海上风力机桩-土相互作用模型分析.pdf

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1、第29卷第6期2014年12月中国海洋平台CHINAoFFSHoREPLATFoRMV01．29No．6Dec．，2014文章编号：1001-4500{2014)06-0041—07海上风力机桩一土相互作用模型分析王明超，赵永生，杜炜康，何炎平(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要：以单桩式海上风力机为例，着重研究了模拟桩土相互作用的三种简化模型：分布弹簧模型、底端刚性固定模型以及耦合弹簧模型。基于API规范以及静力学与动力学相似分析其等效基本原理，推导了模型中各参数间的关系。并以N

2、REL一5Mw风机设计了海上风力机的单桩基础，以此建立三种基础简化模型。计算了各简化模型下整个风力机结构的前两阶固有频率，结果表明：各基础简化模型下风力机动力特性相似，可用于模拟真实结构进行动力响应分析。最后，总结了基础简化模型各自的特点扣应用，以及建立模型时需注意的问题。关键词：桩土相互作用；分布弹簧模型；底端剐性固定模型；耦合弹簧模型中图分类号：TU473文献标识码：APreliminaryAnalysisofSoil·。pile。-interactionModelsforOffshoreWindTu

3、rbinesWANGMing—chao，ZHA0Yong—sheng，DUWei—kang，HEYan—ping(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract：Takingthemonopileasexample，threesimplifiedmodels—distributedspringsmodel。apparentfixitymodelandcoupledsp

4、ringsmodel—wereanalysedandderived．AndamonopoilewasdesignedfortheNREL一5MWoffshorewindturbine．Thenaturalfrequencieswerecalculatedforthewindturbinewiththesemodels．It’Sreliabletousethesimplifiedfoundationmodelsfordynamicresponseanalysisofwindturbinesfromthere

5、sults．Finally，thecharacteristicsofthesemodels，theirapplicationsandthemodelingmethodswereconclu—ded．Keywords：soil—pile—interaction；distributedspringsmodel；apparentfixitymodel；COU—piedspringsmodel0引言固定式风力机依靠海底地基支承，并且海底土层结构具有特殊性和复杂性，因此在固定式风力机结构设计时，需要对桩土相互作用的

6、机理进行深入研究。在动力响应分析时，为减少数值仿真分析的计算量，必须探究模拟桩土相互作用的简化模型。以单桩式海上风力机为例，着重介绍桩土相互作用的三种模型：分布弹收稿日期：2013—08—06基金项目：上海交通大学海洋工程国家重点实验室自主研究课题资助(GKZD010056—2)。作者简介：王明超(1989一)，男，硕士研究生。中国海洋平台第29卷第6期簧模型、底端刚性固定模型及耦合弹簧模型，并通过API规范、力学原理对模型进行推导，最后通过Up—Wind项目嘲提供的环境参数，以NREL一5MW风机‘43

7、设计海上风力机的单桩基础，并以此风力机对三种基础简化模型下结构的固有频率进行计算，验证其模拟真实结构进行动力响应分析的有效性。1单桩式海上风力机桩土相互作用简化模型海上风力机主要受风、浪、流等水平载荷的作用，而桩基的轴向承载力一般满足要求，因此桩土相互作用研究的重点为桩基水平承载力。桩土相互作用具有复杂性，如地基土材料性质是非线性的，并且桩基的柔度对桩土相互作用的性状有影响[53等。1．1几个假定采用API(美国石油协会)规范[6]中的P—Y曲线法来模拟地基土的水平承载力，即认为桩基为柔性桩[5]。为简化

8、问题和保证在实际应用中的安全性，假定地基受循环载荷的作用，选取砂土作为海底土层的类型。由于砂土具有相对简单的非线性性质，并且桩基为小位移变形桩，因此可采用线性化的P—y曲线。1．2三种桩土相互作用简化分析模型单桩式风力机结构分析时采用的桩土相互作用模型一般有三种[6-73(如图1所示)。图1(a)是单桩基础的分布弹簧模型。模型将线性化的桩土相互作用关系等效为沿桩基等间距单一分布的弹簧，弹簧垂直于桩基轴线。这种模型本质是将支承桩