波浪荷载下近海风电高桩承台基础动力响应分析

周静姝，张淑华，陈光明，赵丹会，于可忱

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.天津市交通建筑设计院，天津 300381）

波浪荷载下近海风电高桩承台基础动力响应分析

周静姝1，张淑华1，陈光明1，赵丹会1，于可忱2

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.天津市交通建筑设计院，天津 300381）

为研究波浪荷载作用下近海风电高桩承台基础的动力响应，建立了该结构的桩-土三维有限元模型。引入p-y曲线对斜桩加以修正，并比较修正前后波浪荷载对其的影响，分析工程中是否应当考虑p-y曲线修正系数的影响；考虑不同倾斜方向桩所受波浪力的差异，结合实际工程对波浪作用下带承台约束桩进行动力响应分析；计算桩基的局部冲刷深度，分别取冲刷深度为0 m、2 m、4 m三种工况进行对比，分析局部冲刷对高桩承台动力响应的影响，得到了一些对工程实践有意义的结论。

高桩承台基础；斜桩；p-y曲线；波浪作用；局部冲刷

0 引言

近年来，近海风电由于其具有持续稳定、发电量大、节能环保等优点已经在我国得到了飞速的发展。目前，广泛应用的近海风电基础结构是由若干根起支撑作用的桩柱以及连接桩顶的承台组成的高桩承台结构。该结构的桩基础布置形式有斜桩与直桩。一般认为斜桩可提供较好的水平承载力，但是在波浪作用下，由于斜桩倾斜方向的影响，斜桩可能会受到更大的波浪力[1]，另外斜桩与直桩的水平承载性能也不一样[2]。

p-y曲线法能较好的解决大变位情况下的水平承载桩问题，目前中国、美国、日本等国有关规范都有推荐。但国内对p-y曲线法的研究较晚，很多工程实际并未对桩基进行修正。在对高桩承台的波浪受力分析方面，沈锦宁[3]将桩离散成多质点系，用水平土弹簧计算土抗力，研究了波浪作用下单桩风机基础的动力响应。雷欣欣等[4]对作用在高桩承台上的不规则波波浪力进行了试验研究，系统分析了该结构的群桩水动力特性。刘逸敏等[5]以群桩基础为研究对象，分析了承台效应系数随淹没深度、承台尺寸等参数的变化规律。前人研究高桩承台波浪受力分析时大多以单桩或群桩为研究对象，而忽略了在承台与群桩组合结构的动力响应。

本文以有限元软件ANSYS为平台，建立了近海风电高桩承台的桩-土的三维有限元模型，引入p-y曲线对斜桩加以修正，并比较修正前后波浪荷载对其的影响，结合实际工程对波浪作用下的带承台约束桩进行动力响应分析。对于近岸水域桩基的局部冲刷来说，由于水深较浅，波浪作用不可忽略[6]，且海上风电机组基础建设后，潮流和波浪引起的水粒子的运动会受到显著的影响，因此波浪作用下局部冲刷对承台动力响应的影响也将是本文研究的内容。

1 工程基本条件

本工程场址位于南汇区某海域，工程海域水深为14.7 m，海底较为平缓，淤泥主要分布在滩面表层，局部区域夹带薄层粉土。本工程所在地区并没有发现活动性及深大断裂通过，工程区域地质构造稳定性较优，土层的物理力学性质参数见表1。

2 设计荷载及工况

2.1 设计荷载

在进行风机基础设计时，除了考虑波流荷载，还要考虑自重、风机荷载、风荷载等。对于下部高桩承台基础结构，由于风荷载影响较小，在进行基础设计时不考虑风荷载的影响。

2.1.1 风机荷载

本工程选用3.0 MW的风力发电机组，转轮直径121 m，极端生存风速59.5 m/s，轮毂高度85 m，机组（基础环以上）总重356.17 t。风机荷载为上部结构承受风荷载作用传递至基础顶面的荷载。风机荷载由风机厂家提供，通过以集中力和集中弯矩的形式加载到高桩承台上，见表2。

2.1.2 波浪荷载

依据戴国亮[7]对本海上风电场的波浪要素分析，本工程海上风电场基础所处海域潮位变化幅度大，取50 a一遇的极端高水位来计算波浪荷载，波高5.81 m，波长74.1 m，波周期7.76 s。波浪以X正向入射。

本文采取Morison方程计算桩沿水深和时间变化的波浪力，每隔1 m（与梁单元尺寸相同）取1个集中荷载施加到节点上。将1个波周期T等分成20份，则在0.05个波周期内（0.388 s）波浪力近似看作是线性变化（ANSYS采用斜坡荷载，具体设置为Kbc，0）。通过此种方式可明确波浪力的荷载输入方式，结合有限元的方法进行动力时程分析。图1为不同倾斜方向斜桩（为保持线条清晰，以斜桩1、3、5为例）所承受的整体波浪力（即每个桩上的集中荷载之和）在1个周期内随时间变化的情况。

本高桩承台基础承台底高于波峰在静水面以上的高度，因此在极端高水位下，承台承受的波浪荷载较小，计算中不考虑波浪对混凝土承台的冲击力与顶托力。

2.1.3 海流荷载

海流可以近似地看作一种稳定的平面流动，并且认为它对平台的作用力仅表现为拖曳力。设计潮流流速：表层流速3.15 m/s；中层流速2.75 m/s；底层流速1.48 m/s。一般情况下，海流与波浪是同时存在的，对结构的拖曳力就是海流流速与波浪水质点的水平速度叠加之后产生。

2.2 设计工况

考虑本工程场区特点、现场海岸水文勘测资料及风和波浪、潮流荷载的耦合情况，各工况荷载组合如下：

1）施工工况：自重+波浪力+水流力+靠泊力；

2）正常运动工况：自重+正常运动情况下塔筒底部风机荷载+50 a重现期H13%波高引起的波浪力+分层潮流力；

3）极端工况：自重+塔筒底部风机极限荷载+ 50 a重现期H1%波高引起的波浪力+分层潮流力；

通过对整体波浪力及水流力的初步分析，并结合国外已建工程经验，风机各运行工况以极端工况为控制性工况。

3 风机基础方案

本工程承台直径为15 m，厚3 m，顶高程为21 m，承台下部采用8根直径为1.7 m，壁厚30 mm的钢管桩以6.5∶1的斜度环向布置在直径为10 m的圆周上。高桩承台布置见图2，桩基布置见图3和表3。

本文采用有限元软件ANSYS建模分析。承台材料为C40混凝土，采用solid185单元模拟，单元尺寸为1 m，并假设承台弹性、无裂缝。斜桩采用屈服强度为235 MPa的B级钢管桩，采用beam188单元模拟，单元尺寸为1 m。具体有限元模型见图4。

在实际工程中，桩土之间的相互作用是十分复杂的，土抗力可主要分为垂直桩身的土抗力、平行于桩身的侧摩阻力以及桩端的阻力。垂直桩身的土抗力采用循环荷载下的p-y曲线在XZ与YZ平面进行设置，平行于桩身的侧摩阻力和桩端的阻力分别采用τ-z曲线和q-z曲线进行定义，并采用非线性弹簧单元Combin39加以模拟。土的阻尼系数取为0.02[8]。具体方法为：根据表1中的土层物理性质参数，参照桩基工程、海上固定平台规划、设计和建造的推荐工作法[9]等提供的计算方法，获取3种曲线。将各曲线离散建立单元实常数，在泥面以下桩身节点（节点间距为1 m）上建立三向弹簧进行模拟。

4 计算结果

参考姚文伟[10]对斜桩波浪力的分析计算斜桩的波浪力，波浪力均垂直于桩轴。工程设计时，设计人员往往较为关注的是桩顶的位移以及最大弯矩发生的部位，因此本文分析时主要从这两点出发。

4.1 p-y曲线修正系数对斜桩的影响

参照Reese[11-12]对斜桩p-y曲线系数修正的研究，对p-y曲线法中土弹簧的极限土抗力进行了修正，修正系数见表4。

以斜桩1为例，斜桩1与XZ平面夹角为0°，与YZ平面的夹角为8.9°。当波浪力为正时，弹簧处于压缩状态，p-y曲线的修正系数取0.85与1.0。当波浪力为负时，弹簧处于拉伸状态，p-y曲线的修正系数取1.2与1.0。具体操作时，将压区和拉区土弹簧的极限土抗力乘以相应的修正系数。提取桩顶位移时程曲线（图5）以及桩泥面以下最大弯矩时程曲线（图6），分析有无p-y曲线修正系数对斜桩动力响应的影响。

由图5、图6可看出，t=2.4 s时，修正时位移最大值为9.86 cm，弯矩最大值为2 401 kN·m，不修正时位移最大值为10.68 cm，弯矩最大值为2 382 kN·m。修正时位移较不修正时减小7.6%，修正时弯矩较不修正时增大0.8%。虽然修正与不修正的最大弯矩差异较小，但最大位移差异较大，因此工程实际中应当考虑p-y曲线修正系数的影响。

4.2 承台约束下斜桩的动力响应

实际工程中，桩顶一般与承台浇筑在一起成固接约束。在波浪荷载作用下，承台可起到较好的约束作用，但是承台与桩顶的固接可能导致局部弯矩的增大。本节将研究考虑p-y曲线修正系数后的各方位桩在承台约束作用下的动力响应。图7、图8分别为位移与弯矩均达到最大值时，位移与弯矩沿桩身的分布图。

图7显示，斜桩在承台约束作用下，桩身位移峰值曲线分布相似，位移的变化从桩顶部沿桩身向下逐渐减小。各方位桩的桩顶最大位移相同。斜桩1较斜桩5位移零点有较大幅度的下移。

从图8可知，带承台斜桩最大弯矩均出现在桩顶与承台交界处。这是因为承台与斜桩桩顶是固结的，在波浪荷载作用下，承台可传递较大的弯矩来约束桩基。斜桩1弯矩峰值较斜桩5有小幅度的增长，在泥面-6 m处达到最大值，然后均随着桩的入土深度增加逐渐减小。可以看出，斜桩倾斜方向与波浪入射方向一致的桩，其位移与弯矩较小，反之则较大。在实际工程中，应该避免将斜桩倾斜方向与波浪的常入射方向相反布置。

4.3 局部冲刷对高桩承台动力响应的影响

海上风电机组基础建设后，潮流和波浪引起的水粒子的运动会受到显著的影响。首先，在风机基础的前方会形成一个马蹄涡；其次，在风机基础的背流会形成涡流（卡门涡街）；再次，在风机基础的两侧流线会收缩。这种局部流态的改变，会增加水流对底床的剪切应力，从而导致水流携沙能力的提高。如果底床是易受侵蚀的，那么在风机基础局部会形成冲刷坑，这种冲刷坑会影响基础的稳定性。参考类似工程风机基础局部冲刷计算结果，本文分别取冲刷深度为0 m、2 m、4 m三种工况进行对比分析。分析局部冲刷对高桩承台动力响应的影响时，波浪流荷载均以X正方向作用在结构上进行分析，以斜桩1为例，计算结果见表5。

风机基础局部区域被潮流和波浪冲刷水深加深，从表5可知，随着冲刷深度的增大，高桩承台总位移、承台钢管桩应力、桩顶最大水平位移及桩顶最大弯矩均出现较大幅度的增长。冲刷4 m较0 m时，总位移增大了1.23 cm，增大17.72%；承台钢管桩应力增大了30 MPa，增大17.44%；桩顶最大水平位移增大了1.16 cm，增大18.41%；桩顶最大弯矩增大了1 747.1 kN·m，增大22.93%。未冲刷土层的桩侧摩阻力和桩端阻力不足以抵抗上部结构的竖向承载力而使高桩承台结构处于危险状况。工程上应采取相应的防冲刷处理措施，保证桩基及上部结构运行安全。

5 结语

本文基于有限元方法，建立了波浪荷载作用下的海上风机高桩承台模型。引入p-y曲线对斜桩加以修正，并比较修正前后波浪荷载对其的影响，考虑不同倾斜方向桩所受波浪力的差异，结合实际工程对波浪作用下带承台约束桩进行动力响应分析，并分析了局部冲刷对高桩承台动力响应的影响，得出如下结论：

1）引入p-y曲线修正系数前后，单桩在6.5∶1的斜度下，修正时桩顶位移较不修正时减小7.6%，修正时弯矩较不修正时增大0.8%。虽然修正与不修正的最大弯矩差异较小，但最大位移差异较大，因此工程实际中应当考虑p-y曲线修正系数的影响。

2）因为承台与斜桩桩顶是固结的，在波浪荷载作用下，承台可传递较大的弯矩来约束桩基。倾斜方向与波浪入射方向一致的桩，其位移与弯矩较小，反之则较大，桩轴线与波浪方向垂直的桩位移与弯矩最小。在实际工程中，应该尽量将斜桩倾斜方向与波浪的常入射方向保持一致。

3）随着风机基础局部区域冲刷深度的增大，近海风电高桩承台总体位移增大，桩基承载力减弱。冲刷深度达到4 m与0 m时比较，总位移增大17.72%，承台钢管桩应力增大17.44%，桩顶最大水平位移增大18.41%，桩顶最大弯矩增大22.93%。未冲刷土层的桩侧摩擦力和桩端阻力不足以抵抗上部结构的竖向承载力，而使整体结构处于危险状况。在工程实际中应当采取相应的防冲刷处理措施，保证桩基及上部结构运行安全。

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Dynamic response analysis for offshore wind power high-pile cap foundation under wave action

ZHOU Jing-shu1,ZHANG Shu-hua1,CHEN Guang-ming1,ZHAO Dan-hui1,YU Ke-chen2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Tianjin Communication Architecture Design Institute,Tianjin 300381,China）

A three dimensional finite element model is established for studying the dynamic response of offshore wind power high pile foundation under wave loading.We introduced p-y curve correction coefficients to modify the batter piles and compare the dynamic response between before and after the correction,then analyzed whether the influence of correction factor should be taken into account in the projects.Considering the differences between wave forces on different piles,we combined with practical engineering to analyze the dynamic response for piles restrained by cap under wave action.The influence of the local scour on the dynamic response of the platform was studied by calculating the local scour depth of pile foundation and comparing three scour depths 0 m,2 m and 4 m respectively,and some meaningful results are obtained for engineering practice.

high-pile cap foundation;batter piles;p-y curve;wave action;local scour

U656.6；TV312

A

2095-7874（2017）03-0037-06

10.7640/zggwjs201703008

2016-09-27

2016-11-10

周静姝（1991— ），女，江苏昆山市人，硕士研究生，主要研究方向为港口海岸与近海工程。E-mail：423260725@qq.com