海水腐蚀对海上风电桩基单桩水平承载特性影响的数值模拟研究

许海波，王欣怡，陈凤云

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海上风能是海洋可再生能源中具备极大商业发展潜力的清洁能源。目前，我国风电事业正处于飞速增长的黄金时期，其中江苏省海上风电累计装机容量占全国海上风电累计装机容量的71.5%，连续多年领跑全国[1]。海上风电桩基础广泛采用大直径钢管单桩基础，钢管桩由于长期浸泡在海水中，会受到不同程度的腐蚀，从而影响其承载特性。因此，开展钢管单桩腐蚀程度对桩基的承载特性研究，对风电工程的稳定性评价具有重要的意义。目前，国内外研究学者在海上工程腐蚀领域已经做了很多研究工作。冯忠居等[2]采用现场试验的方法，分析了强腐蚀环境下桩基的极限承载特性，并得出桩长与桩径的增大均会增加桩的耐久性的结论；王富春等[3]采用MARC软件分析了不同腐蚀程度下桩的竖直极限承载力的变化，得到相比于桩的腐蚀厚度，腐蚀深度对于桩的竖直极限承载能力影响更大的结论；马希和等[4]采用ANSYS软件对海水中的钢筋混凝土桩耐久性进行了分析，为其建设提供了理论依据；Hobbs[5]通过理论分析海水中氯离子对桩基的腐蚀与影响，得到了氯离子在混凝土中扩散系数较大，会导致腐蚀更为严重的结论。

当前，关于海工建筑物腐蚀方面的研究主要集中在桥梁等传统海工工程腐蚀领域，关于海上风电桩基腐蚀性对其承载特性的研究相对较少。为此，本文以江苏启东某海域海上风电场为工程背景，采用ABAQUS有限元数值模拟软件，建立海上风电单桩基础模型，基于钢管桩的均匀腐蚀数学模型，分析其在经历海水腐蚀不同时间时的桩身挠度及桩身所受的最大应力，揭示钢管桩腐蚀程度对其水平承载特性的影响规律，可为海上风电工程的桩基设计提供参考。

1 工程背景

江苏启东海上风电场工程位于启东近海海域，海岸与风电场中心区域相隔32 km。风电场规划区域为矩形，长约8 km，宽约5 km，规划面积约为40 km2，装机容量预计约250 MW。海底地形起伏不大，最小水深为6 m，最大水深约为13 m。风电场拟安装42台风电机组，总装机容量为250 MW。场区的泥面高程约为-35 m，桩径6 m。单桩基础防腐体系采用的是涂层+外加电流的保护方式。风电场示意见图1。

图1 风电场示意

2 钢管桩均匀腐蚀模型

钢管桩在海洋中的腐蚀分为局部腐蚀与均匀腐蚀。其中，均匀腐蚀是对基础结构损伤影响最大的一种腐蚀类型，也是导致桩基础承载性能下降的主要原因。均匀腐蚀为在管桩各处均以近似相同的速度发生腐蚀的腐蚀类型，过去的研究中常将该速度设定为常数。但多个腐蚀试验结果表明，钢管的腐蚀过程非常复杂，其腐蚀速率并不能用简单的常数进行描述，并且由于海上工程通常均设计有防腐系统，在确定钢管桩基础的腐蚀数学模型时也需要考虑到该系统的存在。

Soares等[6]在前人研究的基础上提出了1个3阶段的海工钢结构腐蚀速率变化的非线性模型：①第1阶段。由于防腐系统的存在，假定该阶段管桩基础尚未被腐蚀，这个阶段持续时间由防腐系统、海域海况、钢管桩材料物理特性等多个因素决定，其范围一般为3～7 a。②第2阶段。钢管桩开始发生腐蚀，此时为海水腐蚀作用与防腐系统共同生效的阶段，海工结构物外壁被腐蚀导致结构物壁厚变薄。③第3阶段。桩的腐蚀因腐蚀物在桩外壁的沉积逐渐停止。

秦圣平等[7]在该模型的基础上，总结出考虑防腐系统与环境共同作用的钢管桩防腐模型，其腐蚀厚度d(t)和腐蚀速率V(t)数学表达式为

(1)

(2)

式中，d∞为极限腐蚀厚度；Tst为腐蚀开始时间；TL为海工结构物的维护周期；β、η为待定系数。参考本文工程背景的钢管桩基基本信息，本文取Tst=3 a、β=1.99、η=9.19、d∞=10 mm。由该数学表达式可绘制出钢管桩的腐蚀曲线，见图2，从图2可知，在t=20 a时，腐蚀速率趋近于0。

图2 海上风电桩基钢管桩腐蚀率

3 单桩基础有限元数值模型

本文通过ABAQUS软件，建立单桩基础有限元数值计算模型，考虑到桩-土结构和水平荷载作用的对称性，为便于计算，选取整体的1/2进行研究。整个模型选取为半圆柱形，模型半径为50 m，深度100 m。ABAQUS数值模型见图3。海上风电钢管桩的作业环境是海洋，因此，模型中土体的容重均选取有效容重进行计算。在赋予水平集中力之前，通过对初始模型赋予重力进行计算得到地应力。导入获得的地应力作为该模型初始应力场，再反复计算直至模型整体竖向沉降小于10-4m，得到该模型在地应力平衡下的初始状态。

图3 ABAQUS数值模型

模型的底部及四周均采用全约束，对称面给予垂直于该面的法向位移约束，而顶面则设置为自由面。整个部件均采用三维八节点减缩积分六面体单元(C3D8R)类型网格进行划分，网格属性设定为结构。为方便结构网格的划分，对桩-土模型均在1/2处进行了分割。桩-土接触采用法向硬接触与切向罚函数接触，并设定罚摩擦系数为0.5。整个模型中，土体考虑为弹塑性体，选用M-C本构模型，桩则考虑为弹性桩。土层与钢管桩数值模拟参数见表1。

表1 土层与钢管桩数值模拟参数

本次数值模拟试验设置基准点施加水平集中力，该作用点位于桩顶处。本文主要研究水平荷载对风机基础的影响，因此外部荷载主要考虑风荷载、波浪荷载与海流荷载，内部荷载则考虑风机本身水平合力。参考东海大桥海上风电站荷载计算结果[8]，本文取相似水平荷载320 kN进行计算。

结合海上钢结构均匀腐蚀数学模型，通过分析不同腐蚀状况下钢管桩因荷载产生的桩顶挠度与桩身最大应力，对钢管桩基础的强度及稳定性进行分析。考虑到海洋工程结构维护周期一般在30 a以内，本文仅对海上风电钢管桩基础30 a内的腐蚀进行数值分析。桩身挠度变化见图4。各时刻桩基应力分布见图5。从图4、5可知，随暴露腐蚀介质中的时间的增加，海上风电钢管桩基础桩顶挠度γmax由3.45 cm增加至3.87 cm，增幅为10%；桩身最大应力σmax由17.1 MPa增加至19.0 MPa，增幅为12%。

图4 桩基挠度变化

图5 各时刻桩身应力分布(单位：Pa)

为进一步分析桩基的腐蚀程度对桩身挠度与应力的影响，绘制桩基各部位扰度及应力变化曲线，见图6、7。从图6、7可知：

图6 桩基挠度发展进程

图7 桩基应力发展进程

(1)桩基的桩身相对挠度发展进程曲线分为3个主要阶段：t=0时，初始桩顶挠度γ=3.45 cm；t<3 a即腐蚀初期时，随时间的发展，腐蚀所导致的桩顶挠度变化并不大；3 a15 a时，桩顶挠度随时间变化幅度减小，t=15～30 a的时间段内，挠度仅从1.1γ增长至1.12γ，增长幅度仅有0.02γ，其增速略低于防腐系统运作良好时的第1阶段，大约为第1阶段增速的2/3，表明此时桩的腐蚀速率已经由于腐蚀物的沉积趋于停止。

(2)桩基的相对最大应力发展曲线与相对挠度发展曲线变化幅度较为一致。t=0即桩未发生腐蚀时，桩身最大应力σ=17.1 MPa；t<3 a时，桩防腐蚀系统并未失效，桩身最大应力的增速较小；3 a15 a时，桩身最大应力随时间变化幅度减小，t=15～30 a的时间段内，桩身最大应力仅从1.09σ增长至1.11σ，增长幅度仅有0.02σ，增速与第1阶段基本持平。

4 结 语

本文以江苏启东某海上风电场为工程背景，基于均匀腐蚀模型，分析单桩钢管桩基础腐蚀程度对桩顶挠度与桩身最大应力的影响规律，得到以下结论：

(1)单桩基础腐蚀数学模型分为3个阶段，t<3 a时不发生腐蚀，3 a20 a时腐蚀速率趋近于0。

(2)单桩基础在30 a的时间内因腐蚀导致其桩顶最大挠度γmax由3.45 cm发展至3.87 cm，且挠度发展曲线分为3个阶段，与腐蚀数学模型基本一致。其中，第2阶段桩顶挠度的增速为第1阶段的5倍，第3阶段增速则为第1阶段的2/3。

(3)单桩基础在30a的时间内因腐蚀导致其桩身最大应力σmax由17.1 MPa 发展至19.0 MPa。其中，第2阶段最大应力增速为第1阶段的7倍，第3阶段增速与第1阶段持平。