冲刷对海上风电单桩基础自振频率影响的研究

发布时间：2022-01-17 12:16

　　目前海上风电基础形式大多采用单桩基础,海水的冲刷作用影响结构的动力特性和受力性能,其中自振频率受到的影响最为显著,因此,研究冲刷对海上风电单桩基础自振频率的影响十分必要。通过模型试验研究了冲刷深度、砂土密度和桩埋置深度对单桩基础自振频率的影响;利用ABAQUS软件建立了单桩基础的三维有限元模型,并通过与模型试验结果对比分析,验证数值模型的可靠性;以一实际工程为例,分析了补偿冲刷造成自振频率降低的各种措施。结果表明,随着冲刷深度的增加,单桩基础的自振频率会逐渐降低,其中砂土越松、埋置深度越浅,降低越明显;在相同用钢量的情况下,增加桩埋置深度、壁厚和桩径,都能增加结构自振频率,但增加桩径的效果最为明显;建议在实际工程设计中,可通过增加桩径来补偿由冲刷造成自振频率的降低以满足设计要求。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(22)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

LS-1加速度-频率关系图

对于海上风电单桩基础结构,无论是否设置冲刷保护装置,都有可能在波浪以及海流的作用下发生冲刷现象[3-4],单桩基础周围冲刷深度是海上风电场设计中最重要的工程参数之一,冲坑的深度和范围不仅与风场所处的地质海洋环境条件有关,还与循环荷载引起的桩本身的变位有关[5],冲坑会直接减少桩的埋置深度,减少相应位置土的有效应力,对结构体系自振频率产生影响。为了合理估计冲刷对单桩基础自振频率的影响,Peder等[6]利用美国石油协会(API)规范中给出的p-y曲线估算结构的自振频率,得出当最大冲刷深度达到1.3倍桩径时,结构的第一自振频率降低了5%。但由于API给出的p-y曲线值计算得出桩的刚度偏大[7],估算出的第一自振频率偏大,且不能考虑冲坑形成后对桩周土应力的影响。Prendergast等[8]通过在密实砂土中进行小尺度模型试验,并在Matlab中建立一维有限元数值模型,拓展到全尺寸原型,得出在冲刷的作用、松散砂中自振频率相对变化最大,最可能出现共振效应。但是只用一维有限元模型不能精确的模拟试验中的实际工况,样本数较少,没有提出提高第一自振频率的方案,对实际设计的指导性不大。Matutano等[9]利用国内外研究大直径单桩基础预测最大冲刷深度和冲刷延伸的不同方法,综合实际环境,为不同单桩基础的冲刷保护装置提供了设计参考,提出冲刷保护装置的设计通常不够经济,大部分风场通过增加基础埋置深度或桩径等结构措施来减弱冲刷对自振频率的影响。杨少磊等[10]采用ANSYS建立了考虑冲刷发生情况下海上风电单桩基础的优化模型,并针对特定海域一实际海上风电单桩基础结构进行了优化设计,但未考虑冲刷对风电结构动力特性的影响。通过以上分析可知,目前研究冲刷对自振频率影响采用数值方法较多,试验研究较少,且没有分析在没有设置冲刷防护装置时,如何从设计角度补充冲刷对结构自振频率的影响。为此,本文针对砂性地质条件下,采用1g(g为重力加速度)条件下小尺度模型试验,测试不同冲刷深度对模型桩自振频率的影响,然后利用ABAQUS有限元软件,建立模型桩三维数值模型,通过与试验数据对比校核并验证数值模型的可靠性。最后以一实际工程案例,分析了冲刷对结构体系自振频率的影响,同时探讨了没有冲刷防护装置,在设计时为了保证冲刷后的自振频率达到设计目标值,需要采取的合理措施。

单桩基础模型试验在上海交通大学工程力学实验中心自行设计的模型槽中开展。模型槽尺寸为长1.2 m,宽0.9 m,深0.8 m,模型槽从下到上分别为0.1 m碎石、0.02 m土工布、0.7 m砂性土,如图2和图3所示。试验采用人工配制级配良好的砂土,由土工试验[14]实测出内摩擦角,具体参数值见表2。模型桩采用不锈钢管桩,不锈钢的弹性模量由实验测得,具体参数见表3。图3 模型槽实物图

【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑冲刷情况下海上风电单桩基础优化设计研究[J]. 杨少磊,马宏旺.  海洋技术学报. 2018(01)
[2]砂土中考虑冲刷的水平受荷桩等效应变楔方法[J]. 杨晓峰,张陈蓉,袁聚云.  岩土力学. 2015(10)

博士论文
[1]近海风机超大直径单桩水平承载特性试验与数值分析[D]. 孙永鑫.浙江大学 2016

硕士论文
[1]地基对大直径桩的水平静力和循环抗力数值分析研究[D]. 章刘洋.浙江大学 2018
[2]近海大直径单桩水平受荷离心模型试验和三维数值分析[D]. 熊根.浙江大学 2013



本文编号：3594712