水平循環(huán)荷載下海上風機吸力基礎剛度變化

晁孌孌CHAO Luan-luan；呂村LV Cun

（①菏澤城建工程發(fā)展集團有限公司，菏澤 274000；②青島工學院建筑工程學院，青島 266300）

0 引言

海上風能作為一種新型的清潔能源，受到海洋國家高度重視，目前全球90%以上的海上風電場集中在歐洲北海、波羅的海及愛爾蘭海海域等[1]。開發(fā)海上風電是我國“經略海洋、陸海統(tǒng)籌”發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，能有效緩解沿海地區(qū)長用電緊張的局面。我國第一個海上風電場-上海東海大橋風電場于2010 年投產后，山東、江蘇、浙江、福建和海南等沿海海域的海上風電也正在建設或籌劃中[2]。我國計劃在2025 年前將實現海上風電裝機7000 MW，江蘇、福建、廣東成為我國海上風電主要的開發(fā)省份[3]。

風機塔架基礎的可靠性和耐久性是整個風電場安全運行的關鍵部分。目前海上風機塔架基礎結構形式主要包括：重力式基礎、單樁基礎、群樁基礎、三腳架基礎及吸力基礎等。其中，重力式基礎由大體積鋼筋混凝土澆筑而成，雖然建造成本低，但海上安裝費時、費力，施工造價較高，而單樁基礎由大直徑鋼管制成，需要大型液壓錘打入海床，適合海水深度不超過25m。因此，上述這些海上基礎形式均不適宜用于深海區(qū)，并且在風電場投入服役期滿后難以移除和重新利用。海上風電吸力基礎，具有施工速度快（采用負壓下沉施工技術）、造價低、可回收利用等優(yōu)點[4]，而廣泛應用于離岸結構的基礎。吸力式桶形基礎的安裝不需要像海上樁基所用的龐大打樁設備，僅需要一個抽水泵，就能使其沉貫到海床預定位置，尤其適用于深海區(qū)[5]。

為研究桶型基礎的承載特性及穩(wěn)定性，國內外學者通過模型試驗、有限元數值模擬及理論分析方法開展了大量的研究工作，取得了許多研究成果（余璐慶，2015；丁紅巖，2018）[6-7]。然而，隨著新一輪科技創(chuàng)新和產業(yè)變革進程的推進，建筑信息模型技術（building information model，簡稱BIM）在風電工程的應用開始被發(fā)掘。如劉占省[8]將BIM 技術應用于風電塔的結構設計和施工過程中，尹碩[9]則探討了BIM 技術在桶式基礎結構配筋設計中的應用，完善了鋼筋混凝土桶式基礎的鋼筋配筋設計。Cho[10]介紹了BIM在綠色能源風能和地熱能等工程開發(fā)上的應用。工程實踐表明，在建筑行業(yè)中應用BIM 技術具有許多的優(yōu)勢，為工程項目的方案優(yōu)化及科學施工提供了參考依據，還便于工程項目各方的協(xié)調管理。為拓展BIM 技術在海上風電工程中的應用，本文將BIM 海床地質模型及吸力基礎模型與有限元分析軟件ABAQUS進行結合，探討水平循環(huán)荷載作用下裙式桶型基礎的承載特性，并著重分析了不同豎向荷載作用下，吸力基礎的水平循環(huán)承載力、水平剛度、耗能能力及周圍土體變形隨循環(huán)次數的變化規(guī)律。該研究結果可提升海上風電吸力基礎的建模效率、施工質量，以及預測服役期間的水平循環(huán)承載能力，進而為海上風電場防災減災措施的建立提供依據。

1 BIM 創(chuàng)建海床地質模型及基礎模型

1.1 BIM 建立地質模型中的優(yōu)勢

復雜的海洋環(huán)境條件（如不良的地質條件、復雜的海床地形及惡劣的自然環(huán)境），會增加風機基礎的工程造價，延緩施工進度，甚至會影響基礎工程的施工質量。因此，進行海上風電桶型基礎設計、基礎承載性能研究時，需要建立合理的海床地質、地形模型。然而，常規(guī)的地質報告及配合查閱資料能夠大概的了解海床地質分布情況，若想詳細的掌握海上地質特征、地質巖土層的走向，僅靠查閱圖紙是難以實現的。而且采用模型試驗和數值模擬研究方法時，其地質、地形模型不能很好地的模擬現場海床地形、海上環(huán)境實際。BIM 技術則具有強大的建模能力，通過建立三維地質模型，將大量的巖土工程參數及地質信息整合在同一模型中，可以完整地展示海床地質、地形分布情況，還能任意的選擇某層地質進行剖切、查看及標注，實現了地質勘測最可能的接近工程實際。由此，本文根據江蘇龍源蔣家沙海上風電工程的勘測數據，由BIM 軟件Civil 3D 建立地質模型，再由Revit 軟件將其轉變?yōu)閿底只⑿蜗蠡娜S可視化地質模型（圖1），用于分析海床地質巖土層類型、土層走向、海床地形分布規(guī)律等，為后續(xù)開展桶型基礎循環(huán)承載有限元分析提供依據。

圖1 風電場地三維地質模型

1.2 BIM 建立吸力基礎模型

BIM 便于建立不同結構型式的桶型基礎模型，即通過建立“專用族庫”的方式進行基礎建模。模型參數類型包括：①幾何參數；②材料參數；③成本參數。由此，在基礎建模時，可直接從族庫中選取不同結構型式的桶型基礎，并任意調整幾何尺寸、材料屬性，其對應的基礎成本會自動輸出。而且，利用BIM 的三維可視化功能，可將桶型基礎立體實物全方位、多角度及可視化的展現。圖2 為BIM 軟件中Revit 創(chuàng)建的吸力基礎模型。同時，對地質模型與桶型基礎模型設置相同的項目基點及原點坐標，以進行模型整合與裝配。注：在地基模型和桶型基礎模型建立時，需精確定位模型的參考點，即確保地質模型與桶型基礎模型的坐標系一致。由此，再將BIM 創(chuàng)建的地質模型、桶型基礎模型引入有限元分析軟件（Abaqus、Ansys、Plaxis）中[11-12]，克服了有限元軟件建立的地質模型不夠精確、改變基礎尺寸必須重新建模的不足，既能節(jié)省建模時間，還能提升數值模擬精度。

圖2 基礎模型

2 BIM 技術與有限元分析的結合

2.1 建立有限元模型

將Revit 中創(chuàng)建好的海床地質模型、桶型基礎模型導入ABAQUS有限元軟件中，其導入步驟為：①先通過Revit軟件將模型導出為ACIS（STA）文件，文件后綴為.sat；②在ABAQUS文件按鈕下選擇導入部件，導入剛才生成的地質模型和基礎模型文件；③導入的模型可以創(chuàng)建成多個單獨的部件，也可以合并稱為單個部件。圖3 給出了導入ABAQUS軟件并劃分網格的地質模型及吸力基礎模型；材料參數見表1。吸力基礎尺寸為：主桶直徑為24m，裙結構的裙寬、裙高均為2m，頂板壁厚為0.1m，側壁厚為0.04m。土體采用八節(jié)點線性六面體減縮積分單元（C3D8R）劃分網格；基礎頂板自底向上方式生成網格，其他部位則采用C3D8R 劃分網格。另外，基礎與土體的切向接觸采用摩爾庫倫摩擦模型，而法向為硬接觸；對吸力基礎施加水平循環(huán)荷載，循環(huán)荷載的周期為2s。

圖3 有限元模型

表1 材料參數

2.2 吸力基礎水平循環(huán)承載特性分析

假定基礎的豎向剛度不變，只考慮水平剛度的變化，取每個循環(huán)周期內水平荷載-水平位移曲線中的極值，用于計算基礎剛度。發(fā)現，同一豎向荷載作用下，隨著水平循環(huán)次數增加，裙式桶型基礎的水平剛度逐漸減小，且在首次循環(huán)加載時水平剛度降低顯著（圖5）。另外，豎向荷載對基礎的水平剛度產生顯著影響，當豎向荷載由零增至1000kN 時，基礎的水平剛度約降低30%；但豎向荷載V=1000kN 作用下基礎的水平剛度高于豎向荷載V=500kN時，約提高15%。這是因為，水平循環(huán)荷載作用下，致使基礎周圍的土體產生較大的擾動，從而產生顯著的塑性變形，進而使基礎水平剛度快速降低。

圖5 基礎水平剛度變化規(guī)律

3 結論

圖4 循環(huán)荷載-循環(huán)位移關系曲線

①依據海上風電工程實際，通過BIM 技術建立海床地質模型和桶型基礎模型，并將其引入有限元軟件來分析海上風機吸力基礎的水平循環(huán)承載特性。②水平循環(huán)荷載作用下，吸力基礎的水平承載力、水平剛度隨循環(huán)加載次數增加而減小，且在首次循環(huán)加載時數值下降明顯；豎向荷載對裙式桶型基礎的水平剛度影響顯著。