目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式大多采用單樁基礎(chǔ),海水的沖刷作用影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和受力性能,其中自振頻率受到的影響最為顯著,因此,研究沖刷對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)自振頻率的影響十分必要。通過模型試驗(yàn)研究了沖刷深度、砂土密度和樁埋置深度對單樁基礎(chǔ)自振頻率的影響;利用ABAQUS軟件建立了單樁基礎(chǔ)的三維有限元模型,并通過與模型試驗(yàn)結(jié)果對比分析,驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性;以一實(shí)際工程為例,分析了補(bǔ)償沖刷造成自振頻率降低的各種措施。結(jié)果表明,隨著沖刷深度的增加,單樁基礎(chǔ)的自振頻率會(huì)逐漸降低,其中砂土越松、埋置深度越淺,降低越明顯;在相同用鋼量的情況下,增加樁埋置深度、壁厚和樁徑,都能增加結(jié)構(gòu)自振頻率,但增加樁徑的效果最為明顯;建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可通過增加樁徑來補(bǔ)償由沖刷造成自振頻率的降低以滿足設(shè)計(jì)要求。 

【文章來源】：振動(dòng)與沖擊. 2020,39(22)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

LS-1加速度-頻率關(guān)系圖

對于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),無論是否設(shè)置沖刷保護(hù)裝置,都有可能在波浪以及海流的作用下發(fā)生沖刷現(xiàn)象[3-4],單樁基礎(chǔ)周圍沖刷深度是海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)中最重要的工程參數(shù)之一,沖坑的深度和范圍不僅與風(fēng)場所處的地質(zhì)海洋環(huán)境條件有關(guān),還與循環(huán)荷載引起的樁本身的變位有關(guān)[5],沖坑會(huì)直接減少樁的埋置深度,減少相應(yīng)位置土的有效應(yīng)力,對結(jié)構(gòu)體系自振頻率產(chǎn)生影響。為了合理估計(jì)沖刷對單樁基礎(chǔ)自振頻率的影響,Peder等[6]利用美國石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)范中給出的p-y曲線估算結(jié)構(gòu)的自振頻率,得出當(dāng)最大沖刷深度達(dá)到1.3倍樁徑時(shí),結(jié)構(gòu)的第一自振頻率降低了5%。但由于API給出的p-y曲線值計(jì)算得出樁的剛度偏大[7],估算出的第一自振頻率偏大,且不能考慮沖坑形成后對樁周土應(yīng)力的影響。Prendergast等[8]通過在密實(shí)砂土中進(jìn)行小尺度模型試驗(yàn),并在Matlab中建立一維有限元數(shù)值模型,拓展到全尺寸原型,得出在沖刷的作用、松散砂中自振頻率相對變化最大,最可能出現(xiàn)共振效應(yīng)。但是只用一維有限元模型不能精確的模擬試驗(yàn)中的實(shí)際工況,樣本數(shù)較少,沒有提出提高第一自振頻率的方案,對實(shí)際設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性不大。Matutano等[9]利用國內(nèi)外研究大直徑單樁基礎(chǔ)預(yù)測最大沖刷深度和沖刷延伸的不同方法,綜合實(shí)際環(huán)境,為不同單樁基礎(chǔ)的沖刷保護(hù)裝置提供了設(shè)計(jì)參考,提出沖刷保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)通常不夠經(jīng)濟(jì),大部分風(fēng)場通過增加基礎(chǔ)埋置深度或樁徑等結(jié)構(gòu)措施來減弱沖刷對自振頻率的影響。楊少磊等[10]采用ANSYS建立了考慮沖刷發(fā)生情況下海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的優(yōu)化模型,并針對特定海域一實(shí)際海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),但未考慮沖刷對風(fēng)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。通過以上分析可知,目前研究沖刷對自振頻率影響采用數(shù)值方法較多,試驗(yàn)研究較少,且沒有分析在沒有設(shè)置沖刷防護(hù)裝置時(shí),如何從設(shè)計(jì)角度補(bǔ)充沖刷對結(jié)構(gòu)自振頻率的影響。為此,本文針對砂性地質(zhì)條件下,采用1g(g為重力加速度)條件下小尺度模型試驗(yàn),測試不同沖刷深度對模型樁自振頻率的影響,然后利用ABAQUS有限元軟件,建立模型樁三維數(shù)值模型,通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比校核并驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。最后以一實(shí)際工程案例,分析了沖刷對結(jié)構(gòu)體系自振頻率的影響,同時(shí)探討了沒有沖刷防護(hù)裝置,在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證沖刷后的自振頻率達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值,需要采取的合理措施。

單樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心自行設(shè)計(jì)的模型槽中開展。模型槽尺寸為長1.2 m,寬0.9 m,深0.8 m,模型槽從下到上分別為0.1 m碎石、0.02 m土工布、0.7 m砂性土,如圖2和圖3所示。試驗(yàn)采用人工配制級配良好的砂土,由土工試驗(yàn)[14]實(shí)測出內(nèi)摩擦角,具體參數(shù)值見表2。模型樁采用不銹鋼管樁,不銹鋼的彈性模量由實(shí)驗(yàn)測得,具體參數(shù)見表3。圖3 模型槽實(shí)物圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮沖刷情況下海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 楊少磊,馬宏旺.  海洋技術(shù)學(xué)報(bào). 2018(01)
[2]砂土中考慮沖刷的水平受荷樁等效應(yīng)變楔方法[J]. 楊曉峰,張陳蓉,袁聚云.  巖土力學(xué). 2015(10)

博士論文
[1]近海風(fēng)機(jī)超大直徑單樁水平承載特性試驗(yàn)與數(shù)值分析[D]. 孫永鑫.浙江大學(xué) 2016

碩士論文
[1]地基對大直徑樁的水平靜力和循環(huán)抗力數(shù)值分析研究[D]. 章劉洋.浙江大學(xué) 2018
[2]近海大直徑單樁水平受荷離心模型試驗(yàn)和三維數(shù)值分析[D]. 熊根.浙江大學(xué) 2013



本文編號：3594712