基于液化折减p-y曲线的海上风机单桩基础变形计算研究

摘要

近年来，拥有丰富海上风力资源的许多国家，海上风电项目都出现了迅猛发展。海上风电机组的基础在成本中占有较大的比例，并且承担着主要风险，尤其单桩基础更是如此。据不完全统计，国内外现有的风电场基础形式有多种，但其中单桩基座式基础占了大多数。海上风机单桩基础的变形和稳定性研究目前仍较少。由于海上风机受力复杂，在3个方向、6个自由度上均分布有荷载，而现有p-y曲线法是在平面内实现设计，因此需要对工程可行的三维设计方法进行研究；近年来海床波致超孔压计算逐步发展，但波致超孔压对复杂受力条件下单桩基础的影响仍有待研究。对于上述问题，文章采用理论建模及数值分析的方法进行了研究，主要工作与取得的若干认识如下:
　　1)为适应风机倾斜荷载下的计算，文章根据美国石油协会API和我国港口桩基设计规范推荐的p-y曲线法，在非线性土弹簧的假设条件下，将p-y曲线积分以表示土抗力做功，构建广义势能方程，建立适应性较强的数学规划模型对其变形进行计算。利用MATLAB优化工具箱，根据最小势能原理及地基梁模型变形协调条件，将变分问题转化为一个数学规划模型求解。该模型将考虑由倾斜荷载对桩身造成的p-D效应，为桥桩、海洋平台、海上风机单桩基础设计及变形计算提供一种建模分析方法。文章同时讨论了单纯形法、两种拟牛顿法、快速下降法求解模型时的建模方法。
　　2)文章尝试对传统的平面p-y曲线法进行扩展，引入对“土抗力方向”的考虑并建立双向压弯的地基梁模型。通过数学规划模型建立了每个节点5个自由度（x，y，z三个方向的绝对位移，绕x轴转角，绕y轴转角）的计算模型，与常规有限元6自由度梁单元相比，不考虑扭转Mz。该模型可计算出各单元土抗力的大小及方向，分析表明，仅在桩顶受到x,y方向的集中力的比例和所受弯矩比例相同的情况下，土抗力方向可近似地视为在一个平面内。海上风机实际荷载情况十分复杂，作用在桩顶节点的6个自由度上的荷载往往不成比例，桩身所受土抗力不在一个平面上。而传统的桩基设计均是在平面内完成，可能造成一定的误差。因此将传统平面内p-y曲线法进行扩展，考虑桩身的双向压弯及土抗力的方向十分有必要。
　　3)采用cu折剪法根据极端海况下超孔压延深度分布对土抗力进行折减，对可液化土中的地震工况及极端海况进行了试算。结果表明，在极端海况下，波至超孔压造成的桩身变形增加并不显著，相反极端海况的桩顶风浪荷载增加是主要影响因素。但在超孔隙水压力明显发展的地震工况下，在不考虑地震惯性力的情况下，按cu折减法计算的桩基变形明显增加，因此地震工况下应考虑土抗力的降低。文章在计算时尽量采用相近的砂土参数，使算例具有一定的可比性，但模型中假设较多，计算结果可作为参考。

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1绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究技术路线

1.4本文所作工作

2基于数学规划模型求解的p-y曲线法

2.1 地基梁模型

2.2 地基梁变形中的功和能

2.3 变形协调条件

2.4模型整合

2.5用于倾斜受荷桩下考虑p-delta效应的p-y曲线法

2.6关于竖向荷载传递性的讨论

2.7考虑双向压弯时桩的模型改进

2.8小结

3桩基计算模型的求解及验证

3.1数学规划模型求解方法

3.2算例

3.3 小结

4基于折减p-y曲线的海上风机单桩基础变形试算

4.1拟静力法简化物理模型

4.2 正常工况

4.3地震工况

4.4极端海况

4.5小结

5结论与展望

参考文献

附录A：关于土抗力作用点位置的说明

附录B：算例3.2.3.2的模型文件

致谢

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