三向复杂荷载作用下近海风机群桩基础参数分析与优化

郭俊科，方伟定

（浙江省电力设计院，杭州市 310012）

0 引 言

目前，国内外常见的近海风电机组基础型式有重力式浅基础、超大直径单桩基础、吸力式桶形基础、三角架基础、多桶基础和高桩承台基础等，群桩基础是我国近海风电机组普遍采用的基础型式，其设计相对较简单、施工技术要求较低。如江苏东台滩涂风电场选用了3045根直径为0.6m预应力管桩的群桩低承台基础［1］，上海东海大桥海上风电场则采用了8根直径为1.7m、长度达85m钢管桩的高桩承台基础［2］。

高桩承台基础由高桩和承台组成，其高桩可采用预制桩或钢管桩，适用水深520m。海洋风、浪等荷载环境使得群桩基础荷载形式比较复杂，包括基础和结构风、浪荷载在群桩上产生的竖向力、水平力和倾覆弯矩等复杂荷载，设计过程中需分析这些复杂荷载作用下风机群桩基础的内力和变形，并进行相应的设计优化。本文针对海上风电机组高桩承台基础，确定其最不利荷载组合，建立三向复杂荷载作用下基础的大变形分析模型，通过群桩基础设计参数分析，提出群桩基础优化设计依据及承载力确定标准。

1 近海风电机组群桩基础荷载分析

海上风电机组在役期内受自重荷载、风机荷载、波浪力、水流力、船舶撞击力、冰荷载等作用。根据厂家提供的风机上部结构资料及风电场风况资料可计算风机基础上部结构的荷载。根据《海港水文规范》计算基桩的水平波流力，并考虑群桩系数计算群桩基础所承受的总波流力。风电机组在役期间可能遭受船舶的撞击，文献［3］推荐采用《铁路桥涵设计基本规范》计算柔性群桩基础的船舶撞击力。施工荷载考虑船舶停靠结构时产生的撞击力，参照《港口工程荷载规范》，船舶靠岸时的撞击力标准值应根据船舶有效撞击能量和橡胶护舷性能曲线及靠船结构的刚度确定。按照上述计算过程，装机容量3MW风电机组群桩基础顶部（海床局部冲刷面以上25m）的典型最不利荷载如图1所示。顶部水平力、竖向力和倾覆弯矩共同作用下高桩承台基础将产生复杂内力和变形。

图1 基础结构受力简图及分析模型Fig.1 Force diagram and analysis model of pile group foundation

2 风机高桩承台基础的计算模型

一般，风机群桩基础基桩必须保证有足够的长度，以承受风机巨大的自重荷载并防止水平荷载作用下桩基被拔出。实际服役过程中桩基轴向变形并不大，而桩土横向相互作用对风机群桩基础受力变形至关重要。目前，我国采用传统的m法分析高桩承台基础的内力和变形，如《铁路桥涵设计规范》、《公路桥涵地基及基础设计规范》、《建筑地基基础设计规范》及《港口工程桩基规范》均推荐使用该法，已广泛应用于桥墩等构筑物基础的设计。文献［4］基于m法和地基系数的空间分析法，编制了高桩承台基础的计算程序；文献［5－6］计算桩基时均采用m法来考虑桩土横向相互作用。然而，m法仅能反映地基土的弹性性能，在桩身变位不大时，能很好地反映桩土相互作用，而在桩身变位较大时，桩侧土体进入非线性工作状态，此时按m法计算所得的泥面处位移、桩身最大弯矩及位置与实测值有一定差异，并随着进一步荷载的增大，这种差异也随着增大。目前，p－y曲线法被公认为桩基水平变形分析最简单、有效的分析方法。室内模型试验和现场试验结果均显示桩周土反力呈双曲线型式，因而桩基双曲线型p－y曲线能较好地反映桩土横向相互作用，且能按m法计算桩基小变形情况，同时又适合大变形分析［7－8］。

本文采用ANSYS有限元软件进行三维建模分析风机的高桩承台基础，ANSYS建模采用命令流方式，在ANSYS软件中建立了风机上部结构与下部基础的整体模型。模型中，混凝土承台采用solid45三维实体单元模拟，而钢承台则采用板、梁单元结合分析，采用beam188环形截面梁单元模拟管桩。承台与桩基刚性连接，桩土相互作用则采用combine39的非线性弹簧模拟，弹簧的非线性刚度分别服从双曲线型p－y曲线以及API规范中的t－z曲线和q－s曲线关系［7－9］，并按 API规范考虑群桩效应。这样，该分析模型同时考虑了桩基的横向和轴向相互作用，适合多向复杂荷载作用下群桩基础的受力和变形分析。

3 群桩基础优化分析

舟山某软粘土海床地基简化为淤泥质粉质粘土和粉质粘土2个土层（见图2所示），主要物理力学参数如表1所示。风机基础采用8根钢管斜桩，在承台处呈圆周布置（见图1所示）。本文针对影响风机群桩基础的主要设计参数，即桩基埋深、桩径、群桩圆周直径及桩的倾斜度等，对比分析三向复杂荷载作用下这些因素变化时桩基础的内力及变形，从而为风机高桩承台基础优化设计提供依据。

图2 地质剖面Fig.2 Geological section

表1 土层计算参数Tab.1 Calculation parameters for soil

3.1 桩基埋深和桩基倾斜度的影响

群桩基础基本设计参数如下：钢管桩长度为50 m，直径为2.4 m，壁厚为36 mm，群桩圆周直径为12 m。图3、4比较了桩基埋深（泥面以下深度）和桩同基倾斜度变化对高桩承台基础变形（包括桩基泥面处水平位移、泥面处转角、承台水平位移和转角）及群桩

图3 不同倾斜度下桩基变形随桩基埋深变化曲线Fig.3 Changing curves of piles'deformation with embedded length under different inclinations

图4 不倾斜度下桩身内力最大值随桩基埋深变化曲线Fig.4 Changing curves of piles'maximum internal forces with embedded length under different inclinations

基础内力（桩基最大上拔力、最大下压力和最大桩身弯矩）的影响。比较发现随着桩基埋深增大，群桩基础的变形略有减小，但总体上影响不大；桩基础内力总体上有所增加。在保证桩基埋深足够的前提下，桩基埋深对群桩基础的变形与内力的影响并不显著，但随着桩的倾斜度增加，群桩基础的变形和内力场显著减小。

3.2 桩径的影响

保持桩基埋深50m、群桩圆周直径12m都不变，改变桩径D并保持钢管桩壁厚t＝0.015D，比较不同桩径时高桩承台基础的内力及变形，结果如图5、6所示。由图5、6可见，增大桩径能显著降低高桩承台基础的变形，但对桩基础内力影响不大。

3.3 群桩圆周直径的影响

保持桩基埋深50m、桩径2.4m不变，计算不同群桩圆周直径情况下高桩承台基础的内力及变形，结果如图7、8所示。由图7、8可见，随着群桩圆周直径的增大，桩基变形和桩身最大弯矩均出现增大的趋势，但桩基上拔力和下压力却出现减小的趋势。

图5 不同倾斜度下桩基变形随桩径变化曲线Fig.5 Changing curves of piles'deformation with diameter under different inclinations

4 群桩基础设计优化及承载力计算

以1∶6斜桩为例，按照JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》计算桩基的抗拔、抗压承载力，按照《钢结构设计规范》计算桩截面的抗弯承载力，结果如表2所示。对于容量为3MW的风机群桩基础，如果采用1∶6的斜桩方案，桩基埋深40m、桩径2.4m为最优方案，可同时满足桩基抗拔、抗压和抗弯承载力的设计要求。该方案对应的桩基泥面处水平位移为3.97cm，承台转角为0.0028rad。轮毂高度大于100m的风机基础的允许转角为0.003rad［10］。因此，虽然基桩泥面处水平位移值较大（3.97cm），但其内力和承台转角位移均满足设计要求。

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5 结 语

本文对三向复杂荷载作用下海上风电机组高桩承台基础的内力及变形进行了计算分析，主要计算了海上风电机组群桩基础的典型荷载，并对影响高桩承台基础的主要设计参数进行优化分析，建议高桩承台基础采用钢管桩或钢筋混凝土桩时，采用基桩内力和承台转角为双控标准计算高桩承台基础的复合承载力。同时对于高桩承台基础设计优化建议如下：

图7 不同倾斜度下桩基变形随群桩圆周直径变化曲线Fig.7 Changing curves of piles'deformation with circle diameter under different inclinations

图8 不同倾斜度下桩身内力最大值随群桩圆周直径变化曲线Fig.8 Changing curves of piles'maximum internal forces with circle diameter under different inclinations

（1）桩长对群桩内力和变形影响不大，但应满足桩基上拔和下压承载力要求；

（2）桩基倾斜度大对群桩内力和变形均较为有利，但应综合考虑施工等因素；

（3）增加群桩圆周直径对控制桩基变形影响不大，但可有效降低桩身轴力，应综合考虑方案的经济性。

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