水平循环荷载下海上风机吸力基础刚度变化

晁娈娈CHAO Luan-luan；吕村LV Cun

（①菏泽城建工程发展集团有限公司，菏泽 274000；②青岛工学院建筑工程学院，青岛 266300）

0 引言

海上风能作为一种新型的清洁能源，受到海洋国家高度重视，目前全球90%以上的海上风电场集中在欧洲北海、波罗的海及爱尔兰海海域等[1]。开发海上风电是我国“经略海洋、陆海统筹”发展战略的重要组成部分，能有效缓解沿海地区长用电紧张的局面。我国第一个海上风电场-上海东海大桥风电场于2010 年投产后，山东、江苏、浙江、福建和海南等沿海海域的海上风电也正在建设或筹划中[2]。我国计划在2025 年前将实现海上风电装机7000 MW，江苏、福建、广东成为我国海上风电主要的开发省份[3]。

风机塔架基础的可靠性和耐久性是整个风电场安全运行的关键部分。目前海上风机塔架基础结构形式主要包括：重力式基础、单桩基础、群桩基础、三脚架基础及吸力基础等。其中，重力式基础由大体积钢筋混凝土浇筑而成，虽然建造成本低，但海上安装费时、费力，施工造价较高，而单桩基础由大直径钢管制成，需要大型液压锤打入海床，适合海水深度不超过25m。因此，上述这些海上基础形式均不适宜用于深海区，并且在风电场投入服役期满后难以移除和重新利用。海上风电吸力基础，具有施工速度快（采用负压下沉施工技术）、造价低、可回收利用等优点[4]，而广泛应用于离岸结构的基础。吸力式桶形基础的安装不需要像海上桩基所用的庞大打桩设备，仅需要一个抽水泵，就能使其沉贯到海床预定位置，尤其适用于深海区[5]。

为研究桶型基础的承载特性及稳定性，国内外学者通过模型试验、有限元数值模拟及理论分析方法开展了大量的研究工作，取得了许多研究成果（余璐庆，2015；丁红岩，2018）[6-7]。然而，随着新一轮科技创新和产业变革进程的推进，建筑信息模型技术（building information model，简称BIM）在风电工程的应用开始被发掘。如刘占省[8]将BIM 技术应用于风电塔的结构设计和施工过程中，尹硕[9]则探讨了BIM 技术在桶式基础结构配筋设计中的应用，完善了钢筋混凝土桶式基础的钢筋配筋设计。Cho[10]介绍了BIM在绿色能源风能和地热能等工程开发上的应用。工程实践表明，在建筑行业中应用BIM 技术具有许多的优势，为工程项目的方案优化及科学施工提供了参考依据，还便于工程项目各方的协调管理。为拓展BIM 技术在海上风电工程中的应用，本文将BIM 海床地质模型及吸力基础模型与有限元分析软件ABAQUS进行结合，探讨水平循环荷载作用下裙式桶型基础的承载特性，并着重分析了不同竖向荷载作用下，吸力基础的水平循环承载力、水平刚度、耗能能力及周围土体变形随循环次数的变化规律。该研究结果可提升海上风电吸力基础的建模效率、施工质量，以及预测服役期间的水平循环承载能力，进而为海上风电场防灾减灾措施的建立提供依据。

1 BIM 创建海床地质模型及基础模型

1.1 BIM 建立地质模型中的优势

复杂的海洋环境条件（如不良的地质条件、复杂的海床地形及恶劣的自然环境），会增加风机基础的工程造价，延缓施工进度，甚至会影响基础工程的施工质量。因此，进行海上风电桶型基础设计、基础承载性能研究时，需要建立合理的海床地质、地形模型。然而，常规的地质报告及配合查阅资料能够大概的了解海床地质分布情况，若想详细的掌握海上地质特征、地质岩土层的走向，仅靠查阅图纸是难以实现的。而且采用模型试验和数值模拟研究方法时，其地质、地形模型不能很好地的模拟现场海床地形、海上环境实际。BIM 技术则具有强大的建模能力，通过建立三维地质模型，将大量的岩土工程参数及地质信息整合在同一模型中，可以完整地展示海床地质、地形分布情况，还能任意的选择某层地质进行剖切、查看及标注，实现了地质勘测最可能的接近工程实际。由此，本文根据江苏龙源蒋家沙海上风电工程的勘测数据，由BIM 软件Civil 3D 建立地质模型，再由Revit 软件将其转变为数字化、形象化的三维可视化地质模型（图1），用于分析海床地质岩土层类型、土层走向、海床地形分布规律等，为后续开展桶型基础循环承载有限元分析提供依据。

图1 风电场地三维地质模型

1.2 BIM 建立吸力基础模型

BIM 便于建立不同结构型式的桶型基础模型，即通过建立“专用族库”的方式进行基础建模。模型参数类型包括：①几何参数；②材料参数；③成本参数。由此，在基础建模时，可直接从族库中选取不同结构型式的桶型基础，并任意调整几何尺寸、材料属性，其对应的基础成本会自动输出。而且，利用BIM 的三维可视化功能，可将桶型基础立体实物全方位、多角度及可视化的展现。图2 为BIM 软件中Revit 创建的吸力基础模型。同时，对地质模型与桶型基础模型设置相同的项目基点及原点坐标，以进行模型整合与装配。注：在地基模型和桶型基础模型建立时，需精确定位模型的参考点，即确保地质模型与桶型基础模型的坐标系一致。由此，再将BIM 创建的地质模型、桶型基础模型引入有限元分析软件（Abaqus、Ansys、Plaxis）中[11-12]，克服了有限元软件建立的地质模型不够精确、改变基础尺寸必须重新建模的不足，既能节省建模时间，还能提升数值模拟精度。

图2 基础模型

2 BIM 技术与有限元分析的结合

2.1 建立有限元模型

将Revit 中创建好的海床地质模型、桶型基础模型导入ABAQUS有限元软件中，其导入步骤为：①先通过Revit软件将模型导出为ACIS（STA）文件，文件后缀为.sat；②在ABAQUS文件按钮下选择导入部件，导入刚才生成的地质模型和基础模型文件；③导入的模型可以创建成多个单独的部件，也可以合并称为单个部件。图3 给出了导入ABAQUS软件并划分网格的地质模型及吸力基础模型；材料参数见表1。吸力基础尺寸为：主桶直径为24m，裙结构的裙宽、裙高均为2m，顶板壁厚为0.1m，侧壁厚为0.04m。土体采用八节点线性六面体减缩积分单元（C3D8R）划分网格；基础顶板自底向上方式生成网格，其他部位则采用C3D8R 划分网格。另外，基础与土体的切向接触采用摩尔库伦摩擦模型，而法向为硬接触；对吸力基础施加水平循环荷载，循环荷载的周期为2s。

图3 有限元模型

表1 材料参数

2.2 吸力基础水平循环承载特性分析

假定基础的竖向刚度不变，只考虑水平刚度的变化，取每个循环周期内水平荷载-水平位移曲线中的极值，用于计算基础刚度。发现，同一竖向荷载作用下，随着水平循环次数增加，裙式桶型基础的水平刚度逐渐减小，且在首次循环加载时水平刚度降低显著（图5）。另外，竖向荷载对基础的水平刚度产生显著影响，当竖向荷载由零增至1000kN 时，基础的水平刚度约降低30%；但竖向荷载V=1000kN 作用下基础的水平刚度高于竖向荷载V=500kN时，约提高15%。这是因为，水平循环荷载作用下，致使基础周围的土体产生较大的扰动，从而产生显著的塑性变形，进而使基础水平刚度快速降低。

图5 基础水平刚度变化规律

3 结论

图4 循环荷载-循环位移关系曲线

①依据海上风电工程实际，通过BIM 技术建立海床地质模型和桶型基础模型，并将其引入有限元软件来分析海上风机吸力基础的水平循环承载特性。②水平循环荷载作用下，吸力基础的水平承载力、水平刚度随循环加载次数增加而减小，且在首次循环加载时数值下降明显；竖向荷载对裙式桶型基础的水平刚度影响显著。