楊德 胡雪揚(yáng)

（1 福州海峽發(fā)電有限公司 福建福州 350207 2 福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001）

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，清潔能源所占的比重逐年增長(zhǎng)。而在清潔能源中，風(fēng)能以其含量大、分布廣、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。相比于陸上風(fēng)能，海上風(fēng)能密度更大、穩(wěn)定性更高、且受地形的影響更小。因此，近年來(lái)海上風(fēng)電十分迅猛，由近岸地區(qū)逐漸向深海發(fā)展［1-2］。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式多樣，對(duì)于30 m 水深以上的海域，多筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的適用性［3-4］。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的特點(diǎn)是高聳的上部結(jié)構(gòu)承受的水平荷載較大，底部基礎(chǔ)既要承受彎矩荷載也要承受水平荷載，而傳統(tǒng)多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)主腿底部往往位于筒頂蓋的形心處，通過(guò)腹板及肋板等附屬構(gòu)件構(gòu)成的加強(qiáng)段與筒體相連，而對(duì)其偏心情況下的承載力變化情況還不清楚［5-8］。本文在筒間距及筒基尺寸固定不變的前提下，針對(duì)窄深式三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，考慮了5 種不同主腿—筒體相對(duì)位置，調(diào)整了相應(yīng)的加強(qiáng)段結(jié)構(gòu)，分析了偏心對(duì)窄深式三筒導(dǎo)管架水平承載力、土壓力分布規(guī)律以及旋轉(zhuǎn)中心位置的影響。

1 有限元模型

為比較不同主腿位置對(duì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)承載性能的影響，本節(jié)共建立5 個(gè)有限元模型，其中基礎(chǔ)A1、A2、A、A3、A4主腿間距分別為31 m、32.5 m、34 m、35.5 m、37 m，筒高均為20 m，筒直徑均為10 m，筒間距均為34 m?；A(chǔ)頂法蘭盤距筒頂蓋高度均為65.6 m，基于福建長(zhǎng)樂(lè)海域應(yīng)用的三筒結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，圖1（b）為基礎(chǔ)A 和基礎(chǔ)A1 的有限元模型示意圖。三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)為鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架通過(guò)加強(qiáng)段與筒基相連，筒頂加強(qiáng)段模型見(jiàn)圖2，主要由中心筒以及8 塊T 型肋板組成，兩者通過(guò)頂部的鉆石頂板連接固定。在ABAQUS 中采用殼單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。定義材料為理想彈塑性模型，彈性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=345 MPa。

土體參數(shù)采用Mohr-Colunm 模型，參考某海域砂土，飽和容重為19 kN/m3，彈性模量為30 MPa，內(nèi)摩擦角為30°，粘聚力為2.6 kPa。為消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，模型中土體長(zhǎng)與寬均為170 m，高85 m，土體底面為固定約束，側(cè)面采用水平約束［9］。土體采用C3D8RD 單元，網(wǎng)格如圖3 所示。

圖3 土體網(wǎng)格示意圖

2 偏心對(duì)水平承載力及旋轉(zhuǎn)中心分析

在對(duì)筒型基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行研究時(shí)，位移控制法與荷載控制法是兩種常見(jiàn)的荷載施加方法。相對(duì)于荷載控制法，位移控制法能夠更直觀地找出基礎(chǔ)的荷載極值，因此本文選用位移加載方法，在基礎(chǔ)頂部法蘭盤位置施加一固定大小及方向的位移，對(duì)基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行研究［10］。

基礎(chǔ)A1、A2、A、A3、A4的水平荷載—位移曲線如圖4 所示。各曲線荷載與位移在加載初期基本呈線性關(guān)系，隨著水平位移的增加，曲線出現(xiàn)了“拐點(diǎn)”，曲線的斜率逐漸變緩，說(shuō)明基礎(chǔ)土體發(fā)生了塑性變形，較小荷載也能夠使基礎(chǔ)產(chǎn)生較大位移。目前通過(guò)有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線有陡變型和緩變型2 種情況。前者曲線存在明顯的拐點(diǎn)，可將該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載作為極限承載力，而后者曲線并沒(méi)有明顯拐點(diǎn)，可采用“雙切線法”確定地基極限承載力［11］。

圖4 中基礎(chǔ)A1、A2、A、A3的荷載—位移曲線為陡變型，基礎(chǔ)A4 的荷載位移曲線為緩變型，按照相應(yīng)方法找出各基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的水平極限承載力分別為16.35 MN、17.90 MN、19.35 MN、21.78 MN、22.65 MN，可見(jiàn)在筒間距及筒徑固定的前提下，主腿位置對(duì)基礎(chǔ)的水平承載力有著顯著影響，在筒頂圓心與多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)形心的連線上，主腿底部距離基礎(chǔ)形心越遠(yuǎn)，基礎(chǔ)的水平極限承載力值越大。由圖5 可知，各基礎(chǔ)的水平承載力隨主腿間距的增大幾乎線性增加。

圖4 不同主腿位置三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平荷載-位移曲線(S/D=0.5)

圖5 各基礎(chǔ)水平極限承載力

圖6 為水平加載過(guò)程中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心，其中綠色散點(diǎn)為空間點(diǎn)在XZ 軸上的投影?；A(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心的計(jì)算示意圖見(jiàn)圖7，具體計(jì)算公式如式（1）～（2）：

圖6 水平加載過(guò)程各基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心

圖7 旋轉(zhuǎn)中心計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：X0是指旋轉(zhuǎn)中心到基礎(chǔ)形心的距離（負(fù)號(hào)表示背離加載方向）；Z0是指旋轉(zhuǎn)中心距離泥面的距離（泥面以下為負(fù)值）；Z1與Z2分別為上拔筒與下壓筒的豎向位移；X1為參考點(diǎn)水平位移；X2為1# 筒水平位移；h0為參考點(diǎn)距筒頂?shù)呢Q向距離；Lu為上拔筒距基礎(chǔ)形心沿X 方向的距離；Ld為下壓筒距基礎(chǔ)形心沿X 方向的距離。

由圖6 易知三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在水平受荷過(guò)程中，其旋轉(zhuǎn)中心在水平方向上由背離加載方向一側(cè)逐漸向受壓筒處移動(dòng)；而在豎向旋轉(zhuǎn)中心位置呈現(xiàn)先接近泥面、后遠(yuǎn)離泥面、最后再接近泥面的特點(diǎn)，在極限承載狀態(tài)時(shí)基礎(chǔ)A 旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)為（-2.8 m，-6.3 m），該點(diǎn)即為加載過(guò)程中基礎(chǔ)A 旋轉(zhuǎn)中心位置變化的拐點(diǎn)。在此之前，隨著水平荷載的增大旋轉(zhuǎn)中心的位置在Z 方向上逐漸遠(yuǎn)離泥面，在此之后隨著水平荷載的增大旋轉(zhuǎn)中心的位置在Z 方向上逐漸又逐漸靠近泥面。

各基礎(chǔ)在水平加載過(guò)程中旋轉(zhuǎn)中心的變化趨勢(shì)是一致的，在水平方向上由背載側(cè)逐漸向臨載側(cè)筒基移動(dòng)，在豎向先接近泥面后遠(yuǎn)離泥面，在荷載大于極限承載力之后旋轉(zhuǎn)中心又向泥面處移動(dòng)，基礎(chǔ)A1、A2、A、A3、A4在極限承載狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)中心見(jiàn)表1，可見(jiàn)極限荷載下基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)在X 方向始終位于基礎(chǔ)中軸線附近，而在Z 方向隨著主腿間距的增大旋轉(zhuǎn)中心逐漸向筒端移動(dòng)，且各基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心始終處于泥面以下。

表1 水平極限承載狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)中心

3 偏心對(duì)土壓力的影響分析

三筒基礎(chǔ)編號(hào)及P1、P2 位置如圖8 所示，2# 筒臨載側(cè)筒壁土壓力沿深度方向分布如圖9（b）所示，不難看出隨深度不斷增加筒壁所受土壓力值也不斷增大。對(duì)比各條曲線可知，深度在-17.5 m 以內(nèi)各基礎(chǔ)筒壁土壓力值相差較小；深度超過(guò)-17.5 m 時(shí)土壓力差異逐漸明顯，并在筒端部達(dá)到最大值，該位置處基礎(chǔ)A1、A2、A、A3、A4土壓力分別為100.02 kPa、125.16 kPa、157.11 kPa、203.83 kPa、191.18 kPa。不難看出隨著主腿間距的不斷增大，上拔筒臨載側(cè)筒端土壓力也隨之增大。對(duì)比圖9（b）與圖9（d），發(fā)現(xiàn)1# 筒與2# 筒臨載側(cè)土壓力沿深度方向的分布形式一致，但1# 筒在數(shù)值上明顯大于2# 筒；觀察圖9（a）發(fā)現(xiàn)各基礎(chǔ)上拔筒背載側(cè)土體沿深度方向分布為波浪性，在埋深為3L/4 處土壓力達(dá)到最大值，且最值同樣隨著主腿間距的增大而增大。

圖8 三筒基礎(chǔ)編號(hào)示意圖

圖9 不同位置筒內(nèi)壁土壓力沿深度方向分布

不同位置筒外壁土壓力沿深度方向分布如圖10 所示。結(jié)合圖9，各筒壁外側(cè)土壓力沿深度方向分布與筒內(nèi)土壓力分布規(guī)律剛好相反：背載側(cè)各筒土壓力隨埋深深度增加不斷變大，而臨載側(cè)筒壁土壓力沿深度呈現(xiàn)波浪型變化趨勢(shì)，且峰值出現(xiàn)在埋深約為-7.5 m 的位置。通過(guò)對(duì)比分析可知，在基礎(chǔ)埋深較淺處土抗力主要來(lái)源于筒壁沿加載方向一側(cè)土體，而在基礎(chǔ)埋深較深處土抗力主要來(lái)源于筒壁背離加載方向一側(cè)土體。由圖10（a）及圖10（c）可知各基礎(chǔ)2# 筒外背載側(cè)土壓力沿深度分布的差異主要體現(xiàn)在筒端部的位置，主腿間距越大，筒端部土壓力值相應(yīng)也越大；而由圖10（b）及圖10（d）可知筒外臨載側(cè)土壓力峰值同樣隨主腿間距的增大而變大。

圖10 不同位置筒外壁土壓力沿深度方向分布

不同埋深各基礎(chǔ)1# 筒內(nèi)土壓力沿環(huán)向分布如圖11 所示。從圖中可以看出1# 筒內(nèi)外各深度土壓力沿深度方向均為沿X 軸對(duì)稱分布。在埋深10 m 處，1# 筒內(nèi)土壓力沿環(huán)向分布隨主腿位置變化的差異主要體現(xiàn)在背載側(cè)，主腿間距越大背載側(cè)土壓力值隨之增大；而在埋深19 m 處，1# 筒內(nèi)背載側(cè)（圖中角度90°到270°范圍內(nèi)）土壓力值隨主腿位置逐漸向X 軸正向移動(dòng)而減小，而臨載側(cè)與之剛好相反。圖12為1# 筒外不同深度土壓力沿環(huán)向分布圖，可知在埋深較淺處主腿間距的變化對(duì)土壓力影響不大，埋深10 m 處臨載側(cè)土壓力值較大而在埋深為19 m 處背載側(cè)半邊土壓力值較大。

圖11 不同埋深各基礎(chǔ)1# 筒內(nèi)土壓力沿環(huán)向分布

圖13 與圖14 為2# 筒內(nèi)外不同深度處土壓力沿環(huán)向分布，可見(jiàn)2# 筒土壓力并非沿X 軸對(duì)稱分布，其對(duì)稱軸約為165°～345°連線，從圖中還能夠看出筒內(nèi)外土壓力沿環(huán)向分布的最值也出現(xiàn)在對(duì)稱軸處，同樣地，主腿間距越大，在各位置處土壓力的最值也隨之增大。

圖13 不同埋深各基礎(chǔ)2# 筒內(nèi)土壓力沿環(huán)向分布

4 結(jié)論

本文基于海上風(fēng)電三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮了導(dǎo)管架主腿與筒形基礎(chǔ)間偏心對(duì)水平承載力的影響，結(jié)果表明：

（1）不同主腿位置對(duì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平承載力有顯著影響。隨主腿位置遠(yuǎn)離基礎(chǔ)中軸線基礎(chǔ)的水平承載力呈線性增長(zhǎng)，在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以結(jié)合施工工藝難度對(duì)基礎(chǔ)筒基與導(dǎo)管架的相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮筒型基礎(chǔ)的承載性能。

（2）水平荷載作用下，基礎(chǔ)發(fā)生平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，但以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心隨在水平向隨水平荷載的增大逐漸由背載側(cè)向臨載側(cè)筒體移動(dòng)，隨著主腿位置不斷遠(yuǎn)離基礎(chǔ)中軸線，基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心在豎向逐漸向筒端部移動(dòng)。

（3）隨著主腿間距的不斷增大，上拔筒臨載側(cè)筒端土壓力也隨之增大。各基礎(chǔ)上拔筒背載側(cè)土體沿深度方向分布為波浪性，在埋深為3L/4 處土壓力達(dá)到最大值，且最值同樣隨著主腿間距的增大而增大。筒內(nèi)外土壓力沿環(huán)向分布的極值也出現(xiàn)在對(duì)稱軸處，同樣地，主腿間距越大，在各位置處土壓力的極值也隨之增大。