波流荷载作用下风机混凝土高桩 承台拉应力超限区分布研究

李 炜，熊 根，张俊臣，陆南辛，金 超

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2.国电电力浙江舟山海上风电开发有限公司，浙江杭州310014)

0 前 言

在海上风机基础形式中，高桩承台基础具有结构安全性能高、施工工艺成熟和造价低等优点[1]，在我国东南沿海风电场已采用高桩承台基础形式。

波流荷载是高桩承台基础形式稳定性的重要影响因素之一。目前，大部分研究工作主要是针对波流荷载的计算和波流荷载对桩柱结构的影响，对于波流荷载对桩基础上部结构承台的影响研究较少[2- 4]。因此，波流荷载对高桩承台混凝土拉应力影响模型的建立具有一定的学术意义和工程应用价值。本文利用ANSYS有限元软件施加波流荷载的功能，归纳了极端风荷载下波流荷载对风机高桩承台拉应力超限区域分布的规律。

1 水动力荷载模型

1.1 波浪荷载

当结构物的特征尺寸D与波长L的比值小于等于0.2时，可采用Morison方程计算作用于结构的波浪荷载[5]：

(1)

1.2 海流荷载

由于海流可近似看作一种稳定的平面流动，因此海流与圆柱形结构物的相互作用可用平面流与铅直圆柱载荷公式来表示[7]。单位长度圆形构件上的流载荷的计算公式为

(2)

式中，A为单位长度的构件在垂直于海流方向上的投影面积；UC为流速。

2 高桩承台有限元模型建立

2.1 有限元模型

以我国东南沿海某风电场高桩承台风机基础为例，承台混凝土采用实体单元SOLID45模拟；高强预应力锚杆采用杆单LINK8模拟；钢管桩采用管单元模拟，其中泥面以上采用PIPE59单元，泥面以下采用PIPE16单元；塔筒及与承台连接位置填充有混凝土的钢管桩采用壳单元SHELL63模拟；上部结构质量采用质量单元MASS21模拟；有限元模型如图1所示。

图1 整体结构有限元模型

2.2 桩土相互作用模型

考虑海底地基的非线性变形时，将泥面以下桩-土相互作用用弹簧阻尼单元COMBIN14模拟，单位桩长的弹簧刚度系数和阻尼系数计算公式为

kx=1.2Es

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Es为土体弹性模量；βs为土体滞回阻尼；ω为激励荷载的频率；ρs为土体质量密度；Vs为剪切波速；D为桩直径；α0为无量纲频率(α0=ωD/Vs)。其中

Es=mB0x

(7)

式中，B0为桩的计算宽度；x为桩的入土深度。

2.3 材料参数

本文采用多线性随动强化KINH模型，该模型采用多线性的应力-应变曲线模拟随动强化效应，考虑包辛格效应。此模型适用于服从Mises屈服准则的小应变塑性分析，并可模拟混凝土本构关系下降段。混凝土单轴应力应变关系上升段采用GB 50010—2002规定的公式，下降段则采用Hongnestad的处理方法[8]，即

当εc≤ε0时，

(8)

当ε0<εc≤εcu时，

(9)

式中，σc为混凝土抗压强度；fc为峰值应力(棱柱体抗压强度)；ε0为相应于峰值应力时的应变，取0.02；εcu为极限压应变，取0.003 8；εc为初始应变。

因为钢材应力应变曲线转折点多，针对承台钢材结构特性，采用考虑钢材强化特性的本构关系，如图2所示。

图2 钢材应力应变曲线参数

3 计算结果与分析

3.1 拉应力值和超限区域对比

为更加精确研究波流荷载对承台拉应力影响，分5个水位工况对该高桩承台拉应力进行分析，具体工况见表1。

表1 研究工况

为得到高桩承台混凝土最大拉应力值，工况二到工况四均取为该水深下波浪累计概率为1%的波浪工况进行。所有工况的波流荷载均按最大值选取，风机荷载通过塔筒质量单元施加。

3.1.1 拉应力最大值

不同工况承台混凝土最大拉应力值见表2。由表2可以看出，与不考虑波流荷载的基础工况相比，波流荷载作用下的工况承台拉应力最大值均有所增加，这说明在最大波浪荷载作用下，承台拉应力区间增大。且随着水深地增加，最大拉应力值不断增加。

表2 不同工况拉应力最大值

3.1.2 混凝土超限体积

该风机高桩承台的混凝土等级为C50，混凝土抗拉强度标准值2.64MPa。不同工况承台混凝土拉应力超限体积见表3。由表3可以看出，相比与不考虑波流荷载的基础工况，波流荷载作用下的工况承台拉应力超限区体积均有所减小且随着水深地增加，拉应力超限区体积不断增大。

表3 不同工况拉应力超限体积

本次所有工况的波流荷载选取的均是不同相位角中波流荷载的最大值。通过模拟不同相位角的波流荷载，最大波流荷载均为由外向内”的荷载。为分析波流荷载对高桩承台混凝土受力形态影响，建立与最大波流荷载工况相似的简化模型(见图3a)进行分析。

图3 波流荷载下高桩承台简化模型

通过对图3a超静定结构分析，简化结构为对称结构，可取结构一半进行受力分析。因为荷载对称，中间点不存在剪力作用，经过计算得到该结构受力模型等同于图3b结构。

由此可见，承台混凝土主要承受顺时针的弯矩和压应力作用，如图4所示。该工况下，上部和中部混凝土受压，而通过静力分析可知，高桩承台的拉应力超限混凝土主要集中在承台上部和中部，因此波流荷载作用下承台整体混凝土拉应力超限区混凝土体积减小；而承台下部受拉，且承台高拉应力混凝土主要集中在承台下部，因此承台混凝土的拉应力最大值增加。

图4 高桩承台受力模型分析

3.2 应力分布

工况一～工况五拉应力超限区分布对比如图5所示，图例括号内为该工况下拉应力最大值。

图5 不同工况应力区间混凝土体积分布

由图 5可以看出，在2.64～5 MPa范围内，无波流荷载超限体积大于波流荷载工况；在5～11 MPa范围内，无波流荷载工况和波流荷载公款工况超限体积大致相等；在大于11 MPa范围内，仅波流荷载工况下存在超限区，且超限区体积很小。

3.3 可靠度分析

由图5中还可以看出，不同应力区间的混凝土超限体积呈大致二次凸函数分布，混凝土超限体积主要集中在2.64～6 MPa，在3～4 MPa范围内混凝土达到最大值，拉应力7 MPa以上混凝土很少。通过应力直方图，可以求出应力的累计函数，从而得到承台不同可靠度下的承台拉应力控制值，如图6所示。

图6 不同可靠度下拉应力控制值对比

由图6可以看出，波流荷载作用下不同可靠度的拉应力控制值大于无波流荷载作用下控制值，但是两者差距不大，且当可靠度接近100%时，两者基本相等。说明波流荷载作用下虽然造成混凝土承台拉应力增加，但是由于其高拉应力区间混凝土超限体积很小，在某一可靠度下其拉应力控制值与无波流荷载下控制值基本相当。在实际工程中，因为波流荷载变化复杂，且不容易模拟实际工况的混凝土承台受力，可按照较高可靠度下无波流工况的拉应力控制作为工程防裂施工参照标准。

4 结 论

(1)由于高桩承台自身结构的特点，波浪荷载使承台拉应力值增加，但是拉应力超限区减小，说明在波流荷载作用下，承台混凝土应力重分布，拉应力极值处受拉程度增加，无波流荷载工况下的部分拉应力超限区变为受压状态。

(2)波浪荷载增加了承台混凝土最大应力值，但是高拉应力区间的混凝土很少。各个波流荷载工况中，拉应力为2.64～7 MPa混凝土占总超限体积的96%，11 MPa以上混凝土所占体积仅为1.5%左右。

(3)混凝土承台结构抗拉性能可靠度越高，波浪荷载拉应力控制值与无波浪荷载作用下的控制值越接近。在实际工程中可考虑采用无波流荷载作用的承台应力最大值作为各种工况下的控制值。