黄海海域极端荷载下海上风力机结构累积变形及疲劳性状——3种典型基础对比研究

相比于欧洲风电场普遍存在的超固结硬黏土海床,中国海床主要由饱和软土构成,其承载力远低于欧洲风场。因此国外风力机设计无法直接应用于中国海上风电建设。该文以中国黄海软土海床某海上风场的极端荷载、土力学特性为背景,开展考虑桩-土横向循环相互作用的数值模拟,研究并比对单桩、三桩导管架和群桩3种基础支撑的海上风力机结构累积变形及疲劳性状。基于系统数值分析,给出了3种风力机基础的尺寸比选与优化设计参数。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

基于FDEM的大型海上风机嵌岩单桩基础水平承载特性研究

目前对于海上风机大直径嵌岩单桩基础水平受荷性状的研究尚少，且传统数值计算难以考虑岩基海床破碎对基础承载性能的影响，因此其破坏机制尚不明确。针对海上风机大型嵌岩单桩基础水平承载特性精确数值模拟和分析中存在的难题，首先根据海上风场地质勘测数据，采用有限–离散元耦合程序(FDEM)研究岩基海床中风化花岗岩力学特性；然后通过改进FDEM程序中网格重划分与接触检测部分算法，实现桩–岩界面黏聚力单元控制嵌入的功能，基于自主开发的FDEM前处理程序GiD–Y2D，建立大型单桩–岩基海床相互作用的FDEM平面应变模型；最后对桩–岩接触界面破坏模式与嵌岩桩基水平承载力特性进行分析。研究结果表明：岩基海床破坏模式分为受拉破坏阶段与受压破坏阶段，受拉区破坏时单桩水平位移约为1.37×10^-4倍的桩径，局部失效后单位桩长土抗力下降约30%，承载力刚度下降为原来的2/5；受压区破坏时单桩水平位移约为2.17×10^-3倍的桩径，失效后基础达到极限承载力，桩周岩体脆性破坏，单位桩长土抗力迅速下降约62.7%。