风浪流荷载作用下导管架基础结构特性分析

郭梦圆 范丽婵

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

导管架基础日常受到风、浪、流荷载，桩周土抗力承担水平荷载，在荷载的循环往复作用下，桩周土将发生弹性甚至塑性变形，基础位移进一步增大，从而威胁海上风机的安全和稳定。因此有必要考虑桩土相互作用。

本研究针对海上风电导管架基础，运用大型通用有限元软件ANSYS，对受到风浪流荷载作用的导管架基础进行强度校核，采用API规范推荐的P—Y曲线法考虑桩土相互作用[1]，得到基础的转角、位移、强度，判断结构的安全性和稳定性。

1 工程概况

阳江某海上风电项目，工程场址海域水深为25 m～28 m，海床表层为厚度不均的淤泥。采用22 m根开的四桩导管架基础方案，嵌岩桩直径2.4 m，桩顶标高-23 m，桩底标高-53 m，原泥面-26 m，桩基入土深度为27 m。上部风机采用MySE5.5-155机型，额定容量5.5 MW，机舱、齿轮箱、发电机、叶片、轮毂总重量为553 t。预装轮毂高度为105.7 m，导管架基础塔筒长度为78.03 m。根据阳江气象站资料，设计最大波浪为50年重现期H1%波高取13.95 m，波周期T取14.2 s，波长L=228.7 m。最大10 min平均风速34.6 m/s。海流表层流速为1.5 m/s，中层流速为1.0 m/s，底层流速为0.65 m/s。

2 荷载介绍

海上风电导管架基础处于海洋环境中，主要承受的循环荷载有风、浪、流荷载，以及风机转子转动引起的气动荷载，可能遭受地震荷载、船舶或海冰等漂浮物的撞击荷载。本工程位于阳江海域，该海域无冰冻情况，地震烈度在六级以下，故不需要考虑冰荷载和地震荷载，主要受到风机气动荷载、塔筒风荷载、水面以下基础部分受到的波浪荷载、海流荷载，以及重力荷载，现简要介绍如下。

2.1 风机气动荷载

根据风机制造商提供的MySE5.5-155机型下部基础初步风机荷载资料，工程所在区域的最大平均风速下，法兰面风机荷载标准值如表1所示。

2.2 风荷载

表1 法兰面风机荷载标准值

风速沿高度的剖面的变化规律可用指数模型或对数模型近似表示，本文选取指数模型进行计算，公式如下：

(1)

根据API规范，单位长度塔筒上的风荷载可按式(2)计算：

(2)

2.3 波浪荷载

根据中国船级社规范，对于小尺度细长柱体的波浪力计算通常采用Morison方程。垂直于轴线方向单位长度的波浪力计算公式如下：

(3)

2.4 海流荷载

海流可视为一种较稳定的水流运动，它主要是由于风的拖曳、潮流的作用等引起的。对于小尺度结构物上的海流荷载计算，公式同Morison方程中对于拖曳力的计算方法。单位长度海流力的表达式为：

(4)

其中，fc为单位长度海流力，kN；CD为阻力系数；vmax为海流最大可能流速，m/s；D为桩径，m。

3 P—Y曲线简介及计算结果

目前P—Y曲线法是海洋工程广泛采用的桩基设计方法，它是在水平力H的作用下，泥面以下深度Z处的土反力P与该点桩的挠度Y之间的关系曲线，综合反映了桩周土的非线性、桩的刚度和外荷作用性质等特点[3]。

阳江海域地质资料及P—Y曲线计算所需参数见表2。将土层每隔1 m分为一系列离散的非线性弹簧，通过P—Y曲线法描述其受荷性质。第②层粘土和第④层砂土的P—Y曲线示例见图1，图2。

表2 地质参数

由图1,图2可见，在产生相同位移时，砂土中桩的土反力远大于粘土中桩的土反力,且砂土中桩的土反力到达稳定水平时，发生位移较小。

4 模型参数

运用ANSYS建立导管架基础整体模型。四根桩按正方形分布，导管架顶部根开11 m，底部根开为22 m。斜撑以X型布置。在最顶层及最底层分别布置1层水平横撑，导管架下部结构与塔筒之间经由过渡段连接。过渡段及过渡段斜向撑杆均为直径上大下小的锥形筒结构。模型参数如表3所示。

表3 导管架模型参数

导管架基础及泥面上桩基础采用Pipe59单元，泥面下桩基础采用Pipe16单元，过渡段及塔筒采用Beam188单元，轮毂、机舱及转子等简化为集中质量点，施加在塔筒顶端，用Mass21单元模拟。桩土相互作用通过Combine39单元模拟，水平向弹簧刚度按P—Y曲线法确定。

5 导管架基础静力计算

根据第2节荷载计算内容，对风机气动荷载以静力形式施加在风机法兰面处，塔筒风荷载以集中力的形式均布施加于塔筒高度方向。波浪理论采用Stokes五阶波。在采用该理论时，相位角φ的取值对于作用于结构的波流荷载值影响较大，因此，针对波高和周期进行波浪相位角搜索，并通过Origin软件拟合曲线，如图3所示。

由图3可知，相位角为53°时波流耦合力最大，2 733.361 kN。以该相位角作为静力计算中的波流作用的最不利工况施加，在ANSYS软件中“Water table”输入参数，由软件自行计算波浪荷载。

6 导管架基础静力计算结果分析

通过ANSYS软件施加结构所受风、浪、流荷载及重力荷载，计算得到导管架基础的Von mises等效应力分布图、位移、转角，对基础进行强度校核及位移控制。导管架基础设计的各荷载作用分项系数如表4所示[4]。

表4 风机基础设计荷载分项系数

由图4可见，承载能力极限工况下，导管架基础的最大等效应力为228 MPa，根据中国船级社《海上移动平台建造与入级规范》[2]：[σ]=σs/S，其中,[σ]为容许应力；σs为屈服强度，导管架基础采用DH36钢，屈服强度为355 MPa；S为安全系数,取1.25，故风机基础的容许应力为284 MPa。因此满足结构强度要求。

由图5可见，法兰处转角为0.003 164 rad，即0.18°，根据DNVGL—ST—0126 Support structures for wind turbines[5]，单桩基础泥面处的最大允许总转角为0.5°，对于转角控制，多桩基础取4/1 000(塔底法兰面)，单桩基础取4.36/1 000(泥面)，即0.25°。因此满足转角控制要求。

由图6可见，最大位移发生在塔筒顶端，为0.386 m。参考文献[6]，为避免塔筒顶部位移过大，最大位移应在塔筒高度的0.25%～1%之间，塔筒高度为78.03 m，为塔筒高度的0.49%，因此偏移量是合理的。

7 结语

1)通过ANSYS软件，采用P—Y曲线法模拟桩土相互作用，在发生相同位移时，桩在砂土中的土抗力比在粘土中要大很多，呈现数量级的区别。当桩在砂土中的土抗力达到稳定时发生的位移远小于在粘土中达到稳定状态的位移值；

2)通过波流耦合计算，得到当相位角为39°时，波流耦合力最大，此时波流荷载共同作用是最不利的；

3)通过结构静力计算，导管架基础最大等效应力为228 MPa，小于容许应力，结构强度满足要求；结构的变形控制通过转角控制，法兰处转角为0.18°，满足转角变形控制要求；塔顶位移为0.386 m，为塔筒高度的0.49%，满足相关文献中变形要求。