負(fù)壓筒基礎(chǔ)的案例
砂土剛度衰減模型在海上風(fēng)電工程中的應(yīng)用
砂土剛度衰減模型有較好的理論基礎(chǔ)，難點(diǎn)在于將其內(nèi)嵌于通用有限元軟件的計(jì)算內(nèi)核。
大型海上風(fēng)電機(jī)組是大力發(fā)展風(fēng)電、有效利用近海風(fēng)能資源的核心技術(shù)，為提高機(jī)組的發(fā)電功率，風(fēng)機(jī)尺寸通常較大，要求基礎(chǔ)擁有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)承載能力。大直徑單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)以及負(fù)壓筒基礎(chǔ)因其優(yōu)異的受力特性成為了海上風(fēng)電工程常用的基礎(chǔ)形式，它們不僅要滿足豎向承載力的要求，更要在風(fēng)、波浪以及洋流等循環(huán)橫向荷載作用下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
海上風(fēng)電基礎(chǔ)的有限元模型同時(shí)具有材料非線性、位移非線性（大變形）以及邊界條件非線性（接觸算法）的特性，對(duì)軟件非線性求解的能力有著較高的要求。<a href="/major/Abaqus因其優(yōu)異的非線性求解器在海上風(fēng)電工程中應(yīng)用廣泛，同時(shí)軟件提供了二次開(kāi)發(fā)程序的接口，允許用戶采用FORTRAN計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫描述材料受力變形特性的子程序。筆者基于前人工作經(jīng)驗(yàn)，采用Abaqus 建立了砂土地基中循環(huán)承載工況下，大直徑單樁基礎(chǔ)、負(fù)壓筒基礎(chǔ)以及導(dǎo)管架基礎(chǔ)的有限元模型，編寫了海上風(fēng)電基礎(chǔ)通用的USDFLD子程序與Abaqus 的求解器聯(lián)立求解，實(shí)現(xiàn)了砂土地基剛度的衰減，并分析了其受力變形、位移~荷載曲線以及土體剛度的發(fā)展規(guī)律，研究成果可為海上風(fēng)電設(shè)計(jì)參考。
2. 砂土剛度衰減模型
3. 程序框架
4. 有限元模型
4.1計(jì)算工況
砂土剛度衰減模型程序是通用的二次開(kāi)發(fā)程序，對(duì)各類結(jié)構(gòu)形式的砂土地基都應(yīng)得到較好的解答。大直徑單樁基礎(chǔ)、負(fù)壓筒基礎(chǔ)以及導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風(fēng)電基礎(chǔ)常用的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)采用ABAQUS軟件建立這三類基礎(chǔ)的有限元模型，與編寫的二次開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行聯(lián)立求解，進(jìn)而對(duì)程序的適用性進(jìn)行驗(yàn)證，剛度衰減系數(shù)的取值參考現(xiàn)有文獻(xiàn)資料（具體工況見(jiàn)表1）。
展開(kāi) 海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式
為了適應(yīng)不同水深，不同的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式也逐漸形成，主要包括以下型式：
1）單樁基礎(chǔ)：?jiǎn)螛?em>基礎(chǔ)由鋼管焊接而成，根據(jù)安裝方式的不同，樁和塔架之間采用焊接法蘭或套管法蘭進(jìn)行連接。單樁基礎(chǔ)可以通過(guò)兩種方式進(jìn)入海床，液壓錘擊或鉆入，二者的選擇主要依靠樁直接來(lái)決定，單樁結(jié)構(gòu)對(duì)水深變化具備一定的適應(yīng)性，但其結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)十分敏感，易受海床地質(zhì)影響。
2）導(dǎo)管架基礎(chǔ)：由鋼管樁通過(guò)導(dǎo)管架固定結(jié)構(gòu)物，可以保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體性，建造形式相對(duì)簡(jiǎn)單，可利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加大承載能力。導(dǎo)管架基礎(chǔ)適宜安裝在水深范圍在 20m-50m 左右的范圍內(nèi)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、造價(jià)較低的特點(diǎn)，所以導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
3）重力基礎(chǔ)：其主要依靠自身的巨大體積和重量保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在安裝前需提前進(jìn)行海底安裝準(zhǔn)備，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，受到海底沙粒影響較小，穩(wěn)定性和可靠性均已通過(guò)工程實(shí)際得到了證實(shí)。
4）負(fù)壓桶（吸力桶）基礎(chǔ)：負(fù)壓筒基礎(chǔ)通常包括單桶和多桶兩種形式。該基礎(chǔ)形式適用于軟黏土，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性同樣依靠自身重力來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其在安裝下沉的過(guò)程中極易出現(xiàn)傾斜，需不斷對(duì)其方向進(jìn)行調(diào)整。目前，負(fù)壓筒基礎(chǔ)在海洋風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用并沒(méi)有得到推廣，可靠性也需要不斷地研究加以證實(shí)。
5）浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)：浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前較為常見(jiàn)的主要有：張力腿平臺(tái)(TLP)、SPAR 型平臺(tái)和半潛式平臺(tái)等海洋油氣工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)形式，它們?cè)诮鼛啄曛饾u應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，其工作水深可達(dá)到200m 或更大水深海域，是進(jìn)軍深海的重要基礎(chǔ)形式。
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