加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真 Numerical simulation of a new type of large-diameter monopile with wings for offshore wind turbine structure.pdfVIP

第3期 水利水运工程学报 No．3 2012年6月 HYDRo．Sa匝NCEAND日啊、IN陬矾G Jun．2012 加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真 李 炜，郑永明，孙杏建，罗金平，赵生校 (中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014) 摘要：针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题，提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式．通 过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板，充分利用浅层桩前土的抗力，增强了基桩水平承载性能．借 助数值仿真计算结果，采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合，进而求 解单桩水平极限承载力．结果表明，四阶多项式拟合法精度更高；加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩 明显降低，单桩水平极限承载力显著增强，稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响．该结构 形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中，有利于减小相应的材料成本及施工成本． 关键词：海上风电；单桩；稳定翼；水平承载力 中图分类号：TU473．1 文献标志码：A 在海上风电场的建设中，基础结构是莺中之重，主要有以下三方面特点：一是基础结构的成本占总造价 的比例较高；二是结构型式多样(高、低桩承台，多桩导管架，单桩等)；三是所处环境复杂(风、浪、流等动力 循环荷载作用)． 单桩基础通常由单根大直径钢管构成，下部深入土中，提供承载力；中部浸于水中承受波浪、海流、潮汐 等长期循环作用；上部通过连接段与风机塔筒相连．单桩基础是桩承基础结构中最简单的一种形式，也是目 前欧洲海上风电场的主导基础结构型式。1…． 单桩基础主要承受风、浪、流等水平荷载作用，在设计中需要重点考虑其水平承载性能．由于其整体刚度 相对较小(“较柔”)，作为常规控制因素的桩身位移等往往较大，且结构动力响应较大，容易在风、浪、流等动 力荷载的长期作用下产生疲劳损伤甚至失效．如果单纯从加大桩径、壁厚或者采用变桩径等方面来调整桩身 性能，则可能使成本过量增加，且增加沉桩施工难度． 桩的水平承载性能主要由桩的抗弯能力和桩侧土抗力控制，而桩侧土抗力大部分由近地表的浅层土发 挥，鉴于此，本项研究给出了一种加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础型式(已申请专利，以下称为加翼 单桩)．通过在常规单桩近地表范周内设置稳定翼，使浅层土的抗力得到充分发挥，由此对桩身位移、弯矩等 进行控制，提高基桩的水平承载性能，降低基桩在动荷载作用下的动力响应． 本文借助数值模拟的结果，分别采用指数模式、四阶多项式模式对水平荷载与基桩水平位移的关系进行 了拟合，进而求解基桩水平极限承载力H“J． 1 加翼单桩 1．1基本构造 加翼单桩结构布置及细部构造见图1，图中l为单桩；2为稳定翼；3为抛石防护；4为稳定翼内侧(与单 收稿日期：2011一09—22 2．梅上风电基础结构动力响应及疲劳寿命分析(KY201l—02—07—02) 作者简介：李炜(1981一)，男，山东淄博人，高级工程师，博士，主要从事海上风电基础桩土作用及结构疲劳方面的研 究．E—mail：li_w@eeidi．eom 万方数据 第3期 李炜．等：加装稳定翼的海J：风电大直径单桩基础数值仿真 桩连接一侧)；5为稳定翼外侧；6为加强支撑构件；L 为稳定翼长度；W为稳定翼宽度；丘为稳定翼上缘距离 计算泥面深度；0．为减阻角(降低沉桩阻力)；0：为减 缓应力集中坡角(降低应力集中)． 沉桩前，在预计的单桩近地表(海床泥面以下)一 定范围内设置一组(4个)钢板(稳定翼)，以基桩为中 心呈放射状以900夹角布置，长度(L)方向与基桩轴向 平行，宽度(W)方向与基桩轴向垂直，即钢板面法向与 基桩轴线方向正交单桩对冲刷较为敏感，翼板设计时 应考虑冲刷影响 考虑到沉桩过程中稳定翼入土时所受阻力，在稳 定翼与单桩连接处增设加强支撑构件；并对稳定翼先 人泥一侧翼缘进行坡度化处理(设置减阻角0．)；考虑 图1基本构造示意图 到稳定翼上翼缘与单桩连接处会出现应力集中，可在