海上风电PHC 高桩承台基础静力分析实例

陈学章，蒲 涛，彭德刚，郑 中，周孝佳

( 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

作为海上风电的重要组成部分，与陆上风电相比，风机基础主要的技术难点在于其复杂的海上环境荷载作用[1]。由于海上风机结构的刚度与工程造价成正比，若结构的刚度较大，其工程造价将大幅度增加。一般而言，对于固定式基础，海上风机的整体刚度相对较小，结构受力分析一直是基础分析中的重难点[2-3]。

目前，海上风电风机基础主要采用单桩基础、高桩承台和导管架基础，桩基材料主要采用钢管桩。王海军[4]等对Y 型导管架基础采用筒型基础的受力特征进行了分析；杨钰荣[5]等、王舸[6]等对大型海上单桩基础在长期循环荷载下的受力变形特性进行了研究；龚敏[7]等对海上风电风机新型吸力桶型基础的结构受力进行了分析；王秋慧[8]对海上风电中PHC 群桩高桩承台基础的施工进行了研究。最初，海上风电工程建设的规范体系均是基于欧洲的DNV 规范[9]、美国的API 规范[10]，我国能源行业标准NB/T 10105—2018《海上风电场工程风电机组基础设计规范》[11]也相对完善，但主要基于钢管桩基础。而国内外关于PHC 桩海上风电场风机基础方面的研究还相对有限。

本文基于我国通用的标准，运用非线性有限元理论，以越南某近海风电场风机基础为例，研究PHC桩高桩承台风机基础在工程中的静力分析。

1 设计条件

本次分析选用越南某近海风电场(以下简称“越南风电场”)风机基础作为工程实例。越南风电场场区海底地形起伏变化较小，泥面高程在-4.5 ～-1.0 m 之间。越南风电场拟安装83 台单机容量为4.2 MW 的风电机组，总装机容量350 MW。根据我国能源行业标准NB/T 10101—2018《风电场工程等级划分及设计安全标准》[12]，越南风电场工程规模为大型，风机基础设计等级为甲级，风机基础结构安全等级为一级。参照国内NB/T 10105—2018 的规定，越南风电场风机基础的潮水设计标准按重现期50 a；其风机基础的海况(海洋环境荷载或荷载效应)设计标准按重现期50 a。

1.1 工程地质及海洋水文

风机布设区域主要属于沿海平原的累积地形。地形表面比较平坦，地形高程范围为-4.5 ～-1.0 m。

风机区域钻孔揭露地层如下：

①层表土：主要包括松散砂、软塑状黏性土等，混有植物根系、腐殖质、贝壳等。厚度0.5 ～1.0 m。

②层淤泥、淤泥质土：流塑状，夹薄层砂，混贝壳。厚度15.8 ～17.0 m。标贯击数1 ～4 击，平均击数2 击。

③黏性土：以可塑状为主，局部为软塑状。混有砾石。厚度32 ～36 m。标贯击数8 ～29 击，平均击数20 击。

④层细砂：中密～密实，混黏性土，厚度约4.5 m，标贯击数30 ～31 击。

⑤层黏性土：可塑～硬塑，厚度约12.5 m，标贯平均击数26 击。

⑥层中细砂：密实，该层钻探未揭穿，标贯击数30 ～37 击，平均击数33 击。

风电场区域海泥面以下土层的设计地质参数见表1 所列。

表1 风电场区域海泥面以下土层的设计地质参数

该项目处于前期开发阶段，缺乏海洋水文资料，参照使用项目周边水文观测站相关资料。由于篇幅所限，本文仅分析极端高潮位3.1 m、相应的波高Hs=2.22 m、周期Tp=6.22 s 的情况。

1.2 风机参数及荷载资料

目前，计算风机风轮气动荷载的方法主要有动量理论、叶素-动量理论和计算流体力学模拟等。叶素-动量理论模型比较简单，计算量较小，在实际工程中被广泛用于风机的设计和性能计算。风机基础结构设计时，所考虑的风机荷载为风机及塔筒等上部结构承受风荷载、机组自重等作用传递至塔筒底部的荷载，由风机厂家计算并提交设计使用。本次分析以某4.2 MW 海上风机作为推选机型进行计算，风机荷载见表2 所列。

2 PHC高桩承台基础布置

越南风电场当地的港口海岸等工程建设主要采用PHC 桩，本次风机基础采用PHC 桩高桩承台方案。

高桩承台基础即群桩式高承台基础，为海岸码头和桥墩基础的常见结构，由基桩和承台组成。该方案承台为现浇C40 高性能海工混凝土结构，承台直径20.0 m。承台顶高程为8.50 m，底高程为5.90 m，大于H+2/3Hb+∆，其中，H为极端高潮位，按3.00 m；Hb为极端高潮位的最大波高，本工程采用场区H1/3=2.22 m，推算H1%暂按3.33 m；∆为富裕高度(取0.5 m)，确保波浪不能直接作用在承台上。承台立模也可以采用整体钢套箱围堰模板后，浇筑C40 高性能海工混凝土。塔筒底部法兰盘通过高强预应力螺栓锚固于承台内部(设置相应的环形垫圈，使得受力均匀并增加锚固作用)，以保证上部塔筒与承台的固端连接。

该方案采用38 根直径为0.8 m 的AB 型PHC 桩，平均桩长约60 m，入土深度约50.0 m，桩端根据各区域土层埋深不同，以③层可塑黏土底或④层中密细砂作为持力层。桩底平均高程约-54.10 m，桩顶高程为5.90 m，38 根PHC 桩在承台底部沿直径R=3 m、6 m、9 m 的圆周均匀分布，为提高结构的水平刚度，采用1∶6 的斜桩。在承台以下PHC 桩中灌注3 ～4 倍桩径长度的混凝土，以提高PHC 桩抗弯刚度。

PHC 桩高桩承台方案结构布置详如图1 和图2 所示。800 mm 直径的PHC 桩沿环向布置，其中半径3 m、6 m 和9 m 的PHC 桩分别布设6 根、10 根和22 根。

图1 PHC桩高桩承台基础平面布置图

图2 PHC桩高桩承台基础剖面图

3 PHC高桩承台基础结构静力分析

本次分析采用大型有限元软件ANSYS进行结构静力分析，并依据现行国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[13]、GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[14]对杆件弯曲、拉压、剪切及屈曲等应力要求，编制后处理程序计算结构是否满足要求，同时对风机基础结构极限强度、变形和桩基承载力进行了详细的计算分析。

3.1 计算模型

塔筒本身是变截面的圆管，采用BEAM188变截面梁单元能很好地模拟其质量及刚度分布；而桩基基础一般也是变截面或定截面的，主要受弯、剪、扭作用，BEAM188 变截面梁单元能很好地模拟其受力状态。承台是大体积混凝土，采用实体单元SOILD45 能很好地模拟其刚度、质量分布及受力特性。NB/T 10105—2018 关于桩土之间的相互作用采用p-y、t-z、Q-z曲线，本文采用ANSYS 软件的非线性弹簧进行模拟；波流荷载采用Morison 方程进行计算，并计入海生物对水动力荷载的影响；风机荷载采用节点荷载输入。PHC桩高桩承台基础三维模型如图3所示。

图3 PHC桩高桩承台基础三维模型图

根据NB/T 10105—2018 的要求，风机基础受力需考虑各个荷载在组合下的受力特点，本文仅对极端高潮位3.1 m，相应的波高Hs=2.22 m，周期Tp=6.22 s 的情况进行分析。海上风电风机基础主要受力包括风机荷载、波浪荷载以及本身的自重，因此，仅对以风机荷载、波浪荷载为主的荷载工况进行分析。

3.2 模态分析

海上风电机组是一种高耸柔性海洋结构物，风和波浪是海上风电机组承受的主要动力荷载。在风和波浪的耦合作用下，海上风电机组将产生显著的动力效应，对海上风电机组结构极限强度、变形和疲劳提出了更高要求。因此，必须通过模态分析掌握海上风机支撑结构的动力特性，使海上风电整机结构自振频率避开波浪频率、风轮转动频率与叶片通过频率范围，避免结构发生共振，尽可能降低结构的动力效应。

本文采用ANSYS 软件的动力分析模块进行海上风电整机模态分析，建立“风机+塔筒+基础+地基”整体结构系统，叶片、机舱和轮毂的质量由质量点加在相应的质心，桩-土非线性相互作用由软件中的非线性土弹簧处理后的等效线性弹簧作为模型的边界条件。PHC 桩高桩承台模态计算结果见表3 所列。从表3 可以看出，PHC 桩高桩承台基础的前三阶模态避开了整机自振频率限制范围为0.25 ～0.48 Hz。

表3 PHC桩高桩承台模态计算结果表

3.3 结构强度分析

PHC 桩轴力分布云图如图4 所示，可以看出：PHC 桩基础在风机、波浪等荷载组合下，主要呈现迎风(波)面受拉，背风(波)受压的状态；同时最大的拉力出现在迎风(波)桩顶处，最大的压力出现在背风(波)桩顶以下约1/5 处，这主要是由于桩上部的承台刚度大，约束了桩体本身的变形，桩身在水平力与弯矩作用下，受压侧桩顶部出现局部的反向受拉作用，减小了其受压状态。此外，这种群桩的受力主要是外圈受力大于内圈受力，这是由于海上风电基础主要受水平力和水平力产生的弯矩作用。

图4 PHC桩轴力分布云图

PHC 桩的剪力分布云图如图5 所示，可以看出：PHC 桩基础在风机、波浪等荷载组合下，群桩主要呈现内圈小外圈大的特点；这主要是风机基础中部连接上部风机塔筒，其刚度相对侧面较大。针对单根桩，沿竖向桩身呈现先减小变方向后增加，再减小的过程，最大受力点主要是顶部和上部1/3 处；这主要是由于PHC桩桩身顶部受承台约束刚度较大，底部有海泥面以下的土体约束，而中部无约束，在受波浪等环境荷载作用下，桩身中部的受力较大。

图5 PHC桩剪力分布云图

PHC 桩的弯矩分布云图如图6 所示，可以看出：PHC 桩基础在风机、波浪等荷载组合下，其最大弯矩主要出现在迎风(波)面桩体顶部，背风(波)桩顶以下约1/5 处；对于迎风(波)面桩体沿竖向弯矩是逐渐减小的过程，对于背风(波)桩体沿竖向是现增大后减小的过程。这主要是在水平力作用下，受压侧桩出现在背风(波)面，其顶部受承台及底部泥面约束，故在中部出现最大弯矩；而迎风(波)面桩体受拉，其最大值在顶部基础弯矩作用下最大。

图6 PHC桩弯矩分布云图

承台的等效应力云图如图7 所示，可以看出：承台的应力分布主要层圈层分布状态，其在顶部与塔筒接触部分以及底部与桩体接触部分出现应力集中，特别是顶部。本文主要对PHC 桩进行分析，对承台受力暂不多做描述。

图7 承台等效应力分布云图

3.4 桩基承载力验算分析

PHC 桩在风机、波浪等荷载在桩基承载力组合下的桩基顶部轴力分布如图8 所示，可以看出：PHC 桩基础在荷载组合下，主要呈现其迎风(波)面受拉，背风(波)受压的状态；同时其最大的拉压力均出现在外圈迎风(波)处。沿环向呈现为压力逐渐减小后增大的过程；对于背风(波)面其压力内外圈差别不大，但呈现向内逐渐减小的过程；对于迎风(波)面其受力状态差异较大，主要呈现向内逐渐由受拉逐步转换为受压的状态。

图8 PHC桩桩基承载力分布图

3.5 变形验算分析

PHC 桩方案在风机、波浪等荷载的正常使用状态组合下的位移分布如图9 所示，可以看出：由于海上风电风机基础的受力特点是主要受风机荷载和波浪荷载的水平力，海泥底部约束较弱，上部风机等重量较大；在正常使用状态下，基础承台向风(波)向移动，同时在风机弯矩作用下迎风(波)面受拉，背风(波)受压。PHC 群桩在底部约束情况下，顶部向风(波)向受弯作用。

图9 PHC桩方案位移分布图

3.6 综合分析

PHC 桩高桩承台方案各项指标计算结果见表4 所列。从表4 可知：PHC 桩高桩承台基础在承载能力极限状态(强度)下，其PHC 桩的桩身受弯、受剪、受拉满足规范要求，PHC 桩主要是桩身受弯及受拉控制；在桩基承载力工况下，桩基的承载力主要受海泥面以下的土层控制，其桩基的抗压抗拉满足要求；在正常使用状态下，基础的沉降、变位及PHC 桩的抗裂满足要求。

表4 PHC桩高桩承台方案计算结果表

4 结论

本文以越南某近海风电场风机基础为例，对PHC 桩高桩承台基础的静力计算分析进行研究，得到的主要结论如下：

基于非线性有限元理论，以非线性弹簧模拟桩-土之间的非线性相互作用(p-y、t-z、Q-z曲线)，波流荷载采用Morison 方程进行计算，本文中的0.8 m 的AB 型PHC 桩+高桩承台方案各项指标满足现行规范标准要求。

PHC 桩高桩承台基础在布置合理的情况下前三阶模态可避开整机自振频率限制范围。

对于PHC 桩高桩承台风机基础方案，其PHC 桩主要受桩身受弯及受拉控制，桩身受弯最大作用位置为基础外圈的迎风(波)面桩体顶部，背风(波)桩顶以下约1/5 处；桩身最大抗拔力出现在迎风(波)面桩体。