众所周知,海上风电单筒基础的承载性能受到多方面因素的影响,比如:桩基础的自身结构(主体结构和附属结构)、海床性质、环境荷载等。单筒基础的附属结构有筒顶加强板、箱梁加强板、箱梁翼板和分仓板等。为了研究海上风电基础附属结构(分仓板)对风电基础承载性能的影响,开展了有无分仓板对单筒基础承载性能影响的对照分析。
分析分仓板对单筒基础承载性能的影响,对模型的精细化程度要求很高,依泰斯卡软件FLAC3D作为一款高度集成的有限差分软件,完全能够胜任这方面的数值分析任务。图 1为江苏某海上风电场单筒基础(包括有无分仓板)。设置分仓板不仅能提高单筒基础的整体刚度,还能在某些条件下提高其承载力。在FLAC3D中,单筒基础结构全部采用结构单元Liner建模,其中泥面以下部分设置耦合弹簧用于模拟结构-土的相互作用。单筒基础的中心桩下部直径为10米,上部直径为7.5米,中间采用变截面连接段,直径在7.5~10米之间,中心桩厚度在0.020~0.070米之间;单筒的直径为36米,深度为14米,钢板厚度在0.020~0.040米范围内。中心桩和单筒之间设置一些附属结构,如:箱梁和分仓板。另外,数值模拟还考虑5米的冲刷深度。
图 1:江苏某海上风电场单筒基础模型(包括有无分仓板)
本文主要讲述分仓板对单筒基础在极端承载工况下承载性能的影响。下表为该机位钻孔得到的地质勘探数据。结构-土相互作用中抗剪强度(黏聚力和内摩擦角)折减系数取0.8。若单筒内不设置分仓板,可适当提高泥面以下中心桩厚度以提高结构刚度。
下表为风机荷载和等效波浪荷载的标准值
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Fx(kN) |
Fy(kN) |
Fz(kN) |
Mx(kN·m) |
My(kN·m) |
Mz(kN·m) |
风机荷载标准值(基础顶) |
2348.2 |
0 |
-8036.1 |
0 |
204103 |
15273 |
波流荷载标准值(基础顶) |
11993.5 |
0 |
0 |
0 |
-281958.5 |
0 |
经过分析,发现风机荷载主导时,单筒基础的整体变形较大。因此,在后续一系列分析中均采用“风机荷载主导”这一荷载组合。在极端承载工况下,除了关注单筒基础的整体变形外,还应重点关注基础周围和基础底的塑性区范围,以及数值收敛性。
图 2、图 3分别为极端承载工况下,(无分仓板)单筒基础的整体变形和基础周围的塑性区分布。在未设置分仓板的情况下,单筒基础顶水平变形约为426mm,转角超过11‰,基础底受压侧存在一定范围的塑性区。图 4、图 5分别为极端承载工况下,(有分仓板)单筒基础的整体变形和基础周围的塑性区分布。在设置分仓板的情况下,单筒基础顶水平变形约为318mm,转角为7.56‰,塑性区主要集中在筒壁周围,基础底受压侧存在零星塑性区。通过对比,发现分仓板对单筒基础的承载性能有较大影响,可减小其整体变形和桩底塑性区分布范围。图 6显示了极端承载工况下,单筒基础受“风机荷载主导”这一荷载组合作用下的荷载-位移曲线。计算结果显示,在考虑多向耦合作用下,分仓板对提高基础整体刚度有一定帮助,且单筒基础有较好的安全裕度,安全系数大于1。
图 2:未设置分仓板时,单筒基础的整体变形
图 3:未设置分仓板时,单筒基础周围塑性区分布
图 4:设置分仓板时,单筒基础的整体变形
图 5:设置分仓板时,单筒基础周围的塑性区分布
图 6:筒顶荷载-位移曲线
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