海上风机基础混凝土承台钢套箱在施工过程中的安全性分析

海上风机基础混凝土承台钢套箱在施工过程中的安全性分析徐定山;张章龙
【摘要】通过建立数学模型,对不同工况条件下圆柱形钢套箱的结构受力进行分析计算,尤其是承台混凝土一次性浇注这一工况条件下的计算.针对计算结果,对800 mm厚的封底混凝土进行加强,设计的钢套箱在整个施工过程中能够满足施工安全
性的要求.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2010(000)005
【总页数】8页(P163-170)
【关键词】风机基础;数学模型;混凝土一次性浇注;安全性分析
【作者】徐定山;张章龙
【作者单位】河海大学,江苏南京210098;中交第三航务工程局有限公司宁波分公司,浙江宁波315200;中交第三航务工程局有限公司宁波分公司,浙江宁波315200【正文语种】中文
【中图分类】TU476+.1
1 工程概况
东海大桥近海风电场为中国第一个海上风电场，工程位于上海市东海大桥东部海域，总装机容量102 MW，安装34台华锐风电科技有限公司生产的单机容量3MW
的SL3000离岸型风电机组。

风机基础形式采用高桩混凝土承台，每个风机设置一个基础，每个基础设置8根直径1.70 m的钢管桩，采用5.5:1的斜桩，桩顶高程2.20 m，桩尖高程-78.00 m。

基础分两节，下节为直径14.00 m高度3.00 m的圆柱体，上节为上直径11.00m下直径14.00 m的圆台体。

基础结构底面高程0.50m(国家85高程，下同)，基础封底混凝土底面高程-0.30 m，基础顶面高程5.00 m。

基础混凝土强度等级为C45的高性能海工混凝土。

单个承台混凝土约616 m3，采用搅拌船水上一次性浇注成型。

承台施工采用钢套箱方案[1-2]，钢套箱外围尺度为准14 m。

为了确保承台施工过程中钢套箱的安全，利用法国ROBOT软件建立数学模型对圆形钢套箱在承台施工过程中的结构受力特性进行安全性分析。

2 工况条件
2.1 水文条件
设计高水位2.55 m，设计低水位-2.09 m，流速3.15m/s。

波周期7.76 s，波长74.1 m，波速9.55 m/s，H4%5.06 m，平均波高2.83 m。

波浪以风浪以及风、涌兼具的混合浪为主，本次计算以平均波高2.83m计算波流力。

2.2 计算工况
根据钢套箱的施工方案和在实际施工过程中遇到的各种荷载组合，总结了5种最不利工况。

1）工况1：钢套箱起吊。

结构组成：底板及底板主次梁、上下挑梁及连系杆、拉压杆。

作用荷载：1.3×结构自重。

2）工况2：浇注封底混凝土，但混凝土尚未有强度。

结构组成：底板及底板主次梁、上下挑梁及连系杆、拉压杆、桩。

作用荷载：结构自重、封底混凝土自重、封底混凝土侧压力、静水浮力。

荷载组合：1.2×结构自重+1.5×封底混凝土重力+1.5×封底混凝土侧压力+1.5×波流力+1.5×静水浮力×0.8。

3）工况3：封底混凝土达到强度，割除拉压杆和挑梁。

结构组成：底板及底板主次梁、底板框架梁和桩。

作用荷载：结构自重、封底混凝土自重、静水浮力、水侧压力。

荷载组合：1.2×结构自重+1.5×封底混凝土重力+1.5×波流力+1.5×水侧压力
+1.5×静水浮力。

4）工况4：浇注结构混凝土，但混凝土尚未有强度。

结构组成：封底混凝土、桩和吊架。

作用荷载：结构自重、封底混凝土自重、结构混凝土自重、结构混凝土侧压力、静水浮力、静水侧压力、预埋件。

荷载组合：1.2×自重（钢套箱自重和封底混凝土自重）+1.5×结构混凝土重力
+1.5×结构混凝土侧压力+1.5×波流力+1.5×静水侧压力+1.5×预埋件+1.5×静水浮力
5）工况5：承台浇筑结束，侧板拆卸起吊。

结构组成：侧板和吊架。

作用荷载：1.3×结构自重。

3 计算参数
泥面高程为-22m（已考虑了沉桩后泥面冲刷深度10m）；嵌固点高程为-29m （考虑嵌固深度7.0m）。

封底混凝土为高程-0.3～0.5m，厚度为800mm，承台混凝土一次性浇筑高程从0.5～5.0m(3.5～5.0m为上部圆台)。

4 计算模型
4.1 计算方法
数模分析的对象是外围尺度为准14 m的圆形钢套箱，分析方法为三维有限单元法，分析软件采用法国的ROBOT。

4.2 模型参数
主要构件模型类型及参数详见表3。

表3 主要构件模型参数序号构件名称材料构件尺寸单元类型1 钢套箱底板
钢材厚8mm 板壳2 底板主梁钢材 I28b 梁3 底板次梁钢材 I12.6 梁4
底板加强梁钢材[28[16 5 拉压杆钢材 I16 杆6 钢套箱侧板钢材厚10 mm 板壳梁7 侧板横肋钢材HN300x150和-10x100/-10x150 梁8 侧板竖肋钢材I28b 梁9 封底混凝土混凝土C30 厚800 mm 板壳10 结构混凝土混凝土
C45 厚4 500 mm 板壳11 钢管桩钢材直径1 700mm，厚30 mm 梁12
支撑杆钢材 I14和I28b 杆13 上挑梁钢材HN450x200+10mm加强板杆
14 下挑梁钢材 2[40a 杆15 连系杆钢材 2[28a 杆16 封底混凝土加强槽钢钢材［16 梁17 网格筋钢材Φ20 梁18 环向钢筋钢材Φ16 梁19 封边角钢钢材 L100x10 梁20 纵向封边槽钢钢材 2[32b 梁
5 钢套箱各工况计算
5.1 工况1：起吊
5.1.1 模型
钢套箱起吊时共4个吊点，吊点布置图及有限元模型如图1和图2所示，作用荷
载为自重×1.3，受力构件为底板主、次梁，上下挑梁，连系杆，钢底板，钢侧板，拉压杆。

图1 钢套箱数值模型
图2 吊点布置
5.1.2 上下挑梁和连系杆内力
上下挑梁和连系杆内力如图3～5所示。

其中上下挑梁和连系杆的最大应力为
137.36 MPa，最大应力满足强度要求。

5.1.3 底板梁内力
底板主、次梁内力如图6～8所示。

其中，底板主、次梁的最大应力为143.76 MPa，最大应力满足强度要求。

5.1.4 底板内力
底板应力如图9所示。

其中，底板的最大应力为71.73 MPa，位于底板边缘附近，最大应力满足强度要求。

图3 竖向弯矩（单位：kN·m）
图4 竖向剪力（单位：kN）
图5 应力
图6 竖向弯矩（单位：kN·m）
图7 竖向剪力（单位：kN）
图8 应力
图9 应力
5.1.5 侧板内力
侧板应力如图10所示。

其中，侧板的最大应力为98.84 MPa，位于侧板与箱梁连接处，最大应力满足强度要求。

图10 应力
5.1.6 拉压杆内力
拉压杆最大应力为30.44 MPa，能够满足强度要求。

5.2 工况2：封底混凝土尚未有强度
5.2.1 模型
有限元模型如图11所示，作用荷载为自重、静水浮力×0.8、封底混凝土重力和侧压力。

约束条件包括：箱梁与钢套箱侧壁固接，下挑梁搁置在桩上、桩尖嵌固。

受
力构件包括上下挑梁、连系杆、钢底板主次梁、钢底板、钢侧板、拉压杆以及钢管桩。

图11 钢套箱数值模型
5.2.2 上下挑梁和连系杆内力
上下挑梁和连系杆内力如图12～16所示。

其中，上下挑梁和连系杆的最大应力为622.26MPa，集中位于挑梁拉压杆点和挑梁连系杆点处。

在平均波高的波流力作用下，挑梁的最大应力不满足强度要求。

但考虑实际冲刷量在施工期间1 m左右（计算时取得冲刷量为10 m），因此在实际施工过程中挑梁的强度能够满足受力要求。

图12 竖向弯矩（单位：kN·m）
图13 竖向剪力（单位：kN）
图14 水平向弯矩（单位：kN·m）
图15 水平向剪力（单位：kN）
图16 应力
5.2.3 底板主、次梁内力
底板主、次梁内力如图17～19所示。

其中，底板主、次梁的最大应力为441.43 MPa，均产生在孔口和吊杆点附近，应局部加强。

因此，波流力作用下，钢底板梁可能出现局部塑性变形，但孔口处考虑到施工过程中采用的钢抱箍等局部加固的措施可以使这类应力集中得到很大程度降低，因此对整体结构并无大的影响。

图17 竖向弯矩（单位：kN·m）
图18 竖向剪力（单位：kN）
图19 应力
5.2.4 底板弯矩图
底板应力如图20所示。

其中，底板的最大弯矩为-2.39 kN·m，位于底板开孔孔口
附近。

图20 弯矩
5.2.5 底板内力
底板应力如图21所示。

其中，底板的最大应力为258.17 MPa，位于底板开孔附近，存在明显的应力集中，应需要局部加强，但孔口处考虑到在施工过程中采用的钢抱箍等局部加固的措施，可以使这类应力集中得到很大程度降低，因此对整体结构并无大的影响，总体能够满足强度要求。

图21 应力
5.2.6 底板位移
底板位移如图22所示。

其中，底板的最大竖向位移为-3.6 cm。

图22 位移
5.2.7 侧板内力
侧板应力如图23所示。

其中，侧板的最大应力为470.46 MPa，位于侧板与上桁架梁连接部位，存在局部应力集中现象，侧板的最大应力能够满足强度要求。

图23 应力
5.2.8 侧板位移
侧板位移如图24所示。

其中，侧板的最大水平位移为18.9 cm，位于裙板底部顺流方向。

图24 位移
5.2.9 拉压杆内力
拉压杆最大应力为378.43 MPa，在平均波高的波流力作用下，拉压杆的最大应力不满足强度要求。

因此在实际施工时对拉压杆采取临时加固措施，使拉压杆梁的最大应力能够满足强度要求。

5.3 工况3：封底混凝土达到强度，割除桁架梁和拉压杆
有限元模型如图25所示，作用荷载为自重（包括封底混凝土）、水侧压力及浮力。

图25 钢套箱数值模型
5.3.2 侧板内力
侧板应力如图26所示。

侧板的最大应力为-94.86 MPa，位于封底混凝土顶的侧
板位置，侧板的总体能够满足强度要求。

图26 应力
5.3.3 侧板位移
侧板位移如图27所示。

其中，侧板的最大水平位移为5.1 cm。

图27 位移
5.3.4 封底混凝土板弯矩
底板弯矩如图28所示。

其中，封底混凝土板的最大弯矩为1141.95 kN·m，位于
封底混凝土加强槽钢与桩的焊接位置，存在局部应力集中。

图28 弯矩
5.3.5 封底混凝土板内力
底板内力如图29所示。

其中，封底混凝土板的最大应力为-10.70 MPa，位于封
底混凝土槽钢与桩焊接的部位，存在局部应力集中，封底混凝土板能够满足强度要求。

图29 内力
5.4 工况4：浇筑结构混凝土，但未达到强度
5.4.1 模型
有限元模型如图30所示，作用荷载为自重（包括封底混凝土）、结构层混凝土重力和侧压力、水侧压力及浮力、预埋件重力。

图30 钢套箱数值模型
吊架内力如图31～33所示。

其中吊架的最大应力为14.34MPa，最大应力满足强度要求。

图31 竖向弯矩（单位：kN·m）
图32 竖向剪力（单位：kN）
图33 应力
5.4.3 侧板内力
侧板应力如图34所示。

侧板的最大应力为80.83 MPa，位于封底混凝土顶面的侧板位置，侧板的总体能够满足强度要求。

图34 应力
5.4.4 侧板位移
侧板位移如图35所示。

其中，侧板的最大水平位移为5.1 cm。

图35 位移
5.4.5 封底混凝土板弯矩图
底板应力如图36所示。

其中，封底混凝土板的最大弯矩为1421.15 kN·m，位于封底混凝土加强槽钢与桩的焊接位置。

图36 弯矩
5.4.6 封底混凝土板内力
底板应力如图37所示。

其中，封底混凝土板的最大应力为-13.35 MPa，位于封底混凝土槽钢与桩焊接的部位，封底混凝土板能够满足强度要求。

图37 内力
6 钢套箱计算结果分析
通过各种工况下钢套箱的受力计算，通过对钢套箱局部位置进行补强，尤其在封底混凝土设置加强槽钢和环向筋、网格筋，加强槽钢与桩焊接，加强了封底混凝土的
承载能力和桩、封底混凝土的整体刚度使之能够承受一次性浇筑较大的结构混凝土，钢套箱在整个施工过程中是安全的。

参考文献：
[1]张连江,袁涛.钢套箱在杭州湾跨海大桥工程Ⅶ标段承台施工中的应用[J].中国港
湾建设,2006(6):53-59.
[2] 李康,段壮志,辛文军.模板式钢套箱在水下承台施工中的应用[J].施工技
术,2008(06):377-379.。