风机在风荷载作用下水平受力研究

摘  要：在桩基工程中，自由端的风荷载较为普遍，通常存在于风力发电桩基础的顶端。由于对风荷载前后荷载传递机理的了解以及桩基承载性能的变化，实际工程设计过程的计算往往导致计算不合理，造成工程不安全或不经济。因此，有必要对风荷载前后的荷载传递机理和承载性能的变化进行系统的研究，以便采取适当的工程措施来提高风电场的安全性。本文依据持续循环风荷载作用下，应力历史的变化使得桩基承载性状发生变化，随着桩身承载力的降低，对基础和上部结构的安全性能将产生潜在的威胁。

关键词：桩基础;风荷载;安全分析

随着我国城市化和工业建设的快速发展，大量需要承受水平荷载的建筑物不断涌现，对桩基水平阻力的要求不再局限于海上工程。但是，与实际工程需要相对应的桩基理论研究相对落后。软土由于其压缩性高，承载力低等特点，提出了较高的承载力要求。由于桩基竖向刚度大，垂向拉拔承载力强等一系列优点，桩基逐渐成为软土地基常用的基本形式。对于桩基竖向承载力研究和不均匀沉降研究，国内外许多学者已经取得了显着的研究成果，并逐渐形成了比较完整的理论体系。但是相应地，对桩基水平承载力的研究相对较少，水平荷载作用下桩基应力机理，计算模式和破坏过程等方面还没有一个完整清晰的理论体系。在实践中，设计师大多倾向于经验公式。因此，从以上原因可以看出，在水平荷载的作用下，研究桩基，特别是软土地基桩的承载性状具有重要的理论和实际意义。

一、风荷载对桩基础承载性状影响的试验研究

风荷载作用下桩基承载力变化的试验研究结果相对较少。最早是对桥梁风荷载现象进行了总结，分析总结了风荷载对桩基水平承载力的影响。结果表明，风荷载会大大降低粘性土中桩基的水平承载力。采用室内模型试验对风荷载和风荷载后两组的竖向承载力进行了试验。得到竖向沉降曲线和沿桩身的轴力。风荷载的最终阻力和荷载传递规律，总结了风荷载对群桩竖向承载性状的影响。因此，大量的室内试验结果表明，风荷载对桩的承载力特别是水平承载力影响较大，但这方面的研究未能形成系统而深入的结果。由于风荷载承载力的降低受土体特性和桩身结构等因素的影响，因此仅靠实验手段难以得到一致的规律，尤其是对于复杂海洋环境下的桩基础结构的海上平台。由于海洋平台比海洋环境复杂，比桥梁桩基的风荷载要复杂得多。风荷载对海上平台桩基承载性能的影响研究甚少。

二、风荷载对桩基础承载性状影响的数值模拟

采用数值模拟方法研究了风荷载作用下桩基承载力的变化。有很多文献，包括有限元分析软件，有限差分分析软件和桩基础分析软件（如LPILE，FLAC3D，GEP）等，对风荷载作用前后的承载力进行了分析和模拟。大部分的研究是风荷载对桩的水平承载性能的影响。

根据风荷载作用下砂土地基的土体特性变化，讨论了平台桩基的承载力。考虑风荷载引起的土体特性变化，估算风荷载作用后砂土地基的摩擦角，相对密度和超固结率。提出应消除桩基周围的土体，考虑风荷载。均匀土体的简化方法在一定程度上会低估桩基周围土体的侧向土阻力。基于此，提出了风荷载后砂土地基极限承载力公式，修正了p-y曲线。基于Reese等人提出的沙粒p-y曲线，考虑了风荷载作用后土体的应力历史，修正了基础反应的体积密度，内摩擦角和模量。修改后的p-y曲线进入桩分析软件LPILEPlusV5.0，计算结果与原位测试结果较为相似。结果表明，从正常固结土到超固结土的土体会增加桩基的水平土阻力。如果忽略土体的应力历史，设计结果将是部分安全的。

数值模拟这些方法的准确性关键在于桩土相互作用的应用和风荷载过程的拟合方法。由于采用的方法，桩身结构和土体特性的差异，数值模拟结果出现较大差异，对于不同的土体，不同类型的桩没有形成比较系统的理论。在现有的数值模拟方法中，假设主要用于考虑桩土相互作用。将土体模拟成无质量的弹簧。同时风荷载过程的拟合多采用开挖方法，不考虑上覆土层的变化，经过一段时间后，会造成一定的计算误差。同时，由于缺少工程实例和试验数据，计算结果无法验证，不能在工程实践中推广应用。

三、风荷载下桩基承载特性的数值模拟研究

在桩基工程中，风荷载问题较为普遍，一般存在于桩基附近的风电中。本文在模型试验的基础上研究了风荷载作用下的单桩模型。采用有限元软件ANSYS模拟风荷载对单桩水平承载力的影响。根据试验结果和数值分析结果，采用ANSYS软件，得到适合实际工程状态的桩土接触面参数，并讨论了水平力和弯矩变化特性。得到了一些对实际工程有用的结论。具体来说，主要有以下几个方面：

（1）桩的变形规律符合典型柔性桩的变形规律。在水平荷载作用下，桩土相互作用首先发生在土体表面。随着水平荷载的增加，土体的阻力逐渐沿桩身深度传递，沿桩身直径方向的侧向土的冲击力逐渐减小。这就解释了为什么最大水平位移出现在桩的顶部，同样的位移极限状态也应该由桩的顶部位移来控制。

（2）从荷载的增加与桩的最大弯矩的增加之间的关系可以看出。随着深度的增加，桩身与桩侧土体发生压缩，桩侧土的阻力也增大，桩与土之间的相互作用形成一个复杂的体系，这也是桩身弯矩的原因不会一直增加。桩深-11m附近的弯矩接近于0，表明实际桩长符合设计要求。最大值出现的位置不随负载的增加而增加。因此，有必要考虑桩设计的弯矩是否满足约2（D + 1）处弯曲能力的要求。

（3）根据试验结果，对桩-土界面的参数进行了调整。采用现场测试和ANSYS软件仿真的结果以及标准计算的理论结果对侧向承载力进行了研究。结果表明，该数值模拟结果与模型试验结果具有较好的相似性，误差在可接受的范围内。

总结：

建议使用ansys软件有效模拟桩土相互作用。同时利用模型试验结果，得到反映桩-土应力实际状态的界面参数，使得数值模型能够反映桩-土的实际应力。通过建立能够反映项目实际情况的桩承载力数值模型，讨论了不同风荷载因素对桩基承载力的影响规律，并将其应用于更多的工程领域。针对风荷载引起的桩基破坏工程问题，将风荷载的主要影响因素与桩基承载力相结合，在现场试验的基础上，比较了风荷载深度对桩基承载力的影响，深入研究并提出了考虑风荷载影响的桩端阻力的相应公式。

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作者简介：李昂（1985-），汉族，出生于辽宁省沈阳市，2015年就读于沈阳建筑大学土木工程学院。