海上风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载特性分析

2017-05-16林毅峰乐治济

水力发电 2017年2期

关键词：抗拔基桩桩基础

林毅峰,周旋,黄俊,姜娟,乐治济

(上海勘测设计研究院有限公司,上海200434)

海上风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载特性分析

林毅峰,周旋,黄俊,姜娟,乐治济

(上海勘测设计研究院有限公司,上海200434)

高承台群桩基础是我国首次提出并获得广泛应用的新型海上风电机组基础结构型式。建立了高承台群桩基础数值模型,通过t-z、q-z和p-y曲线模拟桩土相互作用,以承台转角θ与力矩M关系曲线代表基础整体承载状态,采用基桩现场抗拔承载力测试数据对数值模型进行了验证。并基于上海东海大桥海上风电场示范工程风电机组基础结构,对不同加载方式、压拔承载力比值的基础进行了极限承载性能数值模拟,分析了基础的荷载传递、分配和整体协同作用,揭示了群桩中基桩极限承载性能与群桩基础整体极限承载性能的关系,提出了海上风电机组高桩混凝土承台群桩基础承载力控制标准的建议。

海上风电机组；高承台群桩基础；基桩极限承载力；整体协同作用

0 引言

图1 海上风电机组高承台群桩基础结构示意

高承台群桩基础是我国针对深厚软土和浅覆盖层岩石海床地基条件,结合近海工程施工经验和设备而首次提出的一种新型海上风电机组基础形式[1],其结构形式如图1所示,主要由群桩、混凝土承台和过渡段构成,上部风电机组荷载和波浪、水流荷载通过承台传递转换为基桩的轴向和侧向荷载,并利用基桩岩土的轴向和侧向抗力抵抗外部荷载。该基础类型在我国东海大桥海上风电场、上海临港海上风电场、福建南日岛、平海湾等近海风电项目中获得了广泛应用。

对于以承受压力为主且受力比较均匀的群桩,相关设计规范通过控制群桩的平均轴力小于基桩的允许承载力来控制结构整体承载性能,同时允许偏心状态下最大基桩压力适当超过基桩允许承载力来考虑荷载偏心的影响[2-3]。海上风电机组基础受力表现出非常显著的大偏心特性,导致群桩基础同时出现受压和受拔且轴向受力极端不均匀[4-5],基桩轴向承载通常受到拔力控制。在大偏心载荷作用下,单根基桩达到抗拔承载力极限以后,在承台和其他基桩,尤其是受压基桩的整体协同作用下,基础整体并不会立即丧失承载能力,荷载会重新分配调整,因此以单桩达到抗拔极限状态来控制群桩基础的整体承载极限状态是不合理的,往往低估了基础结构的整体承载性能。为此应根据海上风电机组的荷载特性,考虑承台和群桩在整体协同作用下荷载传递、分配才能合理分析判断基础的承载性能。国内针对码头、海洋平台和输变电塔等桩基础,在偏心水平力、扭矩和竖向荷载共同作用下群桩基础的承载和变形特性进行了分析,在这些研究中主要关注水平偏心荷载和基础水平承载性能[6-8],而针对海上风电机组基础在大偏心倾覆力矩和侧向水平荷载、自重耦联作用下群桩竖向抗压和抗拔承载性能的研究成果很少。

本文对我国首个海上风电场上海东海大桥海上风电示范项目风电机组高承台群桩基础进行了承台和群桩整体协同作用下基础极限承载状态的数值仿真分析。首先建立基础整体有限元数值模型,通过现场足尺基桩抗拔承载力测试数据对模型参数进行验证；然后分析荷载类型、基桩压拔承载力差异等因素对整体协调作用的影响,并据此拟定仿真方案；分别对不同仿真方案的基础极限承载状态进行计算,分析荷载传递、分配和整体协同作用,揭示群桩中基桩极限承载性能与群桩基础整体极限承载性能的关系；最后根据分析成果提出了高桩混凝土承台群桩基础承载力控制标准的建议。

1 有限元模型与现场承载力试验验证

1.1 工程概况与地基基础参数

上海东海大桥海上风电示范项目位于上海市洋山海域东海大桥东侧,离岸距离8～13 km,平均水深12 m,安装34台单机容量3.0 MW的风电机组。场地地基为深厚软土地基,风电机组下部支撑结构及基础采用高承台群桩基础,基础结构布置如图2所示。混凝土承台直径14 m,设置8根直径1.70 m、斜度5.5∶1、壁厚30～22 mm的钢管基桩,基桩入土深度65 m。承台顶部通过一个直径4.5 m,厚度60 mm的过渡段钢筒与风电机组塔筒连接。上部风电机组传递到基础顶部的力矩12×104kN·m,竖向力3 500 kN,水平力2 000 kN。作用在承台上的最大波浪水流力4 000 kN。海床地基各土层及主要力学参数见表1。

图2 东海大桥海上风电场风电机组基础结构布置(单位：m)

表1 东海大桥海上风电场海床地基数据

1.2 有限元模型

有限元模型包括承台、基桩、过渡段和桩周土体,分析目标是整体协同作用下地基基础承载特性,仅关注地基、地基与结构相互作用的承载极限状态,不考虑结构承载极限状态。对承台、基桩和过渡段结构分别采用厚板和管梁单元,结构材料按线弹性考虑。基桩和桩周土体相互作用是本分析模型的核心,为突出分析重点,避免复杂土体本构模型、桩土接触等复杂参数和边界对分析的干扰,本仿真模型采用海洋平台桩基分析中常用的t-z、q-z和p-y曲线模型分别模拟桩周轴向、桩端和侧向桩土相互作用,如图3所示。该力学模型是在轴周设置一系列离散非线性弹簧模拟桩土相互作用,以弹簧刚度曲线来描述桩土相互作用下的荷载-变形关系。3条曲线的具体表达式见API规范[9]。采用ANSYS软件建立了上海东海大桥海上风电场高承台群桩基础整体有限元模型如图4所示。

图3 桩土相互作用模型

图4 基础整体有限元模型

1.3 基桩抗拔有限元模型现场承载力试验验证

在工程现场采用锚桩反力法完成了一根足尺基桩抗拔承载力测试,得到桩顶荷载和位移关系曲线。为了验证后续分析参数的合理性,首先对单桩抗拔数值分析结果与现场承载测试结果进行对比验证。数值分析和现场测试的桩顶拔力q和上拔位移s曲线如图5所示。数值分析结果表明,当q达到9 400 kN时q-s曲线斜率出现突变,计算不收敛,此时桩基达到了抗拔承载极限状态,该计算结果与现场承载力测试所得的9 600 kN抗拔极限承载力非常接近。虽然在8 000～9 600 kN上拔力区间,数值模拟和实测位移数值有一定的偏差,数值计算小于实测值,这种差别是由于在该荷载区间内试验加载步只有一步,直接从8 000 kN增加到了9 600 kN,没有采用更小的荷载增量来详细测量该荷载区间内的位移变化,而数值模拟通过细分加载增量更准确了模拟了该荷载区间内荷载-位移变化过程。

图5 单桩受拔数值分析与现场实测对比

2 数值分析方案

首先需要确定一个合理反映基础整体承载性能的指标。承台在大偏心倾覆力矩作用下的整体倾斜可以合理反映基础整体受力变形的状态,因此选择承台中心转角θ与基础所承受的外力矩M的比值λ=θ/M作为代表基础整体承载性能的指标,λ即θ～M曲线的斜率,λ值增大意味着结构整体承载性能降低,当θ～M曲线出现明显拐点时,表示基础整体承载性能达到极限状态,取相应的力矩为基础极限承载力Mmax。

基础受力方式是影响承载特性的重要因素。根据风电机组基础受力特点,选择纯弯、压-弯和压-弯-侧向水平力三种受力状态进行模拟,逐级加载至整体极限承载状态。为了分析基桩轴向拔力和基础整体承载性能随荷载的变化规律,定义几个特征力矩指标如下：随着力矩的增加当首根(批次)基桩上拔力达到其抗拔承载力极限的0.5倍(即抗拔承载力特征)时相应的力矩为Mt0；首根(批次)基桩上拔力达到其抗拔承载力极限值时相应的力矩为Mt1,第2根(批次)为Mt2,依次类推。通过Mmax与上述各种特征力矩的对比,可以分析基桩轴向受拔和承载性状与基础整体承载性状的关系。定义K0=Mmax/Mt0和K1=Mmax/Mt1分别表示以基桩最大拔力不超过受拔承载力特征值和极限值作为设计控制指标时相应的基础整体极限承载安全系数,K1代表基础整体协同作用的发挥程度,K1=1表示单根基桩达到极限抗拔拔承载力的同时基础整体即丧失承载能力,K1>1意味着存在整体协同作用,其数值越大表示整体协同作用越强。

整体协同作用显然与基桩的抗压承载性能高于抗拔承载性能直接相关,压、拔承载特性的差异导致在部分基桩达到抗拔极限后,通过荷载的调整分配可以由抗压基桩继续发挥承载作用。为此通过改变基桩的抗压抗拔承载性能的比值,分析抗压抗拔承载力差异程度对整体协同作用的影响。

3 计算结果及分析

3.1 不同加载方式结果

3.1.1 纯弯加载(工况1)

在绕Y轴的力矩作用下,1号和5号基桩位于主弯平面内,分别承受最大压力和拔力。各基桩和承台变形随力矩变化曲线如图6所示。随着力矩的增加,5号基桩轴力首先分别达到抗拔承载力特征值和极限值,对应的Mt0和Mt1分别为13×104、27×104kN·m。在Mt1点,θ-M关系曲线斜率没有发生改变,维持在2.6×10-8rad/(kN·m),这表明5号基桩到达抗拔极限状态并没有对基础整体承载性状产生影响。随后增加的荷载很快转移到4号和6号基桩,当力矩增加到Mt2=32×104kN·m时,4号和6号基桩达到抗拔承载力极限值,对应的θ-M曲线的斜率增加到4.97×10-8rad/(kN·m),表明三根基桩达到极限状态导致基础整体承载性能发生了较大改变,但此时受压桩的轴力尚未达到极限状态。当Mt3=41×104kN·m时,3号和7号基桩达到抗拔承载极限状态,此时θ-M曲线出现明显上拐,其斜率增加到2.8×10-7rad/(kN·m),基础整体达到承载极限状态。当Mmax=41×104kN·m时,1号基桩轴力为-19 880 kN,未达到抗压承载极限状态。据此求得K0=3.15、K1=1.52。上述分析结果表明在纯受弯加载状态下,基础丧失整体承载能力是由受拉侧的3号～7号共5根基桩达到抗拔承载力极限导致的,此时基桩抗压承载能力并没有得到完全发挥。

图6 纯力矩作用下力矩-基桩轴力-承台转角关系曲线

3.1.2 弯-压加载(工况2)

风电机组基础承受的主要竖向荷载为机组、塔架和基础结构的自重恒载,竖向荷载为23 500 kN。在竖向恒载和力矩共同作用下,各基桩和承台变形随力矩变化情况如图7所示。当力矩达到Mt0=20×104kN·m和Mt1=35×104kN·m时,5号基桩先后达到抗拔承载力特征值和极限值,在这个过程中,θ-M曲线斜率保持为2.1×10-8rad/(kN·m),随后当Mt2=42×104kN·m时,4号和6号基桩达到抗拔极限状态,θ-M曲线斜率增大到7.0×10-8rad/ (kN·m),此时受压基桩仍未达到极限状态,基础继续保持整体承载能力,但是3号、7号基桩上拔力呈现急剧增长,此后θ-M曲线与纯弯加载相比呈现较缓变的形态,在力矩等于50×104kN·m时,产生一个小幅上拐点,取该力矩为基础整体极限承载力Mmax=50×104kN·m,此时3号、7号受拔基桩和1号、2号、8号受压基桩虽然都未到达极限承载状态,但是轴力都出现较大增长。该加载状态下,K0=2.50、K1=1.43,基础达到整体极限承载状态时,4号～6号共3根基桩达到抗拔承载极限,其余基桩未达到承载力极限状态。

图7 弯-压作用下的力矩-基桩轴力-承台转角关系曲线

3.1.3 弯-压-侧向加载(工况3)

设计控制工况的水平侧向荷载为6 000 kN,力矩为12×104kN·m,这两个荷载属于相关性较大的荷载,因此在弯-压-水平侧向加载中,按设计控制工况力矩和侧向荷载比值0.05控制不同加载步的力矩和侧向力。竖向受压荷载为自重恒载,取为23 500 kN。弯-压-水平侧向加载下基桩和承台变形随力矩变化关系如图8所示。由于侧向荷载的作用,与纯弯和弯-压加载工况相比,弯-压-水平侧向加载下基桩更快到达抗拔极限状态。当力矩达到Mt0=12×104kN·m和Mt1=20×104kN·m时,5号基桩先后达到抗拔承载力特征值和极限值,在这个过程中θ-M曲线保持线性增长,斜率为1.60×10-8rad/(kN·m),当Mt2=24×104kN·m时,4号和6号基桩达到抗拔极限状态,此时受压基桩仍然具有很大的承压能力,但是θ-M曲线开始呈现缓慢上拐状态,此后3号、7号基桩上拔力呈现急剧增长,θ-M曲线也明显上拐,当力矩达到29×104kN·m时出现比较明显的拐点,斜率增加到5.1×10-7rad/(kN·m),基础整体达到极限承载状态,取Mmax=29×104kN·m。此时3号、7号受拔基桩和1号、2号、8号受压基桩轴力都未达到极限值,但是轴力都出现较大增长。该加载状态下,K0=2.42、K1=1.45。与承受弯-压加载类似,弯-压-侧向加载状态下基础整体丧失极限承载能力是由受拉侧4号～6号共3根基桩达到抗拔承载极限,其余基桩皆未承载力极限状态所导致的,但是由于水平推力的作用,极限承载力矩Mmax明显小于弯-压加载状态。

图8 弯-压-侧向作用下的荷载-基桩轴力-承台转角关系曲线

3.2 基桩抗压抗拔承载力比值的影响

保持基桩抗拔侧阻值不变,分别将抗压侧阻和端阻在表1的基础上增加1.25倍(工况4)和1.50倍(工况5)进行弯-压-侧向加载,计算结果显示基桩压拔承载力比值加大以后,极限力矩Mmax由工况3的29×104kN·m增加到31×104kN·m,这是由于受压基桩抗压承载力增大以后对维持抗拔基桩极限状态协同作用的增加引起的。由于基桩抗压性能的提高,在基础丧失整体极限承载能力前,3号和7号基桩可以进一步承受荷载达到抗拔极限状态。但是4号～6号受拔基桩的Mt1、Mt2并不会随着基桩压拔承载力比值的增加而变化。同时可以发现,在工况4和工况5两种不同压拔承载力比值下Mmax均为31×104kN·m,这是由于当基桩的压拔承载力比值达到一定程度后,受压基桩在基础丧失整体极限承载力的时候并不能充分发挥其抗压承载力所致。压拔承载力比值相对表1数值为1.00、1.25和1.50倍时对应的K分别为K0=2.42、2.58、2.58,K1=1.45、1.55、1.55,计算结果显示,在一定的压拔承载力比值范围内,K0、K1随着基桩压拔承载力比值的增加而增加,这表明加大基桩的抗压承载性能有助于整体协同作用的发挥。

3.3 成果汇总分析

各种计算工况下基础整体安全系数汇总如表2所示,K0均大于2.0,K1均大于1.0,这表明基桩轴力首先达到抗拔承载特征值时,基础结构整体承载安全系数大于2.0；基桩首先达到抗拔承载极限值并不会导致基础整体承载性能的丧失,且仍具备较大的安全储备。对于承载性状最不利的工况3,如果按基桩轴力达到抗拔承载特征值作为设计控制标准,则基础整体极限承载安全系数为2.42,即使按基桩达到抗拔承载极限值作为设计控制标准,其整体极限承载安全系数仍达到了1.45。

表2 各工况下基础整体安全系数分析成果汇总

由表2可知：①加载方式影响。对于以力矩为主导荷载的海上风电机组基础,随着力矩的增加基桩首先到达抗拔承载极限状态,但是不同加载方式对基础整体承载特性有显著影响。弯-压状态下整体极限承载力矩Mmax最大,弯-压-侧向水平加载状态下最小,这是由于侧向水平力相对于受压基桩而言,更倾向于弱化基桩的抗拔承载能力。三种不同加载方式下,K0均大于2.4,K1均大于1.40,这表明基桩首先达到抗拔承载极限值不会导致结构丧失整体承载能力且尚有不低于40%的安全裕量,而基桩首先达到抗拔承载特征值的时候,基础整体极限承载安全系数大于2.4。②基桩抗压和抗拔承载力比值的影响。工况3、4、5是基桩在不同压拔承载力比值条件下的计算结果,可以发现,基桩压拔承载力比值的增加有助于提高基础整体承载性能,但是工况4、5与工况3相比,极限承载力增加的幅度远小于压拔承载力比值增加的幅度,且工况4、5的Mmax相同,这是由于在基桩压拔承载比值达到一定程度后,基础整体承载能力是由受拔基桩的破坏控制的。

4 基础整体承载力设计控制标准

当前地基基础设计规范通常采用地基基础所承受的荷载标准值不大于地基基础极限承载力的0.5倍(即承载力特征值)来控制基础承载性能满足2.0的安全系数。依据该设计原则,如果取0.5Mmax所对应的基桩拔力作为承载力特征值Ra,以基桩所承受的最大拔力不大于Ra作为承载力控制标准,则基础极限承载力具有2.0的安全系数。各计算工况对应的Mmax、Ra和基桩极限抗拔承载力Rm见表3。结果表明,Ra/Rm的值均大于0.50,意味着如果按常规设计控制标准以Ra=0.5Rm作为承载力特征值进行设计时,基础整体极限承载安全系数大于2.0的。对于最接近实际受力状况的工况3,取Ra=0.67Rm作为基桩抗拔极限承载力特征值,即可确保基础整体极限承载安全系数达到2.0。

表3 基桩抗拔允许承载力与极限承载力

5 结论与建议

通过对上海东海大桥海上风电示范项目风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载性能的数值模拟,研究了不同加载方式和基桩压抗承载力比值的基桩和基础整体承载性能的关系,分析了基桩整体协同作用对整体承载力的影响,得到结论与建议如下：

(1)海上风电机组基础荷载的大偏心力矩特性,导致群桩基础基桩轴力极端不均匀；同时基桩抗压承载力通常高于抗拔承载力。因此基桩极限承载状态不能合理代表基础整体极限承载状态,在承载力设计中,宜采用整体分析模型来合理分析受压和受拔基桩协同作用下的基础承载性能。

(2)由于基桩抗压承载力高于抗拔承载力,当受拔基桩首先达到抗拔极限承载状态时,在受压基桩的协同作用下,基础整体承载性能并不会显著降低,不会导致基础结构立即丧失整体承载力,基础表现出明显的整体协同承载作用。荷载偏心程度越大,基桩承压性能越强,整体协同作用越显著。

(3)对于海上风电机组高承台群桩基础,按常规设计规范以基桩承受的最大上拔力不大于抗拔承载力极限值的1/2倍控制基础承载力设计时,基础整体极限承载安全系数大于2.0。在本文所计算的最不利工况中(工况3),这种设计控制原则对应的整体承载安全系数达到了2.42。

(4)如果按安全系数2.0控制基础整体极限承载力设计,基桩抗拔承载力特征值Ra可以取为大于0.5Rm的值。在本文所计算的最不利工况中,可以取为0.67Rm。这种合理考虑大偏心作用下整体协同作用的基础承载力设计控制方法,可以在确保基础承载力安全储备满足现有规范规定的2.0安全技术的条件下,比常规设计方法减少桩基础工程量,优化基础设计。

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(责任编辑王琪)

Ultimate Capacity Behavior of High-rise Cap with Multiple Piles Foundation for Offshore Wind Turbine Generator

LIN Yifeng, ZHOU Xuan, HUANG Jun, JIANG Juan, LE Zhiji

(Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

The high-rise cap with multiple piles foundation for offshore wind turbine generator is first devised and widely employed in China. An integrated numerical simulation model for global foundation is established, in which thet-z,q-zandp-ycurve models are used to simulate pile-soil interaction. A curve described the relationship between cap rotation angleθand momentMis introduced to represent the global foundation capacity behavior. The numerical model is validated by field testing of single pile pulling. Based on the foundation for wind turbine in Shanghai Donghai Bridge Offshore Wind Farm Demonstration Project, the numerical simulation is carried out to study the ultimate capacity behavior for various loading type and ratio of compressive to pulling capacity. The loading transfer and distribution mechanism, integrated cooperation effect as well as the relationship of ultimate capacity behavior between single pile and global foundation are analyzed respectively. A design criterion for pulling foundation pile is also proposed herein．

offshore wind turbine generator; high-rise cap with multiple piles foundation; foundation pile ultimate capacity; integrated cooperation