浅谈不同壁厚海洋桩基在波浪作用下的动力响应

吴 峰

（信阳职业技术学院河南信阳 464000）

风电作为一种新型能源，目前已经得到相当广泛的应用，但随着陆地风力资源的开发殆尽，人们开始将风电场建设在海上，以此获取海上的风力资源。但在海上建设风电场与在陆地上建设不同，对技术的要求更加严苛，其中最为关键的就是解决海洋波浪对风机塔的影响。海洋中往往存在很大的波浪，波浪会对风机塔产生冲击，因此若想让风机在海洋上稳定工作，首先就要解决海浪对风机塔的冲击问题。

风机的管壁厚度对其应对海浪冲击的影响效果较为明显，因此为减少海浪冲击对风机塔带来的影响，可以适当采取加厚管壁的方式，但这样将带来较高的施工成本。而目前对风机管壁对海浪冲击的影响的研究中，普遍忽略了土壤对桩基带来的影响。虽然风机塔受海浪的冲击会产生摇晃，但风机塔和土壤的交界处也是一个需要分析的部位，这一部位的特征也会对风机塔在海浪的冲击下的摇晃方式造成影响。

1 海浪冲击风机塔的计算模型

1.1 模型的确定

为确定海浪对风机塔的冲击影响，首先应当建立模拟这一过程的模型。为此，本文选取我国某海上风电场中使用的风机塔作为基础，建立简化的二元模型进行分析。在该模型中，将土层简化为一层，风机塔的直径为上下等宽的均匀圆柱，换算后得到的圆柱直径为4.3m，以风机塔为中心，模型中地面的范围为直径60m的圆，从而在不影响计算结果的前提下简化计算难度。风机塔中埋入土壤的桩体部分同样进行适当的简化，简化后其中管桩的半径为1.75m，长度为60m，土壤的深度为60m，管桩埋入土壤中的深度为35m。钢管桩的模拟采用简单的梁单元，土壤同样采用简单的实体单元，同时划分土壤网格，选取4 节点双线性应变单元作为土壤的基本网格单元。为模拟实际的风机塔在海浪冲击下的振动状态，土壤模型的侧边缘为位移约束状态，底部为固定约束状态，顶部则不设置任何约束状态。在对模型进行分析时，首先为土壤模型设置重力参数和土壤应力，在保持管桩长度、埋深和半径等其他因素不变的前提下，将管壁厚度设置为真实风机塔中常用的0.4m、0.5m 和0.6m，依次进行海浪冲击风机塔桩基的模拟。

1.2 计算参数的选择

该模型为单一线性弹性模型，土壤性质的确定采用Drucker-Prager 结构，土壤和埋入其中的钢管桩的具体参数如下：土壤密度为1434kg/m3，弹性模量为5.3×106Pa，泊松比为0.34，粘聚力为30kPa，摩擦角为33°；钢管桩密度为7659kg/m3，弹性模量为2.4×1011Pa，泊松比为0.31，粘聚力为N/A，摩擦角为N/A.

1.3 海浪负载设定

本文中定义的海浪为线性波浪，应用Airy 理论进行计算。在该理论中，波浪产生的一系列波均在流体的水平面中，不存在流固耦合的影响。Airy 波浪理论是一种简化的理论，将液体看作理想流体，且忽视液体表面的张力影响；同时假设水的运动是无旋运动，表面的压力恒定且海底处于水平状态。由于海浪对风机塔的影响主要来自于其中蕴含的动能，且场景规模较大，因此可以忽视部分微观因素的影响，采用该理论进行计算是可行的。基于Airy 理论的弥散方程为：（1）（2） ，上述两方程中， 为海浪的角频率， 为重力加速度，取9.82m/s2， 为本次海浪中的波数， 为海水的深度。计算中除了使用弥散方程外还需要使用莫里森方程，在莫里森方程中，横向阻力系数为0.7，切向阻力系数为0，横向惯性系数为1.5。

1.4 数值模型结构分析

分析数值模型的结构采用lanczos 方式并选取模型中前十阶的振动频率，通过对结果的分析可知，阶数和振动频率之间基本呈现出正相关的状态，在一阶时，振动频率为0.15Hz 左右，而十阶时的振动频率为0.8Hz。同时，管壁厚度在0.4、0.5 和0.6m 下的振动频率随阶数的变化程度基本上是一致的，说明风机塔壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的风机塔振动频率基本上相当，即风机塔的振动频率和厚度关系不大。而上述计算结果为在管桩的长度、半径以及埋深完全相同下的计算结果，也就是说在上述三种情况不变的前提下，管壁厚度的改变基本不会影响风机塔受海浪冲击的振动频率。且通过对模型的数值结构的分析表明，模型在海浪的冲击下的振动周期约为6s，海浪的周期约为8.3s，而现代的风机塔结构完全可以抵抗这种水平的振动，因此基本无需担心海浪冲击对风机塔的影响。

1.5 风机塔特征点位移比较

为更加具体的分析风机塔在海浪冲击下的振动情况，我们在风机塔中选取了几个特征点，并分析不同管壁厚度下的特征点在海浪冲击下的位移状态，以此得出更加详细的风机塔振动状态。

本文中特征点选取在模型结构的拼接处，对应现实中的风机塔则是管桩和土壤面的交界处以及管桩的顶端，并分析了不同管壁厚度的风机塔受到海浪冲击后的100s 内的特征点的位移状态。以初始状态下的位移值为0 开始计算，在100s内，特征点的位移呈现出周期性的摇摆方式，但相对于振动频率，管壁厚度对特征点的位移影响明显更大，且管壁的厚度越小，风机塔在海浪冲击下的位移效应就越明显，即风机出现摇晃的程度也越大。第一个振动周期约为10s，后续的振动周期大致控制在8.3s 左右，同上文中不同阶数和振动频率相关曲线类似。

对于管壁厚度在0.4m、0.5m 和0.6m 下，桩顶特征点沿X 轴的正向位移量分别为11.2mm、8.43mm 和6.89mm，呈现出减少的状态，说明管壁厚度的增加可以有效减少风机塔顶端受海浪冲击的影响，且减少幅度达到了25%，属于比较可观的水平；而沿X 轴负向的最大位移值分别为9.43mm、7.54mm 和6.33mm，同样也随着管壁厚度的增加在减小，减幅达到17%左右，虽然不如X 轴正向状态，但也也较为明显。桩基和土壤交界面处的不同管壁厚度0.4m、0.5m 和0.6m 下的特征点在海浪冲击下沿X 轴正方向的最大位移分别为5.43mm、4.12mm 和3.54mm，呈现出逐渐减小的趋势，减幅为22%左右，属于较为可观的水平；而X 轴负方向的最大位移分别为4.55mm、3.23mm 和1.89mm，减幅达到23%左右，同样也很可观。

通过上述的分析可知，无论管壁厚度如何，土壤面的特征点的位移始终小于顶点，这是由于风机塔受土壤的约束所致，同时，同一特征点处X 轴的正向位移普遍大于负向位移，这与海浪冲击的方向有关，如果海浪冲击的方向为正方向，则正方向的位移为海浪冲击所致，而负方向的位移则为风机塔回弹时所产生的力所致，因此负向位移明显不如正向位移。

2 结论

通过上述计算和分析可知，桩基的厚度确实会影响风机塔对海浪冲击的响应情况，并且随着厚度的增加，海浪冲击对风机塔的影响在减少。对于风机塔桩基的整体结构和振动频率方面，桩基的厚度不会对这两项因素造成影响，不同桩基厚度之间的差距微乎其微，且振动频率的数值较低，现代风机塔的桩基结构完全可以抵御，不会出现因为过度震动倒塌或断裂的问题。

当桩基的厚度增加时，在海浪冲击下桩基顶部和与土壤之间的交界处的位移程度呈现出较为可观的减小趋势，桩基厚度每增加0.2m，大约会减小20%。因此如果想要减弱海浪冲击对风机塔位移的影响，增强风机塔的稳定性，适当增加管壁厚度是非常不错的方法.