（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海上风力发电结构性能分析研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ha n d a n a l y s i so fc a p a b i l i t y o fs t r u c t u r eo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n e c a n did a t e ：p a n gw e n y a n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gx i a o t i a n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n db u i l d i n go f s h i pa n do c e a ns t r u c t u r e s d a t eo fs u b m i s s i o n ： j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 , j 2 t ，； 作者( 签字) ：胚岔巧 日期： 驴d 年弓月0 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 盈丕弓 日期：如f o 年弓月o 日 导师( 签字) ：王日耋长 2 0 ，0 年岁月，0 日 r。0 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 摘要 海上风电结构设计是海上风电整体设计的主要组成部分。海上风电结构 的设计是一个复杂的系统工程，涉及到海洋环境、海洋结构物设计、近海桩 基工程、基础与地基相互作用等多个方面。我国在海上风机结构设计研究还 处于起步阶段，对结构在风力和波浪力作用下的极限载荷、塔架动态响应等 方面还有待进一步研究。 本文以单桩1 5 m w 风机为研究对象，对水平载荷作用下单桩的承载性 能进行分析，对比了现有的各种桩基础水平承载力的计算方法，证明了p - y 曲线法是最为适合海上风力发电桩结构水平承载力的方法。 针对海上风力机结构主要的载荷，包括风、浪、流、冰载荷进行研究， 建立了海上风电结构外载荷的计算体系。运用有限元软件a n s y s 对海上风 力发电结构进行整体建模，经过大量的计算，给出了海上风力发电结构在正 常工况、极限波浪和极限冰工况下的响应，并对强度和稳定性进行了校核。 对极端波浪工况进行了模态分析和瞬态动力学时程分析，研究了平台的各阶 自振特性、动力响应特性以及动力放大效果，证明了对海上风电结构进行动 力分析的必要性。 结合实际的土壤资料，对砂土液化对地基承载力影响进行了分析，并对 现有的p - y 曲线进行了双系数修正，对砂土层发生液化时的水平承载力进行 了计算，应用有限元模拟证明了砂土液化对泥面处的桩身位移有较大的影响。 本文的研究成果为海上风电结构的合理设计提供了一定的理论依据，海 上风机结构的研究能够对将来进行海上风机的优化设计提供借鉴，对我国海 上风电产业的发展有一定的实用价值。 关键- n - 海上风电结构；p - y 曲线法；环境载荷；有限元；砂土液化 ， ，j l 2 一：= = a b s t r a c t t h ed e s i g no fs t r u c t u r a lo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n ei sam a j o rc o m p o n e n to ft h e w h o l ed e s i g na n di ti sac o m p l e xa n ds y s t e m a t i cp r o j e c t i tr e l a t et om a n ya s p e c t s ， s u c ha st h em a r i n ee n v i r o n m e n t ，m a r i n es t r u c t u r e sd e s i g n ，o f f s h o r e p i l e f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g ，t h ei n t e r a c t i o no ff o u n d a t i o na n dg r o u n d t h ed e s i g na n d r e s e a r c ho ft h es t r u c t u r a lo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n ei ss t i l li nt h ei n i t i a ls t a g ei no u r c o u n t r y ，t h es t u d i e so ft h el i m i tl o a du n d e rt h ea c t i o no fw i n da n dw a v ef o r c e s ， t o w e rd y n a m i cr e s p o n s e ，e t c a r ea l m o s tab l a n k i nt h i st h e s i s ，o u rm a i nr e s e a r c ho b j e c ti s1 5 m ws i n g l ep i l eo f f s h o r ew i n d t u r b i n e ，t h r o u g ha n a l y z i n gs i n g l ep i l eu n d e rh o r i z o n t a ll o a db e a r i n gp e r f o r m a n c e a n d c o m p a r i n gc u r r e n ta v a i l a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o do fh o r i z o n t a lb e a r i n g c a p a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o n ，w ep r o v et h a tp - yc u r v em e t h o di sm o s ts u i t a b l e c a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h eh o r i z o n t a lb e a t i n gc a p a c i t yo fp i l eo fo f f s h o r ew i n d t u r b i n e a i m i n ga tt h es t u d yo fm a i nl o a do fo f f s h o r ew i n dt u r b i n e ，i n c l u d i n gw i n d ， w a v e s ，c u r r e n t s ，a n di c el o a d ，w ee s t a b l i s h e dt h el o a dc a l c u l a t i o ns y s t e mo f o f f s h o r ew i n dp o w e rs t r u c t u r e si nt h i st h e s i s b u i l d i n gt h eo v e r a l lm o d e lo f s t r u c t u r eo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ， t h r o u g hl a r g ea m o u n to fc a l c u l a t i o n ，w eg a v et h er e s p o n s eo fo f f s h o r ew i n d t u r b i n es t r u c t u r e su n d e rt h ec o n d i t i o n so fn o r m a lo p e r a t i n g ，t h el i m i tw a v e sa n d l i m i ti c ea n dc h e c k e dt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo fo fs t r u c t u r e s b ym o d a la n a l y s i s a n dt r a n s i e n td y n a m i ct i m e - h i s t o r ya n a l y s i su n d e rt h ec o n d i t i o n so fl i m i tw a v e ， w es t u d yt h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sb a n d so ft h ep l a t f o r m ， c h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cr e s p o n s ea n dd y n a m i ca m p l i f i c a t i o ne f f e c t , f i n a l l yt h e n e c e s s i t yo fd y n a m i ca n a l y s i sf o rt h es t r u c t u r eo ft h eo f f s h o r ew i n dt u r b i n ei sa l s o v e r i f l e d fil 、- k e yw o r d s ：o f f s h o r ew i n dp o w e rs t r u c t u r e ；p yc u r v em e t h o d ；e n v i r o n m e n t a l l o a d s ；f i n i t ee l e m e n t ；l i q u e f a c t i o no fs a n d ys o i l l量ill ， 、-一0 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 目录 第1 章绪论“1 1 1 选题的意义及背景1 1 1 1世界海上风电发展现状2 1 1 2 我国风电发展现状3 1 2 海上风机基础型式分析“4 1 2 1 基础结构形式”4 1 2 2 基础结构形式的选择”5 1 2 3 我国海上风电基础结构研究现状6 1 3 本文的主要工作内容7 第2 章单桩基础水平承载性能分析9 2 1 桩土相互作用的研究现状9 2 2 单桩的水平承载工作机理1 0 2 3 水平承载桩的分析方法1 1 2 3 1 桩的挠曲方程的建立1 1 2 3 2 极限地基反力法1 3 2 3 3弹性地基反力法1 3 2 3 4 复合地基反力法( p - y 曲线法) 1 4 2 4p y 曲线法详述1 4 2 4 1 软粘土中的p - y 曲线1 5 2 4 2 砂土中的p - y 曲线1 7 2 4 3 硬粘土中p - y 曲线1 9 2 5 p y 曲线计算结果1 9 2 6 本章小结2 1 第3 章海上风力发电结构外载荷分析2 2 3 1 风载荷2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 1风力机气动载荷载荷分析2 2 3 1 2 风载荷计算分析2 5 3 1 3 风载荷结果2 9 3 2 波浪载荷3 0 3 2 1 莫里森( m o r i s o n ) 公式“3l 3 2 2s t o k e s 五阶波3 4 3 3 海流载荷，3 8 3 3 1 海流速度3 9 3 3 2 海流力3 9 3 3 3 海流与波浪联合作用4 0 3 4 冰载荷4 0 3 4 1 冰载荷的作用方式4 1 3 4 2 冰载荷计算公式4 1 3 4 3 冰载荷计算中的几个问题4 2 3 5 载荷组合_ 4 2 3 6 本章小结4 4 第4 章风机整体支撑结构有限元分析4 5 4 1 有限元法概述4 5 4 1 1有限元分析的基本概念4 5 4 1 2 有限元法的求解步骤4 6 4 2a n s y s 简介4 7 4 3 单元属性4 8 4 3 1m a s s 2 1 单元4 8 4 3 2b e a m l8 8 单元4 8 4 3 3p i p e 5 9 单元4 9 4 3 4p i p e l 6 单元“5 0 4 3 5c o m b 烈3 9 单元5 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 建立整体结构有限元模型5 1 4 4 1结构分析基本假定51 4 4 2 坐标系的选取5 2 4 4 3 前处理建模5 2 4 5 静力计算及其分析5 5 4 5 1 静力计算结果5 5 4 5 2 静力结果分析5 6 4 6 结构强度与稳定性校核5 6 4 6 1 强度校核公式5 6 4 6 2 稳定性校核公式5 7 4 6 3 校核结果分析5 8 4 7 动力计算及其分析6 0 4 7 1模态分析61 4 7 2 瞬态动力分析6 4 4 7 3 动力分析和静力分析对比6 7 4 8 本章小结6 7 第5 章土壤液化对地基承载力的影响6 9 5 1 引言6 9 5 2 砂土的振动液化机理7 0 5 3 饱和无粘性土液化影响因素7 l 5 4 桩液化土横向动力相互作用7 2 5 5 桩液化土相互作用p y 曲线的修正”7 3 5 5 1 现有a p i 规范的p - y 曲线的计算7 3 5 5 2 p - y 曲线公式的修正7 3 5 5 3 砂土液化对土抗力的影响7 6 5 5 4a n s y s 模拟液化后结构的响应7 8 5 6 本章小结8 1 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 结论”8 2 参考文献8 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 7 致谢8 8 附录8 9 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的意义及背景 风能是一种不产生任何污染排放的可再生自然能源，与太阳能、生物、 地热和海洋能发电相比，风能是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件 的新能源。随着陆地风能利用及其发电技术的不断进步和发展，海上风能利 用及其发电关键技术开发已经成为许多国家的政府和工程技术人员的热点领 域。 世界能源状况日趋严峻，能源市场结构近年来发生了很大变化，电荒呼 唤新能源发电时代到来。2 0 0 8 年初的大雪灾使煤电油运面临严峻考验，党和 国家领导人高度关注电煤供应。罕见的暴风雪使国家领导人寝食难安，也使 电荒问题更加突出，其实在暴风雪来临之前，电、煤的问题已经成为人们关 心和担心的话题。我国的电源主要是火力发电，但随着我国经济的快速发展， 寻找并大力发展新能源是势在必行的选择。我们一方面要提倡节约电能，但 这终究不是治本之策，另一方面必须及时快速发展新能源，只有这样才能缓 解电能紧张这一突出问题。对于能源行业来说，应该敏锐地抓住新能源发展 契机，大力推动新材料配备产业，既实现了自身发展，也为缓解能源做出贡 献。 风能作为一种极具竞争力的可再生能源，经过几十年的研究与发展，已 完成了由应用示范向实用化、商业化的转变，并得到了规模化的应用。 我国新能源生长空间很大。首先，风力发电作为一种新兴的，正在快速 发展的能源类型正在被广泛的开发，全球每年风电增长超过2 0 ，我们可以 看到近几年作为能源高度依赖进口的发达工业国德国，正在大力发展风力发 电，近2 年德国风力发电增长4 4 ，风力发电能力高达2 万m w ，年发电量 达3 0 0 亿度，可满足数百万个家庭的电力需求，我国拥有1 8 0 0 0 公里的海岸 线，边缘海中有岛屿6 0 0 0 多个，风能资源包括海上风能资源极为丰富，而我 哈尔滨工程大学硕十学位论文 国的海上风力发电还刚刚开始。 现在，把风电场建在内陆、岛屿和海岸的效益比较可观，但是英国、荷 兰、德国等一些欧洲国家的经验表明，将风电场建在海上，经济效益、环境 效益和社会效益更加明显。随着兆瓦级机组的发展，一方面，由于陆上2 m w 的风力机叶片长度达到4 0 m 左右，导致容量大于2 m w 的风力机陆上运输及 安装都变得相对困难，另一方面，海上风电场建设的度电成本得到了降低， 所以随着大容量风力机组设计及制造技术的逐渐成熟，因次，海上风电场的 开发必将成为我国风电产业的一个重要发展方向。 海上风电的存在众多的优点推动着其快速发展【3 】，比如，海上风况优于 陆地，海风湍流强度小，使得风机寿命更长，在海上开发利用风能环保价值 可观，不占用陆上土地等。 海上风电成本很高也是制约其发展的一大因素，其中风机基础就占有很 大一部分。在海上风电场的总投资中，风电机组占5 1 、基础1 6 、电气接 入系统1 9 、其他1 4 。海上风机基础成本投入随海水深度的增加而增加， 有时占到总成本的3 0 ，大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究开 发的主要课题。 1 1 1 世界海上风电发展现状 与陆上风力发电相比，海上风速大且稳定，利用小时数可达到3 0 0 0 小时 以上。同容量装机，海上比陆上成本增加6 0 ，电量增加5 0 以上。随着风 力发电的发展，陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风力发电场将成为未 来发展的重点。海上发电是近年来国际风电产业发展的新领域，是“方向中的 方向”。近海风力发电已引起世界各国重视，截止到2 0 0 6 年8 月，近海风 电累计装机容量7 9 8 2 万k w ，占全球风电总装机容量1 5 ，其中丹麦、 英国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快。丹麦在1 9 9 1 年建成世界上第 一个近海风电场，2 0 0 3 年还在南海岸建成最大近海g t 电f n y s t e d ，装机容量 1 6 5 6 万k w ) ，2 0 0 6 年计划新建2 0 万k w 近海风电场，累计装机容量达到 2 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 4 1 6 万k w ，规划至2 0 3 0 年近海风电场装机容量4 0 0 万k w ；德国政府计 划2 0 1 0 年近海风电装机容量达3 0 0 万k w ，2 0 3 0 年装机容量2 3g w ；荷兰 政府计划2 0 2 0 年近海风电装机容量6 0 0 万k w ；瑞典计划2 0 1 9 年近海风电 装机容量3 3 0 万k w 。欧洲规划到2 0 2 0 年，近海风电装机容量达到2 4 0g w ， 年发电量7 2 0t wh ，可以满足欧洲用电量的1 3 【l 】。欧洲风能协会预测，今 后1 5 年海上风电将成为风电发展的重要方向，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年， 欧洲海上风电总装机容量将分别达到1 0 g w 和7 0g w 。 年份 图1 1 欧洲海上风电场发展趋势 1 1 2 我国风电发展现状 在国外，海上风电已经步入快速发展阶段，而在我国海上风电场的建设 仅仅处于起步阶段。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面 1 0 m 高度层的风能资源总储量为3 2 2 6 0 0 0 0 m w ，可开发量为2 5 3 0 0 0 0 m w ；近 海( 水深不超过1 0 m ) 区域，离海面1 0 m 高度层的风能储量约为7 5 0 0 0 0 0 m w 。 因此从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件，具有很大的商 业化、规模化发展的潜力。 由国家发改委批准的海上风电场示范项目，上海东海大桥海上风电场1 0 万k w 风电场已进入实质性建设阶段，并计划于2 0 0 9 年建成，该近海风电 场的建成将为上海每年提供2 亿多千瓦时的电能。而且将为我国近海风电技 术规范的建立提供宝贵的经验资料。 3 每罨删肺幂螓 哈尔滨r 下程大学硕十学位论文 1 2 海上风机基础型式分析 1 2 1 基础结构形式 海上风电机组的基础平台由油气工业中的海上采油平台形式发展而来， 目前海上风力发电机组的基础有单桩、三脚架、导管架式基础、重力基础、 负压桶基和浮动平台结构等几种【。每种基础都有其各自的优缺点，适应不 同的海况条件，当设计开发大型海上风电场时，设计一种适合海上风机特殊 要求和特定海况条件的基础能够节省前期投入。虽然国外在基础设计方面有 很多成功经验，但是国内缺乏海上风机基础设计经验，海上风机基础设计研 究对推动我国海上风力技术的发展将起到至关重要的作用。 ：。，：，鼍 ：j ，7 j 一 ：l ： 争一 ，l j ，7 努 一，_ 。“。、；瓤，甏 ： j一一 。i ，鬈：；，口 。，。 ，。； 爹“ 髟 j 二7 心、，7 ； “ 9 7 i 。：i 。 jl。 t 雾。 籍7 乏磊 荔 。 j唆鑫薹疹泌池。o ，磊 图10 2 海上风电常用的基础结构形式 海上风机基础的设计是一个复杂的系统工程，涉及到海洋环境、港口航 道、市场经济、海洋结构物的设计、近海桩基工程、海上风机基础特殊载荷、 结构分析、基础与地基动力相互作用、风机一塔架一地基一基础系统分析等 多个方面，包含众多的设计变量，不同的海上风场特性不同，如何处理其中 的多种矛盾，做出合理的设计是很有意义的。国内海上风机桩基础设计研究 处于起步阶段，海上风机基础设计研究能够为将来海上风力发电提供参考， 对将来进行海上风机基础结构优化设计提供借鉴，对中国海上风力发电事业 4 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 的腾飞具有举足轻重的意义。 海上风机基础形式众多，本文针对常用的重力式基础、桶基单立柱结构、 单立柱结构、单立柱三桩结构、导管架结构形式进行了对比分析： 表1 1 海上风机基础结构形式对比 类型优点缺点 结构简单，安装方便，无 单桩基础稳定性较弱，贯入深度大，不便移动 需整理海床 三脚架刚性与稳性强尚未应用，不便移动 导管架结构刚度更大，技术成熟耗材大，不便移动 重力基础刚性和稳性强运输安装不便，结构笨重 对海床要求高，尚未应用，停留在概念 。负压桶基 安装方便，成本低 设计中 水动力性能差，尚未应用，停留在概念 浮式结构费用低，对水深不敏感 设计中 1 2 2 基础结构形式的选择 水深是决定海上风力发电基础结构形式的重要原因。根据多年来海洋平 台的使用和研究，可以按水深确定最佳的结构形式。 挪威船级社( d n v ) 规范中建议了不同海水深度的基础形式选择，如表 1 2 所示： 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 表1 2 海上风力发电基础的选择 海水深度m基础类型 o 1 0重力基础 0 3 0单桩基础 2 0 三脚架导管架基础 5 0浮动平台结构 桩基础是目前国外海上风机普遍采用的一种相对成熟的基础形式，很多 企业和组织在海上风机桩基础的设计和工程施工方面有丰富的经验，但是， 各个风场的海况条件不同，结合海上采油平台的丰富经验，海上风机基础的 设计优化空间还相当大。 1 2 3我国海上风电基础结构研究现状 目前，我国海上风电场的建设仅仅处于起步阶段，海上风机基础结构的 设计研究缺乏经验。由国家发改委批准的海上风电场示范项目，上海东海大 桥海上风电场( 1 0 万k w 风电场) 已进入实质性建设阶段，并计划于2 0 0 9 年 建成，此示范项目由上海勘测设计研究院新能源设计研究分院联合同济大学 地下建筑与工程系进行设计，其中结合工程特殊性，重点分析了海上风机地 基基础特点及海上风机基础与地基非线性动力相互作用、风机一塔架一地基 一基础系统动力模拟分析、基础结构疲劳分析等设计技术关键，将为我国海 上风电技术规范的建立提供宝贵的经验资料。 2 0 0 4 年汕头大学蔡安民在其硕士论文中，对单桩型基础的近海风力机波 浪力仿真计算及其塔架载荷响应及响应谱进行了分析研究。 2 0 0 5 年天津大学张建勇对浅海独桩平台在水平载荷作用下的结构型式进 行了研究，并应用有限元对其整体结构的动力响应进行分析研究。其成果对 海上风力发电的桩基础设计具有一定的借鉴意义。 2 0 0 5 年沈阳工业大学风能技术研究所对海上风力发电机组基础的选择进 行了研究，结合海上采油平台形式，对海上风电机组基础的定义、类型及其 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 选择进行了介绍。 2 0 0 9 年上海交通大学缪国平与解放军理工大学程建生对海上风电建设与 海洋工程装备研发中的若干水动力关键技术问题进行了研究。 本文针对渤海某海域风力发电场的水文地质条件，对基础结构进行选择、 设计。我国渤海水深较浅，海底表层多为淤泥、粉质粘土、淤泥质粉砂、粉 土和粉砂层，承载力小，易液化，不适宜作持力层；底部沉积物以细砂为主， 承载力相对较大，可作持力层。因此，渤海的大部分海域为淤泥质软基海底， 冲刷现象较为严重，且冬季有冰载荷的作用，不宜采用重力式基础和负压桶 基础。 分析可知，我国渤海海域风电基础将以桩基结构为主要基础结构形式， 而桩基结构中，单桩结构对于渤海的水深和地质条件最为合理的基础结构形 式。且单桩在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有利的，而且软地基便于 打桩。 。 本文后边几章主要对海上风力发电单桩基础进行分析研究。 1 3 本文的主要工作内容 本论文以1 5 m w 单桩基础海上风力发电结构为研究对象，探讨其基础结 构的水平承载性能及其计算方法；研究其整体结构系统的载荷传递关系及环 境载荷计算方法；分析单桩风力机整机结构力学特性，建立风力机的整机力 学分析模型，并实现计算机辅助整机系统结构力学建模，为风力机总体设计 技术的计算机辅助力学分析提供切实可行的技术方案。本文主要包括以下内 容： ( 1 ) 分析单桩基础的工作机理，研究现有的水平承载桩的计算方法，分析各 个方法的使用条件。选择p y 曲线法作为计算地基应力应变关系的方法，并 根据实地地质条件绘制地基不同深度处的应力应变关系曲线( p 。y 曲线) 。 ( 2 ) 从设计背景要求出发，分析研究海上风机整体支撑结构所受的风机载荷、 风载荷、波浪载荷、流载荷和冰载荷并计算载荷大小，给出计算外载荷的合 7 哈尔滨_ t 稃大学硕十学位论文 理方法。 ( 3 ) 对风机整体结构进行有限元分析，使用a n s y s 有限元软件对海上风机 整体结构进行建模，研究有限元模型的单元设置、边界处理及有效加载方式， 通过有限元方法验证本文建模方法及边界处理的正确性。 ( 4 ) 按照规范要求以及材料属性，对结构的强度进行校核，并对结构进行动 力响应分析，验证结构设计的实用性和可靠性。 ( 5 ) 风机在复杂的海况中工作，承受风、浪、流等随机载荷的作用，考虑我 国近海海域的土壤容易沙化的特性，对土壤液化进行分析研究，分析土壤沙 化后对地基承载力的影响，并给出修正p y 曲线的方法。为适用于我国近海海 域风力发电地基液化后的计算方法提供参考。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章单桩基础水平承载性能分析 桩基础是固定式海洋结构物中应用最多的一种基础形式，主要功能是用 来支撑甲板及上部结构以及抵抗环境载荷对结构的作用。海上固定结构物所 受到的环境载荷及其他载荷依靠基础来承受，基础支撑着整个平台结构，将 平台结构所受到的各种载荷传递给地基。因次，基础工程在海上固定结构物 的设计与建造中具有特别重要的地位。 对于单桩式的海上风力发电结构，它的单桩基础在风、浪、流等荷载作 用下的水平承载性能是设计中最关键的问题。 本章从桩土相互作用入手，分析独立单桩水平承载性能及原理，通过 对现有计算理论的归纳和比较，以p y 曲线法为重点，详细介绍了在软粘土、 砂土和硬粘土中计算独立单桩水平承载力和变形的方法。 2 1桩土相互作用的研究现状 考虑桩土共同作用的思想虽然在1 9 4 7 年就由m e y e r h o f 提出，但直到2 0 世纪6 0 年代末期，随着电子计算机技术的迅速发展，以及对土的本构关系的 继续深入，此研究课题才得以开展并受到重视。尽管国内外许多岩土工程工 作者通过桩基模型试验和理论分析等多种方法进行了大量的研究，迄今为止 也只是对水平承载桩的荷载传递机理有了一定的认识。 目前国内外针对复合地基在竖向静荷载作用下的工作性状，已经取得了 一整套相当完备的设计计算理论。但关于水平荷载下的复合地基受力分析研 究较少，研究成果也大都不能直接用于工程实际。 海上风力发电单桩基础是深入海底土层的柱形构件，当天然地基不能满 足上部结构对地基承载力和变形的要求时，一般就深基础桩将荷载传递到深 部较坚硬、压缩性小的土层或岩层。桩基由于具有承载力高稳定性好、基础 沉降小且比较均匀、抗震性能良好以及能适应各种复杂地质条件等优点而得 到广泛使用。 9 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 m l 2 2 单桩的水平承载工作机理 作用在海上风力发电结构上的水平力有水压力、风力、波浪力、海流力、 地震力及冰块的冲击力，形式为静载荷、周期载荷或冲击载荷。为承受这些 外力，可以考虑用斜桩，然而大量的载荷试验充分证明了垂直桩可以通过抗 剪与弯曲来承受侧向载荷，当桩同时承受轴向和侧向载荷时，则可采用叠加 法来计算桩的应力【1 1 1 。 研究横向受载桩的工作机理，实质是研究桩土之间共同作用的问题。桩 利用桩周土抵抗力抵抗水平载荷，桩身在水平载荷引起的弯矩作用下发生水 平变位和挠曲，载荷的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传递到土体， 促使桩周土发生相应的变形而提供水平抗力，这一抗力将阻止桩身变形的进 一步发展。当水平载荷较低时，土抗力主要由靠近地面的土提供，而且土的 变形主要是弹性的，也就是桩周土处于弹性压缩阶段。随着水平载荷的进一 步增大，桩的变形也将增大，而表层土将逐渐产生塑性屈服，此时水平载荷 会向地基更深处的土层传递。若变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失 去稳性时，桩土体系趋于破坏。 桩在横向载荷作用下，桩身必然产生横向挠曲或位移，桩与土相互作用， 相互影响，其工作情况较轴向受力时复杂的多，其破坏情况有两种： ( 1 ) 由于入土深度小或桩周土层较松软，桩身挠曲形状不明显，可以看 作刚体围绕桩轴某一点转动，随着横向载荷的不断增大，桩侧土强度不够而 使桩丧失承载的能力，这种情况下，桩的水平容许承载力由桩侧土的强度决 定。 ( 2 ) 桩的相对刚度较小，桩入土深度较大或桩周土层较坚实，桩周土有 足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减 小，达到一定深度后可以认为不受载荷影响。此时，桩的水平容许承载力由 桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。 对于单桩式简易平台，影响桩的水平承载力的因素很多，包括桩截面尺 寸、材料强度刚度、土质条件、桩的入土深度以及桩顶的嵌固程度等。为求 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得横向受载桩的承载力，先要估算沿桩长分布、以桩挠度为函数的土横向阻 力，而任何一点的土抗力与该点桩挠度的比值可定义为土弹性模量，此模量 随深度而变化【2 1 1 。 2 3 水平承载桩的分析方法 2 3 1桩的挠曲方程的建立 设竖直桩全部埋入土中( 如图2 1 ) ，在断面的主平面内，地表面桩顶处 作用有垂直于桩轴线的水平力日和外力矩m 。选择地面桩轴中心处为坐标轴 的原点0 ，取桩的中心轴及与中心轴相垂直的方向为z 轴及y 轴。规定图示方 向为日和m 的正方向( 图2 1 ( a ) ) ，通过分析，推导挠曲微分方程如下【1 2 】： 燃一 ， | 3 t 日 | 与7 乏，) 层 鞭 7 二：。 2 二： 窖( 习 i 图2 1 桩的受力图 由于载荷的作用使桩产生挠度，也使作为支承介质的地基产生连续分布 的反力p ，任一点处的单位长度反力p 是深度z 与桩的挠度y 的函数， p = p ( z ，力。 从桩上取出一小段出单元体，则作用在单元体龙上的力如图2 1 ( b ) 所 示，设作用在上断面的剪力q 方向为正，与此相对应以作用在单元体断面逆 时针的弯矩m 为正。 则由单元体水平方向的受力平衡有： ( q + 坦) 一q p 0 ，y ) d z = 0 ( 2 1 ) d -罂 一誓 哈尔滨t 程大学硕士学佗论文 因此 。 掣：p ( 训z ) ( 。9 。9 ) 二= ，f1 ，、( 1 利用q = d m d z 的关系，则 _ a q a g = 警吡y ) ( 2 _ 3 ) 一= 一= n 7 1 ，li ，j 比一 桩的弯曲微分方程式为： e i 集一m j(2-4) 出2 式中：e 一桩材料的弹性模量； ，一桩的截面惯性矩； 日一桩的截面抗弯刚度； y 一桩身某一点的水平位移； z 一桩在泥下任意点的深度； p ( z ，y ) 一桩的单位长度的载荷强度。 把式( 2 - 4 ) 带入式( 2 3 ) 则得到： 日窘吲训) _ 0 ( 2 - 5 ) 这就是桩的挠曲微分方程1 2 1 。 按照文克尔假定，作用在桩上某一点的土抗力与位移成正比： p ( z ，y ) = b y ( 2 6 ) 式中：b 为土反力模量，根据b 在土中变化规律的不同假设，产生了 不同的计算方法，主要有以下三种： ( 1 ) 极限地基反力法( 极限平衡法) ( 2 ) 弹性地基反力法 ( 3 ) 复合地基反力法( p y 曲线法) 1 2 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 2 3 2 极限地基反力法 极限地基反力发是事先假定土处于极限状态时地基反力的分布形状，并 按照作用在桩上的外力及平衡条件来求解桩的横向抗力。地基反力p 只是桩 入土深度的函数，与桩的挠曲y 没有直接关系【”】。此法土反力的分布规律的 假设主要有二次抛物线分布、直线分布、挠度曲线分布等。 极限地基反力法没有考虑地基与桩的变形特性，只适用于入土深度较浅 的刚性桩，如路灯杆、电线杆和广告塔等。 2 3 3 弹性地基反力法 弹性地基反力法是国内外计算弹性长桩常用的方法，它假定土为弹性体， 采用梁的弯曲理论求桩的水平抗力。其公式为【1 4 】： 日岩州乙y ) = 0 ( 2 - 7 ) p ( z ，力= ( a + m z ) 少= k ( z ) y ”j 式中：a 、m 、f 、刀待定常数或指数，其他符号与前文意义相同。 按照y 的指数n 的取值不同，可将弹性地基反力法分为两类： 线弹性地基反力法( n = 1 ) 非线性地基反力发( n 1 ) 对于线弹性地基反力法，国内外规定在水平载荷较小时，且桩在地面的 允许水平位移在0 6 c m 到1 o c m 之间时，桩身的任一点的土抗力与桩身侧向 位移之间视为线性关系，取n = l ，由于指定的参数不同，又可分为常数法( 张 有龄法) ( k = 常数) 、m 法( k 砒) 、c 法( k = c z “2 ) 、双参数法( k = m z ) 【1 3 1 。水平荷载较小时，利用这些方法计算出来的结果与实际值较接近，当水 平荷载增大，土体出现塑性变形，计算结果与实际值偏差较大。 对于非线性地基反力法，当桩身侧向位移较大时，桩身上任一点的土抗 力与桩身侧向位移之间按非线性关系考虑，及n 1 。最有代表性的是日本港 研究所提出的港研法，取n = o 5 。由于非线性微分方程很难用解析法或近似 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 法求解，因此港研法采用由标准桩得到的标准曲线和相似法则来计算实际桩 的受力状态【1 3 】。 2 3 4 复合地基反力法( p y 曲线法) 复合地基反力法即为p - y 曲线法，当桩较长时，桩附近的土从表面开始 产生屈服，塑性区从表面逐渐向下扩展，再往下则为弹性区。在塑性区一般 应采用极限地基反力法，而在弹性区则应采用弹性地基反力法，利用两者边 界上存在的连续条件求解，被称作复合地基反力法。 马特洛克( m a t l o c k ) 于1 9 7 0 年对水下饱和软粘土中的钢管桩进行了侧 向载荷实验，提出了短期静载荷与周期性载荷下桩的p - y 曲线。里斯( r e e s e ) 与考克斯( c o x ) 于1 9 7 4 年对砂土中的桩进行了侧向载荷试验，并对打入水 下硬粘土中的桩也做了试验，提出了短期静载荷与周期性载荷下桩的p - y 曲 线。上述成果首先被美国石油协会的a p i p 2 a 所采纳。相对于其它方法， p - y 曲线考虑了各种地基的情况，对静荷载、动荷载以及循环荷载都适用。 它不仅在计算小变位水平承载桩时有效，计算较大水平荷载产生大变位的桩 也同样有效。因此，p - y 曲线法非常适用于计算海上风力发电结构与地基相 互作用的计算。 2 4 p y