淺談不同壁厚海洋樁基在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)

吳 峰

（信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南信陽(yáng) 464000）

風(fēng)電作為一種新型能源，目前已經(jīng)得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但隨著陸地風(fēng)力資源的開(kāi)發(fā)殆盡，人們開(kāi)始將風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在海上，以此獲取海上的風(fēng)力資源。但在海上建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)與在陸地上建設(shè)不同，對(duì)技術(shù)的要求更加嚴(yán)苛，其中最為關(guān)鍵的就是解決海洋波浪對(duì)風(fēng)機(jī)塔的影響。海洋中往往存在很大的波浪，波浪會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)塔產(chǎn)生沖擊，因此若想讓風(fēng)機(jī)在海洋上穩(wěn)定工作，首先就要解決海浪對(duì)風(fēng)機(jī)塔的沖擊問(wèn)題。

風(fēng)機(jī)的管壁厚度對(duì)其應(yīng)對(duì)海浪沖擊的影響效果較為明顯，因此為減少海浪沖擊對(duì)風(fēng)機(jī)塔帶來(lái)的影響，可以適當(dāng)采取加厚管壁的方式，但這樣將帶來(lái)較高的施工成本。而目前對(duì)風(fēng)機(jī)管壁對(duì)海浪沖擊的影響的研究中，普遍忽略了土壤對(duì)樁基帶來(lái)的影響。雖然風(fēng)機(jī)塔受海浪的沖擊會(huì)產(chǎn)生搖晃，但風(fēng)機(jī)塔和土壤的交界處也是一個(gè)需要分析的部位，這一部位的特征也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)塔在海浪的沖擊下的搖晃方式造成影響。

1 海浪沖擊風(fēng)機(jī)塔的計(jì)算模型

1.1 模型的確定

為確定海浪對(duì)風(fēng)機(jī)塔的沖擊影響，首先應(yīng)當(dāng)建立模擬這一過(guò)程的模型。為此，本文選取我國(guó)某海上風(fēng)電場(chǎng)中使用的風(fēng)機(jī)塔作為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化的二元模型進(jìn)行分析。在該模型中，將土層簡(jiǎn)化為一層，風(fēng)機(jī)塔的直徑為上下等寬的均勻圓柱，換算后得到的圓柱直徑為4.3m，以風(fēng)機(jī)塔為中心，模型中地面的范圍為直徑60m的圓，從而在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下簡(jiǎn)化計(jì)算難度。風(fēng)機(jī)塔中埋入土壤的樁體部分同樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，簡(jiǎn)化后其中管樁的半徑為1.75m，長(zhǎng)度為60m，土壤的深度為60m，管樁埋入土壤中的深度為35m。鋼管樁的模擬采用簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧寥劳瑯硬捎煤?jiǎn)單的實(shí)體單元，同時(shí)劃分土壤網(wǎng)格，選取4 節(jié)點(diǎn)雙線(xiàn)性應(yīng)變單元作為土壤的基本網(wǎng)格單元。為模擬實(shí)際的風(fēng)機(jī)塔在海浪沖擊下的振動(dòng)狀態(tài)，土壤模型的側(cè)邊緣為位移約束狀態(tài)，底部為固定約束狀態(tài)，頂部則不設(shè)置任何約束狀態(tài)。在對(duì)模型進(jìn)行分析時(shí)，首先為土壤模型設(shè)置重力參數(shù)和土壤應(yīng)力，在保持管樁長(zhǎng)度、埋深和半徑等其他因素不變的前提下，將管壁厚度設(shè)置為真實(shí)風(fēng)機(jī)塔中常用的0.4m、0.5m 和0.6m，依次進(jìn)行海浪沖擊風(fēng)機(jī)塔樁基的模擬。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

該模型為單一線(xiàn)性彈性模型，土壤性質(zhì)的確定采用Drucker-Prager 結(jié)構(gòu)，土壤和埋入其中的鋼管樁的具體參數(shù)如下：土壤密度為1434kg/m3，彈性模量為5.3×106Pa，泊松比為0.34，粘聚力為30kPa，摩擦角為33°；鋼管樁密度為7659kg/m3，彈性模量為2.4×1011Pa，泊松比為0.31，粘聚力為N/A，摩擦角為N/A.

1.3 海浪負(fù)載設(shè)定

本文中定義的海浪為線(xiàn)性波浪，應(yīng)用Airy 理論進(jìn)行計(jì)算。在該理論中，波浪產(chǎn)生的一系列波均在流體的水平面中，不存在流固耦合的影響。Airy 波浪理論是一種簡(jiǎn)化的理論，將液體看作理想流體，且忽視液體表面的張力影響；同時(shí)假設(shè)水的運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，表面的壓力恒定且海底處于水平狀態(tài)。由于海浪對(duì)風(fēng)機(jī)塔的影響主要來(lái)自于其中蘊(yùn)含的動(dòng)能，且場(chǎng)景規(guī)模較大，因此可以忽視部分微觀因素的影響，采用該理論進(jìn)行計(jì)算是可行的。基于Airy 理論的彌散方程為：（1）（2） ，上述兩方程中， 為海浪的角頻率， 為重力加速度，取9.82m/s2， 為本次海浪中的波數(shù)， 為海水的深度。計(jì)算中除了使用彌散方程外還需要使用莫里森方程，在莫里森方程中，橫向阻力系數(shù)為0.7，切向阻力系數(shù)為0，橫向慣性系數(shù)為1.5。

1.4 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)分析

分析數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)采用lanczos 方式并選取模型中前十階的振動(dòng)頻率，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析可知，階數(shù)和振動(dòng)頻率之間基本呈現(xiàn)出正相關(guān)的狀態(tài)，在一階時(shí)，振動(dòng)頻率為0.15Hz 左右，而十階時(shí)的振動(dòng)頻率為0.8Hz。同時(shí)，管壁厚度在0.4、0.5 和0.6m 下的振動(dòng)頻率隨階數(shù)的變化程度基本上是一致的，說(shuō)明風(fēng)機(jī)塔壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)頻率基本上相當(dāng)，即風(fēng)機(jī)塔的振動(dòng)頻率和厚度關(guān)系不大。而上述計(jì)算結(jié)果為在管樁的長(zhǎng)度、半徑以及埋深完全相同下的計(jì)算結(jié)果，也就是說(shuō)在上述三種情況不變的前提下，管壁厚度的改變基本不會(huì)影響風(fēng)機(jī)塔受海浪沖擊的振動(dòng)頻率。且通過(guò)對(duì)模型的數(shù)值結(jié)構(gòu)的分析表明，模型在海浪的沖擊下的振動(dòng)周期約為6s，海浪的周期約為8.3s，而現(xiàn)代的風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)完全可以抵抗這種水平的振動(dòng)，因此基本無(wú)需擔(dān)心海浪沖擊對(duì)風(fēng)機(jī)塔的影響。

1.5 風(fēng)機(jī)塔特征點(diǎn)位移比較

為更加具體的分析風(fēng)機(jī)塔在海浪沖擊下的振動(dòng)情況，我們?cè)陲L(fēng)機(jī)塔中選取了幾個(gè)特征點(diǎn)，并分析不同管壁厚度下的特征點(diǎn)在海浪沖擊下的位移狀態(tài)，以此得出更加詳細(xì)的風(fēng)機(jī)塔振動(dòng)狀態(tài)。

本文中特征點(diǎn)選取在模型結(jié)構(gòu)的拼接處，對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)中的風(fēng)機(jī)塔則是管樁和土壤面的交界處以及管樁的頂端，并分析了不同管壁厚度的風(fēng)機(jī)塔受到海浪沖擊后的100s 內(nèi)的特征點(diǎn)的位移狀態(tài)。以初始狀態(tài)下的位移值為0 開(kāi)始計(jì)算，在100s內(nèi)，特征點(diǎn)的位移呈現(xiàn)出周期性的搖擺方式，但相對(duì)于振動(dòng)頻率，管壁厚度對(duì)特征點(diǎn)的位移影響明顯更大，且管壁的厚度越小，風(fēng)機(jī)塔在海浪沖擊下的位移效應(yīng)就越明顯，即風(fēng)機(jī)出現(xiàn)搖晃的程度也越大。第一個(gè)振動(dòng)周期約為10s，后續(xù)的振動(dòng)周期大致控制在8.3s 左右，同上文中不同階數(shù)和振動(dòng)頻率相關(guān)曲線(xiàn)類(lèi)似。

對(duì)于管壁厚度在0.4m、0.5m 和0.6m 下，樁頂特征點(diǎn)沿X 軸的正向位移量分別為11.2mm、8.43mm 和6.89mm，呈現(xiàn)出減少的狀態(tài)，說(shuō)明管壁厚度的增加可以有效減少風(fēng)機(jī)塔頂端受海浪沖擊的影響，且減少幅度達(dá)到了25%，屬于比較可觀的水平；而沿X 軸負(fù)向的最大位移值分別為9.43mm、7.54mm 和6.33mm，同樣也隨著管壁厚度的增加在減小，減幅達(dá)到17%左右，雖然不如X 軸正向狀態(tài)，但也也較為明顯。樁基和土壤交界面處的不同管壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的特征點(diǎn)在海浪沖擊下沿X 軸正方向的最大位移分別為5.43mm、4.12mm 和3.54mm，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，減幅為22%左右，屬于較為可觀的水平；而X 軸負(fù)方向的最大位移分別為4.55mm、3.23mm 和1.89mm，減幅達(dá)到23%左右，同樣也很可觀。

通過(guò)上述的分析可知，無(wú)論管壁厚度如何，土壤面的特征點(diǎn)的位移始終小于頂點(diǎn)，這是由于風(fēng)機(jī)塔受土壤的約束所致，同時(shí)，同一特征點(diǎn)處X 軸的正向位移普遍大于負(fù)向位移，這與海浪沖擊的方向有關(guān)，如果海浪沖擊的方向?yàn)檎较颍瑒t正方向的位移為海浪沖擊所致，而負(fù)方向的位移則為風(fēng)機(jī)塔回彈時(shí)所產(chǎn)生的力所致，因此負(fù)向位移明顯不如正向位移。

2 結(jié)論

通過(guò)上述計(jì)算和分析可知，樁基的厚度確實(shí)會(huì)影響風(fēng)機(jī)塔對(duì)海浪沖擊的響應(yīng)情況，并且隨著厚度的增加，海浪沖擊對(duì)風(fēng)機(jī)塔的影響在減少。對(duì)于風(fēng)機(jī)塔樁基的整體結(jié)構(gòu)和振動(dòng)頻率方面，樁基的厚度不會(huì)對(duì)這兩項(xiàng)因素造成影響，不同樁基厚度之間的差距微乎其微，且振動(dòng)頻率的數(shù)值較低，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)塔的樁基結(jié)構(gòu)完全可以抵御，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檫^(guò)度震動(dòng)倒塌或斷裂的問(wèn)題。

當(dāng)樁基的厚度增加時(shí)，在海浪沖擊下樁基頂部和與土壤之間的交界處的位移程度呈現(xiàn)出較為可觀的減小趨勢(shì)，樁基厚度每增加0.2m，大約會(huì)減小20%。因此如果想要減弱海浪沖擊對(duì)風(fēng)機(jī)塔位移的影響，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)塔的穩(wěn)定性，適當(dāng)增加管壁厚度是非常不錯(cuò)的方法.