海上打桩对单桩风机基础疲劳损伤影响

0 引言

在当前海上风电开发中，存在的基础形式主要有单桩基础、重力式基础、高桩承台和导管架基础等。其中单桩基础拥有加工制造简单、安装便捷、结构简单和受力明确等优势，被广泛应用于近海风力发电工程项目中。通过分析大量海洋风力发电工程项目资料得知，目前全球已建成海上风机基础75%以上为大直径单桩基础。随着海上风电大型化发展趋势，风电单机装电容量的增加，单桩基础的直径甚至可达到8 m以上，应用空间十分广泛。

风机基础作为风机机组的支撑结构，在海上风电建设中的地位十分重要。海上风机基础的建设受到海洋气象条件、水文条件和海底地质环境等因素的影响，涉及多个领域和专业，是海上风电场建设的难点之一。

海上风机钢结构基础在位过程中长期受到波浪和风机气动反力等荷载反复作用，疲劳损伤的计算和疲劳寿命的评估是海上风机基础设计的重要方面。而单桩基础在施工过程中，会受到反复锤击作用，才能贯入到设计入泥深度，这种打桩锤击次数通常需要数千次，而且打桩过程中应力幅值较大，单桩焊缝裂纹监测比较困难，特别是位于泥下部分，无法监测。因此，打桩引起的疲劳损伤有多大，损伤值max分布如何，以及如何分析打桩过程中桩体焊缝连接的疲劳损伤，进而考虑风机基础全生命周期的疲劳损伤，避免结构出现疲劳破坏，成为业内亟待解决的问题。

拟建风电场中心离岸距离35 km，场区大部分水深5 m～15 m。打桩分析机位泥面标高-14.6 m，桩长78 m，桩底标高-67 m，入泥深度52.4 m。

1.2 液压打桩锤技术参数

该机位单桩采用IHC S-1200液压打桩锤打桩，其技术参数见表1。

表1 IHC S-1200液压打桩锤技术参数 

1.3 地质数据

场区内地基土表层以粉土、粉砂为主，属南黄海滨海相沉积地貌单元。各层土的静力触探力学指标见表2。

表2 各层土静力触探力学指标 

1.4 桩基础数据

本机位单桩直径5.5 m，桩顶标高11.0 m。壁厚沿桩长的变化见表3。钢材等级采用EH36。

表3 桩基础尺寸 

2 单桩基础打桩工况分析

2.1 打桩模型

采用美国基桩动力学公司（PDI-Pile Dynamics,Inc.）专业打桩软件GRLWEAP进行打桩分析并提取打桩过程中不同截面处应力幅值及出现的频次，用于疲劳分析。

计算模型见图1，单位侧摩阻力及端阻，采用其静力触探（Cone Penetration Test,CPT）成果推算程序计算用CPT曲线见图2。

图1 打桩模型（单位：m)  

图2 程序用CPT曲线  

2.2 计算工况

打桩过程中考虑施工的连续性，采用以下2种不同的计算工况进行分析，见表4。

表4 计算工况 

3 打桩疲劳损伤分析

3.1 不同工况下应力幅值及频次

1）工况1

工况1下，不同应力幅值发生频次情况见表5。

2）工况2

工况2下，不同应力幅值发生频次情况见表6。

表5 工况1不同应力幅值发生频次 

表6 工况2不同应力幅值发生频次

表6 工况2不同应力幅值发生频次（续）

3.2 疲劳损伤分析

疲劳计算基于minier累计疲劳损伤理论，采用挪威船级社规范DNV-RP-C203进行。计算中采用自编《海上风电单桩基础打桩疲劳分析程序》，利用GRLWEAP计算的不同工况下延桩身分布的应力谱结果进行自动分析。对于圆管，S-N曲线选用T曲线。

根据DNV-RP-C203规范，单桩横向焊缝的疲劳采用如式（1）和式（2）进行计算。

式中：D累积疲劳损伤；a疲劳曲线参数；m疲劳曲线参数；k不同应力幅值的数量；Δσ_i第i个应力幅值；n_i第i个应力幅值对应的应力循环次数N_i第i个应力幅值对应的疲劳破坏时循环次数；η疲劳利用率系数。

以75 m位置工况2打桩为例，计算的疲劳损伤计算结果见图3。

图3 单根焊缝疲劳分析程序及结果

3.3 桩体疲劳损伤结果

重复以上计算可以得到不同工况、不同位置的疲劳损伤，见图4。

1）工况1。max累积疲劳损伤发生在泥面以下，值为19%。

2）工况2。max累积疲劳损伤发生在泥面以下，值为23%。

图4 桩体不同工况、不同位置焊缝的疲劳损伤分布

4 结论

本文采用GRLWEAP软件依据CPT原位测试试验数据，对某机位单桩进行了打桩过程数值模拟分析，可以得出以下结论：

1）打桩施工出现间断工况与连续打桩工况相比，前者疲劳损伤值更高。

2）单桩结构打桩过程产生的疲劳损伤max位置出现在泥面以下，靠近桩体下部。

3）单桩结构打桩过程中，产生的疲劳损伤至高可达20%以上，在风机基础疲劳设计中不容忽视。