海上風電單樁基礎(chǔ)的樁套管與樁基連接段的計算分析

摘 要：海上風電單樁基礎(chǔ)的上部風機通過樁套管連接到下部樁基上，然后在兩者中間進行灌漿。在風、波浪、水流的聯(lián)合作用下，樁套管和樁基連接段將受到較大荷載，其強度和穩(wěn)定性對整個結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。文章分別對外套管、樁基和中間的水泥灌漿的強度進行了計算，結(jié)果表明單樁結(jié)構(gòu)的各個部分都滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：海上風機；樁套管；樁基礎(chǔ)；等效應(yīng)力

1 概述

我國有著豐富的海上風能資源。我國東部沿海水深3m～15m的海域面積遼闊，可利用風能資源是陸上的三倍，即750GW，而且距離電力負荷中心很近，隨著海上風力發(fā)電技術(shù)的成熟，經(jīng)濟上可行，將來必成為重要的可持續(xù)發(fā)展資源。

對于海上風電基礎(chǔ)的研究，大多數(shù)集中在風、浪、流作用下整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定的研究[1][2]，而對于樁套管和樁基連接段，由于內(nèi)外層由鋼管和水泥漿組成，在水中受到波浪力、水流力的作用，對其穩(wěn)定性和強度提出了更高的要求。采用雙圓夾層鋼管及水泥漿的組合結(jié)構(gòu)型式隔水套管，基本結(jié)構(gòu)是在兩層鋼管之間灌注一定高度的固定用的水泥漿，其水泥漿高度可以根據(jù)計算而優(yōu)化確定，如圖1所示。

文章主要研究了單樁形式海上風電基礎(chǔ)的樁套管和樁基連接段，通過整體分析得到的各個部分的節(jié)點位移作為已知條件，使用大型有限元分析軟件ANSYS[3]分別對樁套管、樁基礎(chǔ)和中間的水泥漿的強度進行了研究，為今后該問題的研究提供了一種方法。

2 樁套管與樁基連接段的應(yīng)力分析

單樁結(jié)構(gòu)作為海上風機基礎(chǔ)的基本形式之一，在歐洲近海領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[4]。現(xiàn)結(jié)合某項目工程實例，研究單樁結(jié)構(gòu)的樁套管和樁基連接段處的強度和穩(wěn)定性，其基本形狀和內(nèi)部剖面圖如圖2所示，基本參數(shù)如下。

（1）樁套管、樁尺寸

套管：外徑4.5米，壁厚0.03米，長度6米；

樁：外徑4.3米，壁厚0.06米。

（2）材料參數(shù)

水泥漿：彈性模量：3.0×1010pa，泊松比：0.2，極限抗壓強度：27Mpa；

鋼管：彈性模量：2.1×1110pa，泊松比：0.3；

外管屈服強度：325Mpa，內(nèi)管屈服強度：275Mpa。

（3）環(huán)境參數(shù)

按照臺風工況進行計算，平靜狀態(tài)下水深10米，極端高水位：4.16米，波高8.3米，周期11.7秒，水流流速：1m/s。

2.1 模型建立

由于鋪設(shè)防沖刷塊石，不考慮泥面沖刷，因此泥面高程為-10米。為了簡化計算，文章把樁底簡化為固定端固定在泥面以下H（m）處，H值按經(jīng)驗公式確定：對淤泥，H=（7～8.5）D，D為樁外徑；對硬粘土，H=（3.5～4.5）D；缺乏土壤資料時，H=6D；文章采用6D，樁底高程-46米。

對于鋼管與水泥漿節(jié)點進行耦合，不考慮二者之間的滑移，水泥灌漿將套管灌滿。水泥漿應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Hognestad模型[5]。建立完畢的樁套管有限元模型如圖3所示。

對于荷載邊界條件采用位移加載，由前面環(huán)境參數(shù)工況下的樁身各點位移和泥面處位移來作為荷載邊界條件。單樁結(jié)構(gòu)樁身位移如表1所示。

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)約束條件和荷載條件得到計算結(jié)果如圖4～圖6所示。

由以上各圖可知，外套管受到的最大等效應(yīng)力為144Mpa，小于屈服應(yīng)力325Mpa；樁基最大等效應(yīng)力為152Mpa，小于屈服應(yīng)力275Mpa；水泥漿最大等效應(yīng)力為17.9Mpa，小于極限抗壓強度27Mpa，由此可見，在臺風工況下該結(jié)構(gòu)安全，不會發(fā)生破壞。

3 結(jié)束語

文章采用有限元分析軟件ANSYS計算了臺風工況下單樁結(jié)構(gòu)的外套管、樁基和中間的水泥灌漿的強度，各部分材料性質(zhì)與真實材料一致，水泥漿應(yīng)變-應(yīng)變關(guān)系采用Hognestad模型，荷載邊界條件采用位移加載。從文章得到的結(jié)果來看，單樁基礎(chǔ)連接段的外套管、樁基和水泥漿的等效應(yīng)力均遠小于屈服應(yīng)力，可見在臺風工況下，風機基礎(chǔ)該部分的安全性可以保證。

參考文獻

[1]郇彩云.海上樁式風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[D].大連理工大學，2009.

[2]陳法波.海上風機結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析[D].大連理工大學，2010.

[3]博嘉科技.有限元分析軟件ANSYS融會與貫通[M].中國水利水電出版社，2002.

[4]王鳳云，王輝.國內(nèi)外海上風電場現(xiàn)狀及其基礎(chǔ)設(shè)施研究[J].中國造船，2011，52：587-594.

[5]楊進，劉書杰，謝仁軍.ANSYS在海洋石油工程中的應(yīng)用[M].石油工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：郭曉玲（1988，03-），女，漢族，山西大同人，碩士學歷，現(xiàn)就職于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，實審審查員，主要從事水利領(lǐng)域?qū)＠麑彶楣ぷ鳌?/p>