海上风力发电机多桩承台基础大直径钢管斜桩最优斜率探究

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1、海上风力发电机多桩承台基础大直径钢管斜桩最优斜率探究　　摘要：本文主要针对海上风电机组多桩基础所采用的大直径钢管斜桩斜率的确定问题，利用FDOW软件对承受三向复杂荷载作用下的基础进行计算，分析斜桩倾斜角度（倾斜率）与桩桩基承载能力的关系，同时建立基础--塔筒-风机整体模型，研究了倾斜角度对整体结构动力特性的影响，为海上多桩基础斜桩倾斜角度的确定提供指导。关键词：海上风电多桩基础大直径钢管斜桩倾斜角度桩基承载能力动力特性中图分类号：TU74文献标识码：A1引言海上风机基础结构主要对风机塔架起支撑作用，除了要承受结构本身的自重、风荷载以外，还需承受相当大的波浪/海冰（结冰海域

2、）、海流等水平荷载的作用。对于海上风机基础结构承载力设计，一般结构的竖向承载力均较易满足设计要求，其水平承载力和抗拔承载力往往是设计的主要控制条件。10目前，海上风电基础结构型式主要有重力式基础、单桩基础、多桩基础、重力式基础、三脚架、导管架基础以及浮式基础等。由于桩基础具有高承载力和低沉降的特点，以上基础类型多数采用基桩作为支撑结构。对于海上风力发电机多桩基础，一般采用斜桩型式，斜桩能将上部结构传来的水平力和弯矩转化为轴力，从而使结构受力趋于合理。目前，大量学者和专家对单桩的倾斜程度与桩基承载力关系进行了研究，而对于由斜桩组成的多桩基础应用在需要承受大弯矩的海上风机上的

3、研究成果相对较少。本文以某海域海洋环境及地质参数作为设计条件，针对海上风电机多桩基础所采用的大直径钢管斜桩，总结和分析多桩基础现有研究成果，采用同济启明星软件FDOW（自主开发）对不同倾斜率情况下的斜桩进行基础结构承载力计算，得出多桩基础桩基倾斜率对基础承载力的影响；同时建立桩基--承台--塔筒--风机整体模型，对不同倾斜率情况下整体结构动力模态进行分析，得到斜桩斜率与整体动力特性关系，为类似工程设计提供指导。2桩土相互作用规律10轴向荷载作用下土对桩的作用力主要有桩侧摩阻力和桩端的端阻力，倾斜桩的桩土水平相互作用规律是关于外部荷载作用下，桩和周边土体应力协调变化、桩荷载

4、传递和变形机理的规律，至今还未形成有效理论，也一直是倾斜桩在工程设计和安全评价上的难点。参考国内外规范，目前桩土相互作用所采用的设计方法主要有m法、N-L法、P-Y曲线法三种：m法为一种线弹性地基反力法，假定土体的抗力系数随着深度而线性增加，底面处为0；N-L法为通过试桩试验资料和研究提出的一种非线性计算方法，体现了桩、土的非线性作用，但该方法只能用于弹性桩的计算；P-Y曲线法是复合地基反力法的一种，假定泥面下桩身的变形与作用在桩上的土抗力呈非线性关系，桩在泥面以下的内力和变形可采用P-Y曲线的无量纲迭代法或有限差分法进行计算，该方法在国内桩基规范、国内外石油平台设计规范

5、以及国外海上风电设计规范等中进行了详细论述，FDOW软件能够根据用户要求选择采用m法或者P-Y曲线法。文中分析计算时对桩土作用采用P-Y曲线法。3计算分析3.1计算资料计算采用某海域海洋水文参数以及海洋地质条件作为设计条件，其中海洋水文资料见下表1、表2所示，考虑到桩倾斜程度不同影响桩在各土层的分布长度，不同土层其具体参数存在差异，为排除此干扰因素，故将整个地质参数定义为同一土层，对桩基倾斜度与桩承载力关系进行分析。土层具体参数见表3。基础计算风机选用某厂家3叶片3MW机组，具体荷载资料见表4所示。风机塔筒具体参数见表5，且风电机组转动1P频率范围0.116~0.255H

6、z，叶片转动的3P频率范围为0.348~0.765Hz。10表1设计水位值表2设计要素表3土层参数表4风机荷载资料参数（不含安全系数）表5风机塔筒资料参数（自下向上）多桩承台基础设计采用圆形结构形式，承台底部直径14.0m，顶面直径12.2m，承台总厚度为5.0m（其中底部圆柱段高度3.0m，圆台段高度2.0m），顶部高程+12.50m（国家85高程）。基桩8根直径1.5m的钢管桩，均匀布置在承台底面处，布桩半径为5.2m，具体示意见图1。图1基础体型及各设计水位示意图（水位值为国家85高程）3.2计算软件介绍10本次分析计算采用西北院与同济大学联合自主开发的海上风电机组

7、基础设计软件--FDOW软件。FDOW软件为一款专门用于海上风电机组基础工程领域中结构和地基基础设计与计算分析的工程商业软件。该软件以国内外海上风电基础结构设计以及海洋工程结构物设计相关规程规范为依据编制而成，同时对软件计算结果采用理论解析解答、多种商业软件计算对比（ANSYS、ABAQUS等软件）、网络在线计算以及自编程序计算等进行验证对比分析，对软件结果的可靠性、正确性与合理性进行了验证。通过验证分析，表明该软件对于海上风电机组基础结构设计计算分析具有较高的可靠性和合理性。3.3计算结果分析3.3.1斜桩倾斜角度与基础承载