基于锚杆体系的重力式海上风电基础结构受力特性分析

92海洋开发与管理2018年S1
基于锚杆体系的重力式海上风电基础结构受力特性分析
朱雯,陈果
(中交上海港湾工程设计研究院有限公司上海200032)
摘要:文章以某风电场项目为背景,应用预应力锚杆对传统重力式海上风电基础结构进行优化,组成一种基于锚杆体系的重力式海上风电基础型式㊂采用A B A Q U S软件对锚杆重力式基础结构进
行受力分析,研究在正常工况和极端工况两种荷载条件下,结构的位移㊁应力变化情况以及地基的破坏形式㊂结果表明,预应力锚杆结构能够有效减小重力式海上风电基础在正常和极端受力工况下的水平位移㊁转角和沉降量,同时改变地基的破坏形式,有效提升结构的整体稳定性,该结构可为今后重力式海上风电基础的应用优化发展提供一定的参考㊂
关键词:海上风电;重力式基础;预应力锚杆;有限元分析
0引言
重力式基础因其较早在欧洲用于海上风电场建设,是一种被认识较早的海上风电基础型式,并且被证实在浅水区域上经济可行[1-2]㊂然而,因重力式海上风电基础的体积及重量随水深加大增加较快,同时对海床地基土承载力要求较高,导致其适用范围较小㊂若能采取相应措施,对传统重力式基础进行优化,合理地改善其受力特性,从而提升重力式基础对水深及环境荷载的适用性,对重力式海上风电基础的发展应用有积极的意义㊂
1有限元模型的建立
1.1基本参数
本文参考某风电场工程的基本资料,利用A B A Q U S有限元软件建立沉箱式重力式风电基础模型,并在此基础上设置预应力锚杆,建立优化后的锚杆重力式风电基础模型㊂
表1为模型的基本材料参数㊂地基土为强风化灰岩,内摩擦角φ=30ʎ,粘聚力C=5K P a,膨胀角ψ=0ʎ㊂考虑到边界效应对土体的影响[3],经试算后确定土体的尺寸,长和宽为120m(5倍基础底板直径),深度为115m(约5倍风机基础高度)㊂在建模分析时假定地基为均匀的一层岩石(图1)(地基因划分网格需要分为两层,均为同一材料)㊂
表1模型主要参数
部件
材质密度/(k g㊃m-3)弹性模量/M P a泊松比基础钢筋混凝土2400300000.2地基土强风化灰岩970(水下)3000.3锚杆钢筋78502000000.3
图1重力式风电基础模型
重力式风电基础模型如图1所示,由底板㊁侧板㊁隔板和中间空心圆筒4部分组成,分为6个仓格,仓格内部抛填块石,圆筒内部回填中粗砂㊂尺寸如下:圆筒高20.6m,外径为5.5m,壁厚0.5m;底板直径为12m,厚0.6m;环形侧板外径与底板相同,高6m,壁厚1m;隔板高6m,厚0.5m㊂在实际工程中,常常由多根锚杆集合在一起形成一个锚杆束,本文将一个锚杆束视为一个整体㊂锚杆束采用圆环形对称分布,插入侧板中,环形直
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径为11.5m ㊂锚杆数量及锚杆环直径的确定参考陆上岩石锚杆风机基础,同时考虑到海上水平荷载及弯矩荷载作用方向的不确定性,共设置32根锚杆束,单个直径为0.6m ,长16m ,伸入侧板中6m ,其余10m 处于地基土中,锚杆与周围土体采用灌浆连接㊂优化后的预应力锚杆基础模型如图2所示
㊂
图2 预应力锚杆重力式风电基础模型
1.2 非线性设置及荷载施加
地基土体的应力㊁应变关系为非线性,选用能够真实模拟该关系的M o h r -C o u l o m b 弹塑性本构
模型[4]
㊂锚杆材料为钢材,其强度远高于土体的强
度,因此假定锚杆为完全弹性材料㊂基础底板与土体的接触采用接触单元进行模拟,切向接触服从C o u l o m b 摩擦定律,
即用摩擦系数表示接触面之间的摩擦特性,摩擦系数取0.6[5]
㊂对于法向作用,
采用硬接触关系中的一种 软化 形式来定义接触面的法向相互作用,即将法向相对位移与法向作用力的关系描述成指数函数的形式㊂
锚固于岩土中的锚杆,由于杆体周围的灌浆体与外界土体的弹性特征并不一致,所以作用于锚杆上的荷载并不是均匀分布的,而是会出现应力集中现象㊂但总的分布趋势是从加载端到锚固段末端
逐渐衰减,呈现近似双曲函数的形态[
6-7
]㊂本文采用三维梁单元模拟锚杆的特性,并用嵌入单元的方法模拟锚杆与土体和侧板之间的接触关系,即使得锚杆与嵌入接触部分同步变形,在文献[8]中验证了本文锚杆模拟方法的合理性㊂
在A B A Q U S 中,
对锚杆施加预应力可以通过降温法来实现㊂降温法通过设置材料的线膨胀系数,对目标单元进行降温,根据软件中温度㊁膨胀系数和预应力三者之间的关系,从而达到施加预应力的目的,所施加的温度根据式(1
)求得T =-N
αE A
(1
)式中:T 为施加的温度;E 为锚杆弹性模量,k P a ;α
为材料的线膨胀系数,1.2ˑ10-5ʎC -1;A 为预应力
锚杆的截面积,m 2;N 为所施加的预应力的大小,k N ㊂
根据陆上岩石锚杆风机基础的张拉力,同时结
合海上风机的特点,对锚杆施加368k N 的预应
力[8]
㊂经计算,对锚杆施加0ħ~-64.5ħ的温
度场㊂
锚杆选用梁单元B 31,
其余部分均为实体单元C 3D 8R ,模型共划分26704个网格,划分网格后的有限元模型如图3所示㊂模型的边界条件为约束地基
土四面的法向自由度,释放其他自由度;约束地基土底面所有自由度㊂将上部荷载(已考虑上部风机㊁波浪及水流荷载)简化为力和弯矩作用加载在基础顶部,风机荷载见表2㊂
图3 优化后的基础有限元模型表2 施加在基础顶部的荷载
荷载水平力F x y
/k N
竖直力F z /k N
弯矩W x y
/(k N ㊃m )扭矩W z
/(k N ㊃m )正常工况593572262296192269极端工况
80129755309986
3063
采用控制变量法,分析在正常工况和极端工况下,优化前后模型的等效应力㊁基底压力㊁沉降㊁水平位移㊁土体塑性变形等响应的变化情况,评估优化效果㊂
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2018年
2 结果分析
2.1 整体变形分析
由表3和表4可以看出,在正常工况下,优化前
后基础转角无明显变化,优化后的基底水平位移约减小47%,最大水平位移约减小15%,
沉降约减小22%,
转角约减小6%㊂当荷载达到极端工况水平时,施加预应力锚杆后,与无锚杆基础相比,水平位移和沉降均明显减小,约24%,基底水平位移减小46%,基础转角减小12.8%㊂说明当上部荷载作用
增大时,预应力锚杆的使用能够有效减小基础的水平位移和转角,并且对于较为坚硬的岩石地基,也能减小地基沉降量,达到优化效果㊂
表3 正常工况荷载作用下结构的响应情况
响应基底水平位移/c m 最大水平位移/c m 地基最大沉降/c m 基础最大转角/(ʎ)优化前0.197.701.800.32优化后
0.10
6.68
1.40
0.30
表4 极端工况荷载作用下结构的响应情况
响应
基底水平位移/c m 最大水平位移/c m 地基最大沉降/c m 基础最大转角/(ʎ)优化前0.3511.872.500.47优化后
0.19
9.04
1.90
0.41
图4 地基等效塑性变形分布(无锚杆)
2.2 土体塑性变形
图4给出了不同工况荷载作用下,结构优化前
地基土体的等效塑性变形㊂为了能直观地显示出结果,在后处理中只取地基部分塑性变形最大的横
断面来说明问题(后文同)㊂在两种工况下,由于弯矩荷载较大,基础向弯矩作用一侧倾斜,筒体弯曲,导致地基土体一侧塑性变形明显㊂此时该侧土体已经处于屈服阶段,最大变形集中在弯矩荷载作用的正方向上,而另一侧土体几乎没有进入屈服状态㊂随着荷载的增大,以基础底部外边缘为界,地基的塑性变形向下延伸,屈服程度显著增大㊂可以看出,在同一深度的水平面和同一竖向轴线上,荷载对地基的作用随着水平距离和深度的增大而减小,塑性变形基本处于地基表面和浅层土体中㊂图5为施加预应力锚杆后,土体的塑性变形情
况㊂预应力锚杆的施加使得地基的整体性
得到提高,在荷载不对称的情况下,土体变形仍然较为对称,均匀分布,两侧土体均进入屈服状态㊂荷载通过锚杆将影响传递到地基更深处,最大变形并不在表面,而是在锚杆作用的某一深度处,破坏模式更接近深层整体滑动破坏的特征㊂随着荷载的增大,塑性变形没有明显增大,地基整体承载能力提高㊂
图5 地基等效塑性变形分布(有锚杆)
2.3 基底附加应力
根据图6显示的基底附加应力结果,可知基础
自重引起的最大基底附加应力为236.5k P a ,出现在侧板作用处㊂施加预应力后最大基底附加应力
为485k P a ,满足地基极限承载能力(600k P a )要求,与无锚杆基础结构的基底应力相比约增加2倍,增大处主要集中在锚杆作用的位置,同时隔板对地基的压力也有所增大㊂说明使用预应力锚杆优化基础结构,增大了基础与地基顶面的接触压力,进而增加了结构的抗滑力和稳定性㊂
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图6 基底附加应力
2.4 基础平均等效应力
由图7和图8可以看出不同工况下,优化前后
基础均存在应力集中现象,最大平均等效应力(以下简称M i s e s 应力)位置无明显变化,均为弯矩作用方向的隔板与筒壁相连接的地方㊂在正常工况下,
无锚杆基础的M i s e s 应力约为25MN ,施加预应力锚杆之后的基础M i s e s 应力约为24.7MN ;当荷载增大,处于极端工作状态下时,无锚杆基础的M i s e s 应力约为34.5MN ,增大约38%,优化后的基础M i s e s 应力约为33.4MN ,增大约34%㊂由此可见,对重力式基础施加预应力锚杆能够减小基础的M i s e s 应力,当荷载增大时,带有预应力锚杆的基础M i s e s 应力增大幅度更小㊂
图7 正常工况下基础等效应力(变形放大10倍
)
图8 极端工况下基础等效应力(变形放大10倍)
本文仅针对一种锚杆分布方式进行数值模拟分析,给出优化后基础应力㊁位移和地基塑性变形的变化趋势,为后续工程中的应用提供一定的参考㊂在实际应用中,可根据具体工程需要,相应调整锚杆束的数量㊁圈数㊁长度和直径,施加不同的预
应力值,以达到更佳的优化效果㊂
3 结论
针对某风电场传统重力式风电基础进行优化,
将预应力锚杆应用其中,组成新型锚杆重力式风电
基础㊂利用有限元软件A B A Q U S ,对优化前后的模型进行数值模拟响应分析,评估优化效果,为今后海上风电重力式结构合理减小基础尺寸和重量,扩大重力式基础的应用范围提供参考㊂通过分析得出以下结论:
(1
)使用预应力锚杆后,基础的基底位移㊁最大水平位移㊁转角和沉降均有减小,优化效果明显㊂
(2
)预应力锚杆的施加提升了地基的整体性,使得荷载向地基深处传递,地基破坏模式由整体剪切破坏变为冲剪破坏;随着荷载的增大,塑性变形没有明显增大,提升了地基土体的承载能力㊂(3
)对锚杆施加预应力后,最大基底附加应力增大,进而结构的抗滑力增大,基础的整体稳定性得到提升㊂参考文献
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