CN116227158A - 一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法 - Google Patents

一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，包含以下步骤：步骤S1：确定土体的等效剪切模量；步骤S2：建立基础‑地基土弹性刚度矩阵;步骤S3：根据吸力桩尺寸、土壤参数确定刚度矩阵中各个刚度系数，建立刚度数学型；应用本技术方案可为海上风电基础结构设计提供了有力支撑，大大简化了分析过程，提高设计效率并保证了计算准确性。

Description

一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法
技术领域
本发明涉及海上风电风机基础设计技术领域，特别是一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法。
背景技术
经统计表明，建造一个海上风电场所消耗的能量不到该风电场在其生命周期内所产生能量的2.5％，这使其成为最清洁的发电技术之一。此外，在现有的可再生能源中，风能已被证明是最有前途的形式之一。目前海上风电机组基础形式多样，有单桩基础、桩式导管架基础、重力式基础、吸力桩基础等。吸力桩是一种相对较新的基础类型，用于支撑上部风机结构。每个吸力桩由一个薄的圆柱形钢壳组成；钢壳顶部设有顶盖，与钢壳共同形成上端封闭下端敞口的吸力桩基础。
目前，海上风电风机基础设计均以地基土与基础的交界面为分界，进行多次反复迭代计算，以确定合适的下部桩基础与上部结构尺寸。因此，地基土-结构的相互作用对风机基础设计影响很大。同样的，在吸力桩基础初步设计时，不可避免地需要进行多次试算以确定最优的结构尺寸，因此需要合适的地基土-结构的相互作用计算方法，既能满足快速高效的需要，又能保证一定精度和可靠性。吸力桩基础在风和浪等环境荷载下的性能，取决于对吸力桩和地基之间的相互作用，特别是基础的动力特性受到地基土特性的影响。有限元等方法可以评估吸力桩-地基土的相互作用，但这种方法是低效的，所耗费的时间成本较大，等效刚度法则简单高效的多。在等效刚度方法中，将整个风机基础以上部导管架和下部吸力桩之间的交界面为分界，假定下部吸力桩与土的相互作用采用等效刚度来模拟，依靠力和力矩以及它们的共轭位移和转角来表示。现有的等效刚度法假设基础是完全刚性的，对于细长型、结构较柔的吸力桩基础来说，这种假设是不合理的。同时现有等效刚度法也进行了两种极端情况下的相关研究：一是将吸力桩顶盖标高处作为下部基础与上部导管架的分界面，将吸力桩顶盖假定是位于表层土的粗糙刚性圆形地基；另一种是假定吸力桩筒壁是完全刚性的。这两种方法均不能准确地模拟吸力桩-地基土相互作用关系。实际上，吸力桩与土的相互作用方式介于这两个极端之间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，为海上风电基础结构设计提供了有力支撑，大大简化了分析过程，提高设计效率并保证了计算准确性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，包含以下步骤：
步骤S1：确定土体的等效剪切模量；
步骤S2：建立基础-地基土弹性刚度矩阵；
步骤S3：根据吸力桩尺寸、土壤参数确定刚度矩阵中各个刚度系数，建立刚度数学型。
在一较佳的实施例中，所述步骤S1具体为：土体泊松比对等效刚度的影响通过土体等效剪切模量Geq近似考虑，土体等效剪切模量的表达式为：
Figure BDA0004050444880000031
其中，G为土体的剪切模量；v为土体的泊松比。
在一较佳的实施例中，所述步骤S2的基础-地基土弹性刚度矩阵具体为：
Figure BDA0004050444880000032
其中，Kh为水平刚度；Kv为竖向刚度；Kr为水平轴的转动刚度；Kt为绕竖轴的扭转刚度，Kh r为水平荷载与绕水平轴转角之间的耦合，Fx、Fy为水平力，Fz为竖向力，Mx、My为对应方向的弯矩，Mz为扭矩，ux、uy为水平位移，uz为竖向位移，θz为竖直方向角位移，φx、φy为水平方向角位移。
在一较佳的实施例中，所述步骤S3具体为：根据吸力桩基础的设计尺寸和土壤参数确定等效弹性刚度矩阵[K]中的各个刚度系数：
Figure BDA0004050444880000041
Figure BDA0004050444880000042
Figure BDA0004050444880000043
Figure BDA0004050444880000044
Figure BDA0004050444880000045
Figure BDA0004050444880000046
其中D为吸力桩直径；L吸力桩入土深度；μ为深度系数，对于直桩，μ的范围在0.85～1.0之间；ξ为无量纲参数，ρ为吸力桩入土深度的1/2处与吸力桩底部处土体剪切模量的比值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、既考虑了吸力桩顶盖的刚性，也考虑了筒壁的柔性。
2、相较于有限元分析方法，本发明所提出的等效刚度计算方法高效且具有可靠的精度。有限元分析方法精度较高，但效率最低，本发明提出了代表在弹性范围内受外荷载作用的吸力桩-地基土等效刚度系数和相应计算公式，高效且简单，适用于各种荷载作用的情况。
3、在确定完相应的土壤参数后，可根据需要修改吸力桩尺寸D和L，重新代入公式(3)～(7)中，即可快速确定等效刚度矩阵[K]，进行上部导管架的迭代计算。
4、计算公式中考虑了土壤刚度、剪切模量随深度变化对等效刚度的影响。
附图说明
图1为本发明优选实施例的程序模拟流程图；
图2为本发明优选实施例的吸力桩等效刚度计算约定的坐标系示意图；
图3为本发明优选实施例的吸力桩基础结构示意图；
图4为本发明优选实施例吸力桩基础与导管架之间迭代计算过程示意图(一)；
图5为本发明优选实施例吸力桩基础与导管架之间迭代计算过程示意图(二)。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，参考图1至5，包括以下几个步骤：
步骤1：确定土体的等效剪切模量；
步骤2：建立吸力桩基础与地基土相互作用的等效弹性刚度矩阵；
步骤3：根据吸力桩基础尺寸和土壤参数确定等效弹性刚度矩阵中的各个刚度系数，建立刚度数学模型；
本发明各步骤具体计算过程为：
步骤1：确定土体的等效剪切模量
土体泊松比对等效刚度的影响可以通过土体等效剪切模量来Geq近似考虑，土体等效剪切模量的表达式为：
Figure BDA0004050444880000061
其中，G为土体的剪切模量；V为土体的泊松比，在本实施例中，G为60MPa，V为0.4，由此可计算得到Geq为78MPa。
步骤2：建立吸力桩基础与地基土弹性刚度矩阵，方法如下：
以吸力桩在泥面处的中心为坐标原点建立坐标系，如图3所描述，确定吸力桩的荷载以及相应的位移，因此相互作用表达式为
Figure BDA0004050444880000062
在此基础上展开表达式并建立吸力桩基础与地基土的弹性刚度矩阵如下：
Figure BDA0004050444880000071
其中，Kh为水平刚度；Kv为竖向刚度；Kr为水平轴的转动刚度；Kt为绕竖轴的扭转刚度，Kh r为水平荷载与绕水平轴转角之间的耦合，Fx、Fy为水平力，Fz为竖向力，Mx、My为对应方向的弯矩，Mz为扭矩，ux、uy为水平位移，uz为竖向位移，θz为竖直方向角位移，φx、φy为水平方向角位移。
本发明的刚度矩阵[K]存在水平荷载与绕水平轴转角之间的耦合刚度Kh r的原因是图2所约定坐标原点位于吸力桩在泥面处的中心，而不是在吸力桩实际的转动中心；若两者重合，则刚度矩阵[K]中只包含对角线上的六个刚度系数，没有耦合项Kh r。两种不同情况下的刚度矩阵可以根据简单的推导进行相互转换。
步骤3：根据吸力桩基础的设计尺寸和土壤参数确定等效弹性刚度矩阵[K]中的各个刚度系数：
Figure BDA0004050444880000081
Figure BDA0004050444880000082
Figure BDA0004050444880000083
Figure BDA0004050444880000084
Figure BDA0004050444880000085
Figure BDA0004050444880000086
其中D为吸力桩直径，L吸力桩入土深度，μ为深度系数，对于直桩来说，μ的范围在0.85～1.0之间；ξ为无量纲参数，ρ为吸力桩入土深度的1/2处与吸力桩底部处土体剪切模量的比值。具体的，在本实施例中D为12m，L为20m，μ为0.85，ρ为1.0，由此计算得到ξ为1.83。将计算所得的吸力桩尺寸参数和土壤参数，以及利用公式(1)计算所得的Geq值代入公式(3)～(7)中，即可得出等效刚度矩阵[K]中的各个刚度系数，如下所示：
Figure BDA0004050444880000091

Claims (4)

1.一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：确定土体的等效剪切模量；
步骤S2：建立基础-地基土弹性刚度矩阵；
步骤S3：根据吸力桩尺寸、土壤参数确定刚度矩阵中各个刚度系数，建立刚度数学型。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：土体泊松比对等效刚度的影响通过土体等效剪切模量Geq近似考虑，土体等效剪切模量的表达式为：
Figure FDA0004050444860000011
其中，G为土体的剪切模量；v为土体的泊松比。
3.根据权利要求1所述的一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，其特征在于，所述步骤S2的基础-地基土弹性刚度矩阵具体为：
Figure FDA0004050444860000012
其中，Kh为水平刚度；Kv为竖向刚度；Kr为水平轴的转动刚度；Kt为绕竖轴的扭转刚度，Khr为水平荷载与绕水平轴转角之间的耦合，Fx、Fy为水平力，Fz为竖向力，Mx、My为对应方向的弯矩，Mz为扭矩，ux、uy为水平位移，uz为竖向位移，θz为竖直方向角位移，φx、φy为水平方向角位移。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电吸力桩与导管架分界面等效刚度计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据吸力桩基础的设计尺寸和土壤参数确定等效弹性刚度矩阵[K]中的各个刚度系数：
Figure FDA0004050444860000021
Figure FDA0004050444860000022
Figure FDA0004050444860000023
Figure FDA0004050444860000024
Figure FDA0004050444860000025
Figure FDA0004050444860000026
其中D为吸力桩直径；L吸力桩入土深度；μ为深度系数，对于直桩，μ的范围在0.85～1.0之间；ξ为无量纲参数，ρ为吸力桩入土深度的1/2处与吸力桩底部处土体剪切模量的比值。
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