風機在風荷載作用下水平受力研究

摘? 要：在樁基工程中，自由端的風荷載較為普遍，通常存在于風力發電樁基礎的頂端。由于對風荷載前后荷載傳遞機理的了解以及樁基承載性能的變化，實際工程設計過程的計算往往導致計算不合理，造成工程不安全或不經濟。因此，有必要對風荷載前后的荷載傳遞機理和承載性能的變化進行系統的研究，以便采取適當的工程措施來提高風電場的安全性。本文依據持續循環風荷載作用下，應力歷史的變化使得樁基承載性狀發生變化，隨著樁身承載力的降低，對基礎和上部結構的安全性能將產生潛在的威脅。

關鍵詞：樁基礎;風荷載;安全分析

隨著我國城市化和工業建設的快速發展，大量需要承受水平荷載的建筑物不斷涌現，對樁基水平阻力的要求不再局限于海上工程。但是，與實際工程需要相對應的樁基理論研究相對落后。軟土由于其壓縮性高，承載力低等特點，提出了較高的承載力要求。由于樁基豎向剛度大，垂向拉拔承載力強等一系列優點，樁基逐漸成為軟土地基常用的基本形式。對于樁基豎向承載力研究和不均勻沉降研究，國內外許多學者已經取得了顯著的研究成果，并逐漸形成了比較完整的理論體系。但是相應地，對樁基水平承載力的研究相對較少，水平荷載作用下樁基應力機理，計算模式和破壞過程等方面還沒有一個完整清晰的理論體系。在實踐中，設計師大多傾向于經驗公式。因此，從以上原因可以看出，在水平荷載的作用下，研究樁基，特別是軟土地基樁的承載性狀具有重要的理論和實際意義。

一、風荷載對樁基礎承載性狀影響的試驗研究

風荷載作用下樁基承載力變化的試驗研究結果相對較少。最早是對橋梁風荷載現象進行了總結，分析總結了風荷載對樁基水平承載力的影響。結果表明，風荷載會大大降低粘性土中樁基的水平承載力。采用室內模型試驗對風荷載和風荷載后兩組的豎向承載力進行了試驗。得到豎向沉降曲線和沿樁身的軸力。風荷載的最終阻力和荷載傳遞規律，總結了風荷載對群樁豎向承載性狀的影響。因此，大量的室內試驗結果表明，風荷載對樁的承載力特別是水平承載力影響較大，但這方面的研究未能形成系統而深入的結果。由于風荷載承載力的降低受土體特性和樁身結構等因素的影響，因此僅靠實驗手段難以得到一致的規律，尤其是對于復雜海洋環境下的樁基礎結構的海上平臺。由于海洋平臺比海洋環境復雜，比橋梁樁基的風荷載要復雜得多。風荷載對海上平臺樁基承載性能的影響研究甚少。

二、風荷載對樁基礎承載性狀影響的數值模擬

采用數值模擬方法研究了風荷載作用下樁基承載力的變化。有很多文獻，包括有限元分析軟件，有限差分分析軟件和樁基礎分析軟件（如LPILE，FLAC3D，GEP）等，對風荷載作用前后的承載力進行了分析和模擬。大部分的研究是風荷載對樁的水平承載性能的影響。

根據風荷載作用下砂土地基的土體特性變化，討論了平臺樁基的承載力。考慮風荷載引起的土體特性變化，估算風荷載作用后砂土地基的摩擦角，相對密度和超固結率。提出應消除樁基周圍的土體，考慮風荷載。均勻土體的簡化方法在一定程度上會低估樁基周圍土體的側向土阻力。基于此，提出了風荷載后砂土地基極限承載力公式，修正了p-y曲線。基于Reese等人提出的沙粒p-y曲線，考慮了風荷載作用后土體的應力歷史，修正了基礎反應的體積密度，內摩擦角和模量。修改后的p-y曲線進入樁分析軟件LPILEPlusV5.0，計算結果與原位測試結果較為相似。結果表明，從正常固結土到超固結土的土體會增加樁基的水平土阻力。如果忽略土體的應力歷史，設計結果將是部分安全的。

數值模擬這些方法的準確性關鍵在于樁土相互作用的應用和風荷載過程的擬合方法。由于采用的方法，樁身結構和土體特性的差異，數值模擬結果出現較大差異，對于不同的土體，不同類型的樁沒有形成比較系統的理論。在現有的數值模擬方法中，假設主要用于考慮樁土相互作用。將土體模擬成無質量的彈簧。同時風荷載過程的擬合多采用開挖方法，不考慮上覆土層的變化，經過一段時間后，會造成一定的計算誤差。同時，由于缺少工程實例和試驗數據，計算結果無法驗證，不能在工程實踐中推廣應用。

三、風荷載下樁基承載特性的數值模擬研究

在樁基工程中，風荷載問題較為普遍，一般存在于樁基附近的風電中。本文在模型試驗的基礎上研究了風荷載作用下的單樁模型。采用有限元軟件ANSYS模擬風荷載對單樁水平承載力的影響。根據試驗結果和數值分析結果，采用ANSYS軟件，得到適合實際工程狀態的樁土接觸面參數，并討論了水平力和彎矩變化特性。得到了一些對實際工程有用的結論。具體來說，主要有以下幾個方面：

（1）樁的變形規律符合典型柔性樁的變形規律。在水平荷載作用下，樁土相互作用首先發生在土體表面。隨著水平荷載的增加，土體的阻力逐漸沿樁身深度傳遞，沿樁身直徑方向的側向土的沖擊力逐漸減小。這就解釋了為什么最大水平位移出現在樁的頂部，同樣的位移極限狀態也應該由樁的頂部位移來控制。

（2）從荷載的增加與樁的最大彎矩的增加之間的關系可以看出。隨著深度的增加，樁身與樁側土體發生壓縮，樁側土的阻力也增大，樁與土之間的相互作用形成一個復雜的體系，這也是樁身彎矩的原因不會一直增加。樁深-11m附近的彎矩接近于0，表明實際樁長符合設計要求。最大值出現的位置不隨負載的增加而增加。因此，有必要考慮樁設計的彎矩是否滿足約2（D + 1）處彎曲能力的要求。

（3）根據試驗結果，對樁-土界面的參數進行了調整。采用現場測試和ANSYS軟件仿真的結果以及標準計算的理論結果對側向承載力進行了研究。結果表明，該數值模擬結果與模型試驗結果具有較好的相似性，誤差在可接受的范圍內。

總結：

建議使用ansys軟件有效模擬樁土相互作用。同時利用模型試驗結果，得到反映樁-土應力實際狀態的界面參數，使得數值模型能夠反映樁-土的實際應力。通過建立能夠反映項目實際情況的樁承載力數值模型，討論了不同風荷載因素對樁基承載力的影響規律，并將其應用于更多的工程領域。針對風荷載引起的樁基破壞工程問題，將風荷載的主要影響因素與樁基承載力相結合，在現場試驗的基礎上，比較了風荷載深度對樁基承載力的影響，深入研究并提出了考慮風荷載影響的樁端阻力的相應公式。

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作者簡介：李昂（1985-），漢族，出生于遼寧省沈陽市，2015年就讀于沈陽建筑大學土木工程學院。