加翼桩水平承载力计算方法研究

加翼桩作为海上风电基础的新型结构,目前相关研究甚少。基于ABAQUS三维数值仿真模型,对比分析了海上风电大直径单桩与加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、泥面处桩基倾斜率、极限承载力以及破坏模式等水平承载性能。研究了大直径单桩和加翼桩桩身与翼板土压力分布,基于计算结果和桩土作用机理,参考现行规范中P-Y曲线模式,对相关系数进行修正,提出软黏土地基大直径单桩P-Y曲线。根据加翼桩翼板面积、形状、刚度和埋深等翼板参数对加翼桩水平承载性能影响的研究成果,提出基于大直径单桩承载力的软黏土地基大直径加翼桩极限承载力经验式和加翼桩翼板参数影响系数的计算式,为加翼桩的研究和运用提供了技术支撑。     

对称布置翼板加翼桩的水平承载性能分析

影响加翼桩水平承载性能的因素众多,其中翼板数量、荷载方向与翼板夹角是主要影响因素。采用ABAQUS有限元计算软件研究了软黏土地基中桩径为5.0 m,对称布置二、三和四翼板的加翼桩在不同荷载作用方向时桩身泥面水平位移、桩身倾斜率、桩身内力、桩身应力和极限承载力等的变化。通过与相同条件单桩的承载特性对比,分析了加翼桩水平承载性能提升幅度,明确了翼板通过同时或交替承担底面端承力、侧面摩擦阻力、水平土抗力和增加桩身抗弯刚度以提高其水平承载性能的机理,拟合了对称布置二、三和四翼板加翼桩水平极限承载力随荷载作用方向变化的计算式,对加翼桩极限承载力控制条件进行了对比分析。     

翼板刚度与埋深对加翼桩水平承载性能影响分析

采用ＡＢＡＱＵＳ构建加翼桩三维数值仿真模型，研究翼板刚度和翼板埋深对加翼桩桩身位移、桩 身弯矩、桩身应力以及极限承载力的影响。研究结果表明:翼板刚度对加翼桩泥面处水平位移和桩身弯 矩影响不大，对桩身最大应力和桩身与翼板连接处应力影响较大，当翼板刚度明显大于桩身刚度时，极 限承载力受翼板与基桩连接处最大应力控制，相对刚度1．0～2．0为合理翼板与桩身刚度比；埋深对加 翼桩泥面处水平位移影响较小，对桩身弯矩、应力影响较大，加翼桩水平极限承载力随着翼板埋深Ｚ的 增大而先增大后减小，0．2Ｄ左右时最大。     

海上大直径钢管桩水平向桩土界面参数试桩分析

为了研究海上大直径钢管桩水平向承载机理与桩土作用关系,基于海上大直径钢管桩水平向静载试验成果数据,运用 API 规范建议的 p － y 曲线方法,结合有限差分解法,对海上大直径钢管桩水平承载特性及桩土界面参数分析计算方法进行研究。结果表明,地基上部土层的性状是影响基桩水平承载性能的主要因素; 采用土体参数范围值计算的基桩水平承载性能基本可以反映土体的真实性状。按照 API 规范给出的 p － y 曲线模式计算得到的桩身挠度和弯矩与试桩测试数据存在一定的拟合关系,拟合优度在 0. 891 ～ 0. 932 之间,其中黏性土的拟合优度整体上大于无黏土,浅层黏性土的拟合优度大于深层黏性土。在 0 ～ 20 mm 水平位移下,桩侧土体处于线弹性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均大于测试值,说明此时 p － y 曲线法低估了土体性能; 在大于 20 mm 的水平位移下,桩侧土体处于非线性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均小于测试值,表明此时 p － y 曲线法高估了土体性能。研究成果可为进一步深入分析海上大直径钢管桩水平向承载性状和桩土的相互作用机理提供参考。     

基于现场试验的海上风电大直径单桩三维水平承载力研究

p－y 曲线法是计算分析水平受荷桩常采用的方法。但现场多为 3 m 以内直径试桩,对于海上风电大直径单桩( 4～8 m) 结构的桩土相互作用计算分析,其适用性值得商榷。结合江苏某海上风电大直径钢管桩水平静载荷试验,得到桩身挠度曲线和弯矩曲线; 采用 ABAQUS 建立单桩三维数值模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,并对桩土接触法向刚度进行初步的敏感性分析,验证数值模型的有效性和适用性。随后对大直径单桩进行水平静载数值模拟,与规范推荐的 p－y 曲线法计算结果进行对比,结果表明,规范推荐的 p－y 曲线法过于保守,规范推荐的 p－y 曲线法不适于直接应用在大直径钢管桩的水平承载力分析; 所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩设计优化具有指导意义。     

基于现场试验的海上风电大直径单桩三维水平承载力研究

p-y曲线法是计算分析水平受荷桩常采用的方法。但现场多为3 m以内直径试桩,对于海上风电大直径单桩(4～8 m)结构的桩土相互作用计算分析,其适用性值得商榷。结合江苏某海上风电大直径钢管桩水平静载荷试验,得到桩身挠度曲线和弯矩曲线;采用ABAQUS建立单桩三维数值模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,并对桩土接触法向刚度进行初步的敏感性分析,验证数值模型的有效性和适用性。随后对大直径单桩进行水平静载数值模拟,与规范推荐的p-y曲线法计算结果进行对比,结果表明,规范推荐的p-y曲线法过于保守,规范推荐的p-y曲线法不适于直接应用在大直径钢管桩的水平承载力分析;所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩设计优化具有指导意义。     

海上风电机组高承台群桩基础整体协同作用下极限承载特性分析

高承台群桩基础是我国首次提出并获得广泛应用的新型海上风电机组基础结构型式。建立了高承台群桩基础数值模型,通过t-z、q-z和p-y曲线模拟桩土相互作用,以承台转角θ与力矩M关系曲线代表基础整体承载状态,采用基桩现场抗拔承载力测试数据对数值模型进行了验证。并基于上海东海大桥海上风电场示范工程风电机组基础结构,对不同加载方式、压拔承载力比值的基础进行了极限承载性能数值模拟,分析了基础的荷载传递、分配和整体协同作用,揭示了群桩中基桩极限承载性能与群桩基础整体极限承载性能的关系,提出了海上风电机组高桩混凝土承台群桩基础承载力控制标准的建议。     

离岸深水全直桩码头水平承载力简化计算

全直桩码头是一种适用于离岸深水海域的新型高桩码头结构型式,其破坏模式与传统高桩码头结构存在较大差异。通过有限元法研究了水平荷载作用下离岸深水全直桩码头结构破坏模式、桩侧土压力及桩身弯矩分布,并验算了规范中m法、P-Y曲线法和NL法的适用性。研究结果表明,水平荷载作用下,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,且结构失稳时桩身最大弯矩达极限弯矩值,在此基础上,结合简化计算方法计算了结构水平极限承载力。通过对比可知,基于m法的简化方法在小位移时与有限元法吻合较好,基于P-Y曲线法和NL法的简化方法在各种位移条件下与有限元法均吻合较好,且通过桩身极限弯矩与设计荷载作用下桩身最大弯矩之比计算结构安全系数的简化方法是合理的。     

海上风电大直径钢管桩抗拔承载特性试验分析

结合江苏某海上风电大直径钢管桩抗拔静载荷试验,对两根试桩的荷载—位移曲线、位移—时间曲线、桩身轴力及桩身单位侧摩阻力分布曲线进行了分析,揭示了海上风电大直径钢管桩的抗拔受力特性和荷载传递机理。所得结论对该区域海上风电大直径钢管桩抗拔设计优化具有指导意义。     

海上风机基础大直径加翼单桩常重力模型试验数值仿真

海上风机大直径单桩基础承受风、浪、流等水平荷载作用,提高其水平承载性能非常重要.针对一种通过在近地表桩体上设置稳定翼板以充分调动浅层土抗力的海上风机大直径加翼单桩基础,进行了常重力模型试验的数值仿真.数值仿真采用ABAQUS有限元软件结合Mohr Coulomb模型,按钢管桩不同外径、壁厚、埋入深度,加载高度和加载方向,共进行9组试验.数值仿真结果与模型试验结果进行对比,均得出翼板长度或宽度的增加将引起所调动的浅层桩前土的土抗力范围增加,承载力提高,水平位移降低;翼板埋深增加,所调动的浅层土范围减少,承载力降低;这验证了数值仿真的合理性.进而借助数值仿真结果对桩、土受力特征进行了观察和分析,从数值仿真角度进一步验证了设置稳定翼能够显著提高浅层土抗力,提高单桩水平承载性能.     

海上风电大直径单桩基础灌浆连接段轴向静载荷试验

灌浆连接段是海上风机大直径单桩基础的重要组成部分,其承载性能直接影响到基础稳定性。借助模型试验手段,以海上风机大直径单桩基础灌浆连接段为研究对象,针对灌浆连接段长度、剪力键设置、灌浆连接段形状等设计参数,确定"较短无剪力键"、"较短有剪力键"、"较长有剪力键"、"锥形有剪力键"4种模型试件,开展了轴向静载荷作用下的模型试验,研究了各设计参数对于灌浆连接段承载性能的影响。结果显示:在轴向静荷载作用下,锥形有剪力键试件承载力最优,较长有剪力键试件次之,较短无剪力键试件最差。证明了剪力键设置以及灌浆连接段的锥形构造对于提高大直径单桩灌浆连接段轴向承载性能的作用,为实际工程设计提供了技术参考。     

海上大直径单桩基础p-y曲线修正

海上风力发电作为一种具有前景的可再生能源,目前的增长十分迅速。超大直径钢管桩是目前海上风机结构的最常用基础型式,API规范建议的p-y曲线法是目前评价钢管桩水平承载能力的主要方法,但其对大直径桩基的适用性有待探讨。本文通过开展系列三轴CU试验标定了等向硬化模型中的各个参数,并通过与实测土体应力-应变曲线的对比验证了建立的等向硬化模型的可靠性。基于该模型采用三维有限元方法分析了黏土中大直径桩基的水平受荷特性,结果发现规范方法低估了大直径刚性桩p-y曲线的初始刚度和土体极限抗力,因此考虑土体强度不均匀性、桩土间粗糙度及桩径效应的影响,对极限土抗力pult和桩体变形参数yc进行了修正,提出了大直径刚性桩修正p-y曲线计算方法。基于现有离心模型试验验证了所提方法的合理性,为海上风机大直径单桩水平承载力计算提供了参考。     

单桩竖向抗拔承载力离心模型试验研究

结合某海上风电场桩基工程中的大直径超长钢管桩抗拔承载力研究,利用离心模拟技术,初步推求得出荷载-位移的关系曲线(即Q-S曲线),并与现场抗拔试验成果得出的Q-S曲线进行了比较,分析两者加载方式和加载速率的不同对Q-S曲线的影响。结果发现,上拔力的加载速率较快,求得的单桩抗拔极限承载力偏高。     

风载荷对单柱式海上风力机船舶碰撞影响研究

随着海上风能的开发与利用,船舶与海上风力机的碰撞风险正逐渐上升。为此采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟速度为2m/s质量为5000 t的船舶与3 MN单柱式海上风力机碰撞过程,研究有、无风载荷及风载荷作用方向对风力机结构动力响应影响,对比分析了碰撞力、塔顶位移、塔顶加速度以及撞击处塔架等效塑性应变。其结果表明:风载荷对风力机船舶碰撞动力响应影响很大,碰撞力相对差异约为1%,塔顶位移相对差异约为10.9%,塔顶加速度相对差异约为17.5%,撞击处等效塑性应变相对差异约为3.05%;海上风力机船舶碰撞动力响应在不同风载荷作用方向上有着很大的差异,不同风载荷作用方向上最大与最小的碰撞力、塔顶位移、塔顶加速度以及撞击处等效塑性应变相对差异分别为28.5%、57%、62.5%以及9.5%;塔架纵向摆动随着风载荷的作用方向产生很大变化,最大值为0.505 m,最小值为0.0393 m。研究结果可为海上风力机抗碰撞防护性能研究及设计提供理论参考。     

上拔力-水平力-扭矩组合荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩广泛应用于桥梁、水上钻井平台及风力发电基础等工程中,其承载特性十分复杂。为揭示上拔力-水平力-扭矩共同作用下斜桩单桩的承载特性,利用自主设计制作的加载设备,在砂土地基中开展了4根斜桩室内模型试验,研究了桩身倾角、上拔及水平荷载对受扭斜桩桩顶水平位移、扭转角及桩身扭矩、弯矩的影响。试验结果表明：斜桩水平承载力随桩身倾角的增大而增大;倾角及上拔荷载的增大均会导致斜桩极限扭转承载力的减小;斜桩最大弯矩受到桩身倾斜角度及桩顶上拔荷载的影响,随其增加而增加;组合荷载作用下的斜桩存在有效荷载传递深度。     

超静孔隙水压力影响的海上风机桩基承载力高应变检测方法研究

海上风机大多采用桩基,单桩承载力是评价桩基设计和施工质量的重要参数。高应变法是目前常用的单桩承载力检测方法,为获取桩基承载力最终值,通常需在沉桩后达到休止时间方可进行复打测试。受施工条件和成本的限制,海上风机桩基进行复打测试难度较大,一般条件下无法完成。本文通过计算沉桩时的超静孔隙水压力,结合沉桩时桩基承载力的高应变检测值,分析超静孔隙水压力完全消散后的桩基承载力,并通过现场试验验证了该法的合理性,且在实际工程中得到了应用,可为类似工程的桩基设计及检测提供参考。     

基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析

海上风机所处环境复杂,在风、波浪等随机动载作用下易发生共振破坏。为研究采用桩筒复合基础海上风机的振动特性,选择合理的基础设计参数,利用有限元软件ABAQUS进行海上风机整体建模,采用Block Lanczos方法进行模态分析,同时将所得自振频率与外荷载频率进行对比研究,并分析不同基础形式与不同基础约束条件下的风机整体振动特性。研究发现:前2阶水平弯曲频率与第3阶扭转频率为判断风机整体共振的主要频率;与单桩基础相比,桩筒复合基础能够有效增加风机抵抗水平荷载的能力,且在该设计参数条件下风机能够避免共振的发生;在基础设计时,应考虑桩土相互作用(PSI)的影响。     

Monopile responses to monotonic and cyclic loading in undrained sand using 3D FE with SANISAND-MSu

Monopile response under undrained conditions in sand is gaining increasing interests owing to the recent development of offshore wind farms in seismic regions. Pore pressure evolution in liquefiable soil can significantly reduce the strength and stiffness of the soil which in turn affects the structural dynamic response. Several numerical models have been developed in the last two decades to enhance understanding of the mechanism of monopile–soil interaction with the existence of pore water pressure. In this study, the effects of geometry and static vertical load on monopile lateral response were studied using three-dimensional finite element methods that consider the existence of lateral cyclic load-induced pore water pressure. To achieve reliable simulation results of pore pressure development and pile displacement accumulation during cyclic loading, the simple anisotropic sand model with memory surface for undrained cyclic behavior of sand was adopted. For piles with the same diameter, a accumulated pile head displacement during lateral cyclic loading decreased linearly with increasing pile embedded length but increased with increasing eccentricity. Static vertical load had minor effects on pile cyclic lateral response. The distributions of mean effective stress and pore water pressure in the soil domain were presented. The pile reaction curve (cyclic soil reaction against pile defection) of the monopile was extracted. The numerical results aim to provide reference for optimized engineering design procedures.