=0時(shí)，初始樁頂撓度γ=3.45 cm；t<3 a即腐蝕初期時(shí)，隨時(shí)間的發(fā)展，腐蝕所導(dǎo)致的樁頂撓度變化并不大；3 a15 a時(shí)，樁頂撓度隨時(shí)間變化幅度減小，t=15～30 a的時(shí)間段內(nèi)，撓度僅從1.1γ增長(zhǎng)至1.12γ，增長(zhǎng)幅度僅有0.02γ，其增速略低于防腐系統(tǒng)運(yùn)作良好時(shí)的第1階段，大約為第1階段增速的2/3，表明此時(shí)樁的腐蝕速率已經(jīng)由于腐蝕物的沉積趨于停止。

(2)樁基的相對(duì)最大應(yīng)力發(fā)展曲線與相對(duì)撓度發(fā)展曲線變化幅度較為一致。t=0即樁未發(fā)生腐蝕時(shí)，樁身最大應(yīng)力σ=17.1 MPa；t<3 a時(shí)，樁防腐蝕系統(tǒng)并未失效，樁身最大應(yīng)力的增速較小；3 a15 a時(shí)，樁身最大應(yīng)力隨時(shí)間變化幅度減小，t=15～30 a的時(shí)間段內(nèi)，樁身最大應(yīng)力僅從1.09σ增長(zhǎng)至1.11σ，增長(zhǎng)幅度僅有0.02σ，增速與第1階段基本持平。

4 結(jié) 語

本文以江蘇啟東某海上風(fēng)電場(chǎng)為工程背景，基于均勻腐蝕模型，分析單樁鋼管樁基礎(chǔ)腐蝕程度對(duì)樁頂撓度與樁身最大應(yīng)力的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)單樁基礎(chǔ)腐蝕數(shù)學(xué)模型分為3個(gè)階段，t<3 a時(shí)不發(fā)生腐蝕，3 a20 a時(shí)腐蝕速率趨近于0。

(2)單樁基礎(chǔ)在30 a的時(shí)間內(nèi)因腐蝕導(dǎo)致其樁頂最大撓度γmax由3.45 cm發(fā)展至3.87 cm，且撓度發(fā)展曲線分為3個(gè)階段，與腐蝕數(shù)學(xué)模型基本一致。其中，第2階段樁頂撓度的增速為第1階段的5倍，第3階段增速則為第1階段的2/3。

(3)單樁基礎(chǔ)在30a的時(shí)間內(nèi)因腐蝕導(dǎo)致其樁身最大應(yīng)力σmax由17.1 MPa 發(fā)展至19.0 MPa。其中，第2階段最大應(yīng)力增速為第1階段的7倍，第3階段增速與第1階段持平。