标题

第 34 卷 第 11 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.34.11 2013 年 11 月 Journal of Harbin Engineering University Nov.2013 导 管 支 架 基 础 和 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 风 电 基 础 丁 红 岩 1,2,3, 孙 琪 晶 3, 张 浦 阳 1,3 3, 佟 雯 鸽 (1. 天 津 大 学 水 利 工 程 仿 真 与 安 全 国 家 重 点 实 验 室, 天 津 300072;2. 天 津 大 学 滨 海 土 木 工 程 结 构 与 安 全 教 育 部 重 点 实 验 室, 天 津 300072;3. 天 津 大 学 建 筑 工 程 学 院, 天 津 300072) 摘 要 : 针 对 单 桩 基 础 侧 向 刚 度 不 足 的 情 况, 为 提 高 单 桩 基 础 的 适 用 性, 提 出 了 一 种 以 单 桩 为 主 导 管 支 架 为 辅 的 新 型 复 合 风 电 基 础. 利 用 有 限 元 软 件 ABAQUS, 以 3 MW 风 机 基 础 为 研 究 对 象, 创 建 有 限 元 模 型, 模 拟 单 桩 基 础 和 新 型 复 合 风 电 基 础 的 受 力, 分 别 在 粉 砂 和 粉 质 粘 土 2 种 地 质 情 况 下, 分 析 该 新 型 复 合 基 础 的 受 力 ; 以 导 管 支 架 三 根 结 构 桩 的 直 径 及 入 土 深 度 为 变 量, 研 究 复 合 风 电 基 础 中 的 主 桩 应 力 及 水 平 度 的 变 化 情 况. 计 算 结 果 表 明 : 随 着 结 构 桩 直 径 或 入 土 深 度 的 增 加, 复 合 风 电 基 础 中 导 管 支 架 上 部 主 桩 应 力 基 本 保 持 不 变, 而 主 桩 与 泥 面 接 触 处 应 力 和 主 桩 水 平 度 明 显 减 小 ; 其 中, 结 构 桩 的 入 土 深 度 增 加 时, 用 钢 量 的 增 幅 较 小, 而 主 桩 与 泥 面 接 触 处 应 力 和 主 桩 水 平 度 的 减 幅 较 大, 这 为 结 构 的 优 化 设 计 提 供 参 考 依 据. 关 键 词 : 风 电 基 础 ;ABAQUS; 主 桩 应 力 ; 水 平 度 ; 单 桩 ; 导 管 支 架 doi:10.3969 / j.issn.1006 7043.201210061 网 络 出 版 地 址 :http: / / www.cnki.net / kcms / detail / 23.1390.U.20131108.1320.009.html 中 图 分 类 号 :TU47 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1006 7043(2013)11 1379 06 A new composite wind turbine foundation combining the jacket and monopile foundations DING Hongyan 1,2,3, SUN Qijing 3, ZHANG Puyang 1,3, TONG WENGE 3 (1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laborato ry of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract:In view of the lack of lateral stiffness of the monopile and in order to improve the applicability of it, this paper proposes a new wind turbine foundation which is based on a monopile and supplemented by a jacket founda tion. By using the general finite element program ABAQUS, and taking the 3 MW turbine foundation as the research object, a finite element model is created to simulate the stress process of the monopile and the new composite foun dation respectively in the sandy and silt filled clay soil, and analyze the new composite foundation stress; and using the diameter and depth of the three structural piles of the jacket as variables, the stress and the levelness variation of the new composite foundation are researched. The calculation results show that: with the structural pile's diame ter and depth increasing, the stress of the main pile above the jacket in the new composite foundation is basically unchanged, but the stress of the pile next to the surface and the levelness of the pile are obviously reduced; and with the depth increasing, the increase of the steel consumption amount is smaller, but the stress of the main pile next to the soil surface and the levelness of the pile are reduced to a great extent. These findings will provide some reference for structural optimization. Keywords:wind turbine foundation; ABAQUS; monopile stress; levelness; monopile; jacket foundation 收 稿 日 期 :2012 10 23 网 络 出 版 时 间 :2013 11 8 13:20. 基 金 项 目 : 国 家 863 计 划 资 助 项 目 (2012AA051705); 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (51109160); 国 家 国 际 科 技 合 作 专 项 基 金 资 助 项 目 (2012DFA70490); 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 资 助 项 目 (13JCQNJC06900). 作 者 简 介 : 丁 红 岩 (1963 ), 男, 教 授, 博 士 生 导 师 ; 张 浦 阳 (1978 ), 男, 副 教 授, 博 士. 通 信 作 者 : 张 浦 阳,E mail:zpy_td@ 163.com. 近 年 来, 在 全 球 发 展 低 碳 经 济 的 大 背 景 下, 风 能 作 为 一 种 清 洁 的 可 再 生 能 源, 已 经 成 为 世 界 上 发 展 最 快 的 绿 色 能 源, 风 力 发 电 也 逐 渐 成 为 许 多 国 家 可 持 续 发 展 的 重 要 组 成 部 分. 同 陆 上 风 电 相 比, 海 上 风 电 因 风 能 资 源 稳 定 丰 富 不 占 用 土 地 空 间 等 优 势 逐

1380 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 34 卷 渐 引 起 各 国 重 视 1 2], 近 海 风 力 发 电 技 术 成 为 研 究 和 应 用 的 热 点. 发 电 成 本 是 海 上 风 电 发 展 的 瓶 颈, 其 中 风 电 基 础 是 造 成 海 上 风 电 成 本 较 高 的 重 要 因 素, 且 近 年 来 大 容 量 风 电 机 组 对 相 应 的 支 撑 结 构 提 出 了 更 高 的 要 求, 所 以 海 上 风 电 基 础 结 构 的 研 究 在 风 电 发 展 中 有 重 要 意 义 3 4]. 单 桩 基 础 作 为 最 简 单 的 基 础 结 构, 是 目 前 陆 上 和 海 上 风 电 场 中 采 用 最 多 的 风 机 基 础 形 式 5 6]. 其 最 主 要 的 优 点 为 设 计 制 造 和 安 装 简 单, 成 本 较 低 7 8]. 但 是 随 着 水 深 的 增 加, 单 桩 的 侧 向 刚 度 不 足, 只 能 用 于 30 m 以 内 水 深. 而 导 管 架 基 础 作 为 海 上 风 电 应 用 较 多 的 另 一 种 基 础, 较 单 桩 基 础 更 加 坚 固 和 稳 定, 适 应 于 20 ~ 50 m 水 深, 但 是 其 制 作 和 安 装 成 本 较 高. 因 此 考 虑 到 以 上 2 种 常 用 结 构 的 优 缺 点, 本 文 提 出 了 一 种 导 管 支 架 基 础 与 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 风 电 基 础 结 构 型 式 9], 把 单 桩 作 为 主 要 受 力 桩, 导 管 支 架 基 础 作 为 结 构 桩, 用 以 辅 助 单 桩 承 受 水 平 荷 载 以 及 弯 矩 的 作 用. 本 文 以 新 型 复 合 风 电 基 础 为 例, 采 用 大 型 通 用 有 限 元 软 件 ABAQUS 对 其 进 行 结 构 的 受 力 性 能 分 析 10], 并 选 取 导 管 支 架 三 根 结 构 桩 的 直 径 和 入 土 深 度 作 为 参 变 量, 分 析 其 应 力 和 主 桩 水 平 度 的 变 化 规 律. 独 立 的 整 体 插 入 套 筒 中, 两 者 之 间 留 有 70 mm 的 缝 隙, 采 用 砂 浆 灌 缝. 模 型 的 尺 寸 如 图 2 所 示. 图 1 新 型 复 合 风 电 基 础 Fig. 1 The new composite foundation 表 1 土 质 参 数 Table 1 The main parameters of the soil 土 质 泊 松 比 粘 聚 力 / 摩 擦 角 / E / 湿 密 度 / kpa ( ) MPa (kg m -3 ) 粉 砂 0.22 6 25 9.73 1 900 粉 粘 土 0.3 12 9 4.57 1 870 注 : 土 质 取 自 江 苏 省 大 丰 市 东 部 海 域. 1 有 限 元 计 算 模 型 1.1 土 质 参 数 及 模 型 尺 寸 本 文 采 用 有 限 元 软 件 ABAQUS 对 所 提 出 的 3MW 风 机 新 型 复 合 风 电 基 础 进 行 分 析, 具 体 的 结 构 型 式 如 图 1 所 示. 由 于 是 对 新 型 复 合 基 础 的 研 究, 所 以 选 取 粉 砂 和 粉 质 粘 土 2 种 单 一 土 层 分 别 进 行 计 算, 土 质 参 数 见 表 1. 为 消 除 边 界 效 应, 土 体 计 算 模 型 径 向 取 d = 80 m, 厚 度 H = 50 m. 主 桩 钢 管 外 径 D = 4 400 mm, 壁 厚 t = 50 mm, 入 土 深 度 为 40 m, 泥 面 以 上 高 15 m. 导 管 支 架 的 斜 撑 采 用 直 径 1 500 mm 壁 厚 20 mm 的 钢 管, 并 与 主 桩 成 60 夹 角. 下 端 内 部 横 撑 采 用 直 径 1 500 mm, 壁 厚 20 mm 的 钢 管, 外 部 横 撑 采 用 直 径 900 mm, 壁 厚 20 mm 的 钢 管. 导 管 支 架 结 构 桩 的 入 土 深 度 和 直 径 作 为 变 量 进 行 计 算, 其 中 入 土 深 度 h 分 别 取 6 8 10 m, 直 径 D 分 别 取 4 5 6 m, 壁 厚 t 均 为 20 mm. 所 有 撑 杆 在 中 间 部 位 焊 接 到 套 筒 上, 主 桩 作 为 (a) 正 视 图 (b) 俯 视 图 图 2 模 型 尺 寸 Fig. 2 Size of the new composite foundation 1.2 模 型 设 置 有 限 元 计 算 中, 土 体 采 用 Mohr Coulomb 弹 塑 性 本 构 模 型. 地 基 和 基 础 统 一 采 用 6 面 体 8 节 点 单 元 ( C3D8R) 建 立 有 限 元 模 型, 按 线 弹 性 材 料 考 虑. 基 础 和 土 体 之 间 接 触 面 采 用 Coulomb 摩 擦 公 式, 摩 擦 系 数 取 0. 45; 接 触 界 面 法 向 为 自 由 接 触 方 式, 二 者 可 以 发 生 相 对 分 离. 模 型 在 加 载 之 前 要 进 行 地 应 力 平 衡, 在 地 基 中 施 加 初 始 地 应 力 场, 从 而 消 除 由 于 土 体 本 身 重 力 引 起 的 附 加 变 形. 土 体 顶 面 为 自 由, 底 面 为 固 定 约 束, 侧 面 采 用 法 向 固 定 约 束. 土 体 和 桩 体 ( 包 括 主 桩 和 结 构 桩 ) 的 接 触 面 模 型 采 用 主 动 - 被 动 面, 选 择 刚 度 大 的 桩 体 表 面 作 为 主 动 面, 土 体 的 刚 度 小 选 为 被 动

第 11 期 丁 红 岩, 等 : 导 管 支 架 基 础 和 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 风 电 基 础 1381 面. 撑 杆 与 套 筒 及 结 构 桩 之 间 的 连 接 模 型 采 用 tie. 荷 载 作 用 位 置 及 模 型 网 格 划 分 如 图 3 所 示. (a) 新 型 复 合 风 电 基 础 (b) 整 体 模 型 图 3 有 限 元 模 型 Fig. 3 Finite element model 1.3 荷 载 采 用 3 MW 风 机 荷 载, 荷 载 值 F H = 1 043 kn, F V = -4 390 kn,m Z = -96.4 MN m. 在 模 型 顶 端 设 置 一 参 考 点, 建 立 此 点 和 主 桩 顶 面 的 分 布 耦 合 约 束 关 系, 并 将 风 机 荷 载 加 于 参 考 点. 2 复 合 基 础 受 力 及 位 移 分 析 本 节 通 过 有 限 元 计 算, 分 析 了 新 型 复 合 基 础 的 受 力 机 理, 并 同 单 桩 基 础 的 受 力 机 理 进 行 了 比 较. 计 算 中 土 质 分 别 取 粉 质 粘 土 和 粉 砂 2 种 单 一 土 层, 结 构 桩 直 径 取 4 m, 入 土 深 度 取 10 m. 计 算 结 果 取 桩 的 应 力 桩 顶 水 平 位 移 和 水 平 度 为 研 究 对 象. 其 中, 水 平 度 是 指 桩 顶 横 向 位 移 与 泥 面 处 横 向 位 移 之 差 同 泥 面 以 上 桩 长 的 比 值, 是 衡 量 基 础 抗 侧 刚 度 的 重 要 参 数. 粉 质 粘 土 计 算 所 得 的 应 力 及 位 移 云 图 如 图 4 ~ 6 所 示. 粉 砂 计 算 所 得 的 应 力 及 位 移 云 图 如 图 7 ~ 9 所 示. 从 图 4 和 图 7 中 可 以 看 出 : 单 桩 基 础 在 单 桩 与 泥 面 接 触 处 产 生 较 大 的 压 应 力, 在 粉 质 粘 土 和 粉 砂 中, 单 桩 基 础 的 最 大 应 力 值 分 别 为 164. 8 MPa 和 164.6 MPa, 并 且 分 布 范 围 较 广, 而 复 合 基 础 较 大 的 压 应 力 出 现 在 导 管 支 架 上 部 的 主 桩 处 和 主 桩 与 泥 面 接 触 处, 其 中, 导 管 支 架 上 部 的 主 桩 最 大 压 应 力 S u 在 粉 质 粘 土 和 粉 砂 中 分 别 为 149.6 MPa 和 150.0 MPa. 由 有 限 元 计 算 结 果 可 知 : 复 合 基 础 的 主 桩 与 泥 面 接 触 处 最 大 压 应 力 S d 在 粉 质 粘 土 中 为 110.8 MPa, 在 粉 砂 中 为 106.5 MPa. 可 知, 复 合 基 础 的 最 大 压 应 力 都 出 现 在 导 管 支 架 上 部 的 主 桩 处, 应 力 的 大 小 及 分 布 范 围 都 比 单 桩 基 础 的 小. 由 此 可 见, 在 这 2 种 土 质 条 件 下 复 合 基 础 的 受 力 都 更 加 的 均 匀 合 理. 从 图 5 和 图 8 中 可 以 看 出 : 在 粉 质 粘 土 中, 单 桩 基 础 桩 顶 的 横 向 位 移 是 363.3 mm, 复 合 基 础 的 桩 顶 横 向 位 移 减 小 到 了 166.7 mm; 在 粉 砂 中, 单 桩 基 础 桩 顶 的 横 向 位 移 是 287.5 mm, 复 合 基 础 的 桩 顶 横 向 位 移 是 136.0 mm. 由 计 算 结 果 可 知 : 在 粉 质 粘 土 中, 水 平 度 由 12.43 降 到 了 6.08 ; 在 粉 砂 中, 水 平 度 由 10.51 降 到 了 5.13. 由 此 可 见, 复 合 基 础 有 效 的 提 高 了 单 桩 基 础 的 抗 侧 移 性 能. 从 图 4 ~ 9 中 的 复 合 基 础 的 应 力 及 位 移 图 可 以 看 出 :1) 复 合 基 础 中 的 结 构 桩 和 主 桩 的 应 力 都 远 小 于 单 桩 基 础 的 应 力 ;2) 其 横 向 位 移 与 单 桩 基 础 的 同 等 高 度 处 基 本 保 持 一 致, 但 其 处 于 主 桩 受 拉 一 侧 的 结 构 桩 上 升 及 其 处 于 主 桩 受 压 一 侧 的 结 构 桩 的 下 降 都 很 大. 可 见, 复 合 基 础 中 结 构 桩 本 身 应 力 较 小, 但 由 于 主 桩 受 拉 侧 的 结 构 桩 上 移, 另 一 侧 的 结 构 桩 下 移, 产 生 了 一 对 反 向 的 侧 摩 阻 力 并 形 成 力 矩, 抵 消 主 桩 所 受 的 部 分 弯 矩, 使 得 主 桩 的 横 向 位 移 和 竖 向 位 移 都 较 单 桩 基 础 减 小. 从 而 在 做 结 构 优 化 时, 从 增 大 抵 消 弯 矩 的 角 度, 可 以 从 以 下 2 个 方 面 进 行 考 虑 : 增 加 结 构 桩 与 土 的 接 触 面 积, 以 增 大 二 者 之 间 的 摩 擦 力 ; 增 加 结 构 桩 与 主 桩 之 间 的 距 离, 以 达 到 增 大 力 臂 的 效 果. 图 4 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 应 力 图 ( 粉 质 粘 土 ) Fig. 4 Stress diagram of the composite foundation and monopile( silty clay) 图 5 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 横 向 位 移 图 ( 粉 质 粘 土 ) Fig. 5 Lateral displacement diagram of the composite foundation and monopile( silty clay)

1382 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 34 卷 3 受 力 及 位 移 影 响 因 素 分 析 图 6 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 竖 向 位 移 图 ( 粉 质 粘 土 ) Fig. 6 Vertical displacement diagram of the composite foundation and monopile( silty clay) 影 响 导 管 支 架 基 础 与 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 风 电 基 础 受 力 及 位 移 情 况 的 因 素 有 许 多, 例 如 : 结 构 桩 的 入 土 深 度 直 径 结 构 桩 与 主 桩 之 间 的 距 离 导 管 支 架 与 主 桩 接 触 点 的 位 置 斜 撑 与 主 桩 之 间 的 角 度 等, 本 文 选 取 结 构 桩 的 入 土 深 度 和 直 径 作 为 变 量, 研 究 导 管 支 架 上 部 主 桩 的 最 大 应 力 S u 主 桩 与 泥 面 接 触 处 主 桩 的 最 大 应 力 S d 以 及 主 桩 水 平 度 u 的 变 化. 3.1 结 构 桩 入 土 深 度 的 影 响 选 取 结 构 桩 直 径 为 4 m, 分 别 计 算 入 土 深 度 为 6 8 10 m 时, 在 粉 砂 和 粉 质 粘 土 中 新 型 复 合 基 础 的 应 力 及 位 移. 计 算 结 果 如 图 10 所 示. Fig. 7 图 7 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 应 力 图 ( 粉 砂 ) Stress diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (a) 粉 砂 中 基 础 应 力 图 8 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 横 向 位 移 图 ( 粉 砂 ) Fig. 8 Lateral displacement diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (b) 粉 质 粘 土 中 基 础 应 力 图 9 复 合 基 础 与 单 桩 基 础 竖 向 位 移 图 ( 粉 砂 ) Fig. 9 Vertical displacement diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (c) 水 平 度 图 10 不 同 入 土 深 度 对 基 础 应 力 及 水 平 度 的 影 响 Fig. 10 The influence of different deep on stress and levelness 由 图 10 可 以 看 出 : 随 着 结 构 桩 入 土 深 度 增 加,

第 11 期 丁 红 岩, 等 : 导 管 支 架 基 础 和 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 风 电 基 础 1383 导 管 支 架 上 部 主 桩 应 力 基 本 维 持 不 变 ; 而 主 桩 与 泥 面 接 触 处 应 力 不 断 减 小, 并 且 趋 势 明 显. 在 粉 砂 和 粉 质 粘 土 中, 主 桩 的 最 大 应 力 都 出 现 在 导 管 支 架 上 部 主 桩 处. 主 桩 的 水 平 度 随 着 结 构 桩 入 土 深 度 的 增 加 不 断 减 小. 3.2 结 构 桩 直 径 的 影 响 选 取 结 构 桩 入 土 深 度 为 6 m, 计 算 直 径 为 4 5 6 m 时, 在 粉 砂 和 粉 质 粘 土 中 新 型 复 合 基 础 的 应 力 及 位 移. 计 算 结 果 如 图 11 所 示. 从 图 中 可 以 看 出 : 随 着 结 构 桩 直 径 的 增 加, 导 管 支 架 上 部 主 桩 应 力 基 本 维 持 不 变 ; 而 主 桩 与 泥 面 接 触 处 应 力 不 断 减 小, 并 且 趋 势 明 显. 在 粉 砂 和 粉 质 粘 土 中 主 桩 的 最 大 应 力 都 出 现 在 导 管 支 架 上 部 主 桩 处. 主 桩 的 水 平 度 随 着 结 构 桩 直 径 的 增 加 不 断 减 小. (a) 粉 砂 中 基 础 应 力 (b) 粉 质 粘 土 中 基 础 应 力 3.3 结 构 桩 与 土 的 接 触 面 积 结 构 桩 直 径 和 入 土 深 度 的 变 化, 必 然 引 起 结 构 桩 与 土 接 触 面 积 的 变 化. 以 结 构 桩 入 土 深 度 6 m, 直 径 4 m 为 基 准, 结 构 桩 与 土 接 触 面 积 S 的 变 化 量 及 其 引 起 的 S d 和 水 平 度 u 的 变 化 量 如 表 2. 从 表 中 数 据 可 知, 当 增 加 结 构 桩 的 入 土 深 度 或 直 径 时, 结 构 桩 与 土 的 接 触 面 积 随 之 增 加, 无 论 是 在 粉 砂 还 是 在 粉 质 粘 土 中,S d 和 u 都 随 接 触 面 积 增 加 而 减 小, 而 且 接 触 面 积 的 增 幅 越 大,S d 和 u 减 小 的 幅 度 也 越 大. 这 是 因 为 结 构 桩 和 土 的 接 触 面 积 增 加 的 越 多, 则 在 基 础 受 力 时, 土 为 结 构 桩 提 供 的 侧 摩 阻 力 就 越 大, 为 主 桩 提 供 的 抵 消 弯 矩 也 就 越 大, 从 而 使 得 S d 和 u 减 小 的 就 越 多. 所 以 在 模 型 优 化 选 型 时, 应 尽 量 选 取 结 构 桩 与 土 接 触 面 积 较 大 的 结 构 形 式. 表 2 接 触 面 积 的 影 响 Table 2 The influence of the contact surface % 入 土 深 度 变 化 直 径 变 化 土 质 改 变 量 (D = 4 m) (h = 6 m) h = 8 m h = 10 m D = 5 m D = 6 m S 增 加 33.33 66.66 25.06 50.12 粉 砂 S d 减 小 12.27 21.46 4.02 8.37 u 减 小 10.66 20.14 5.24 10.51 S 增 加 33.33 66.66 25.06 50.12 粉 质 S d 减 小 9.48 19.80 4.54 9.32 粘 土 u 减 小 8.73 19.04 6.09 11.27 3.4 用 钢 量 的 分 析 结 构 桩 直 径 和 入 土 深 度 的 变 化, 也 必 然 引 起 用 钢 量 的 变 化. 以 结 构 桩 入 土 深 度 6 m, 直 径 4 m 为 基 准, 用 钢 量 变 化 量 及 其 引 起 的 S d 和 u 的 变 化 量 如 下 表 3. 从 表 中 数 据 可 知, 当 结 构 桩 的 入 土 深 度 和 直 径 增 加 时, 即 用 钢 量 增 加 时, 无 论 是 在 粉 砂 还 是 在 粉 质 粘 土 中,2 种 变 量 相 比 较, 入 土 深 度 增 加 时, 用 钢 量 的 增 幅 较 小, 但 S d 及 u 的 减 幅 较 大 ; 而 随 着 直 径 的 增 加, 用 钢 量 的 增 幅 较 大, 但 S d 及 u 的 减 幅 反 而 较 小. 从 节 约 钢 材 经 济 的 角 度 考 虑, 在 模 型 优 化 选 型 时, 这 个 结 论 有 一 定 的 指 导 意 义. 表 3 用 钢 量 增 加 的 影 响 Table 3 The influence of the steel consumption % (c) 水 平 度 图 11 不 同 直 径 对 基 础 应 力 及 水 平 度 的 影 响 Fig. 11 The influence of different diameters on the stress and levelness 土 质 粉 砂 粉 质 粘 土 改 变 量 入 土 深 度 变 化 (D = 4 m) 直 径 变 化 (h = 6 m) h = 8 m h = 10 m D = 5 m D = 6 m 钢 增 量 2.37 4.74 3.56 7.13 S d 减 小 12.27 21.46 4.02 8.37 u 减 小 10.66 20.14 5.24 10.51 钢 增 量 2.37 4.74 3.56 7.13 S d 减 小 9.48 19.80 4.54 9.32 u 减 小 8.73 19.04 6.09 11.27

1384 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 34 卷 4 结 论 1) 与 单 桩 基 础 相 比, 导 管 支 架 和 单 桩 相 结 合 的 新 型 复 合 基 础 受 力 更 加 均 匀 合 理. 2) 导 管 支 架 对 复 合 基 础 的 作 用 是 靠 结 构 桩 与 土 的 接 触 产 生 的 侧 摩 阻 力, 进 而 产 生 抵 消 弯 矩, 减 小 主 桩 本 身 所 受 弯 矩, 使 得 其 应 力 及 位 移 都 减 小. 3) 随 着 结 构 桩 入 土 深 度 或 直 径 的 增 加, 结 构 桩 与 土 的 接 触 面 积 增 加, 产 生 的 侧 摩 阻 力 增 大, 导 管 支 架 上 部 主 桩 应 力 基 本 维 持 不 变, 主 桩 与 泥 面 接 触 处 应 力 逐 渐 减 小, 主 桩 水 平 度 逐 渐 减 小. 4) 结 构 桩 的 入 土 深 度 或 直 径 增 加 引 起 用 钢 量 增 加 时 : 随 入 土 深 度 的 增 加, 用 钢 量 的 增 幅 较 小, 桩 与 土 接 触 处 的 应 力 及 主 桩 的 水 平 度 的 减 幅 较 大 ; 而 随 直 径 的 增 加, 用 钢 量 的 增 幅 较 大, 主 桩 与 土 接 触 处 的 应 力 及 主 桩 的 水 平 度 的 减 幅 较 小. 参 考 文 献 : 1] HALIL K, VEDAT T, TON V. An integrated reliability based design optimization of offshore towers J]. Reliability Engineering and System Safety,2009,94(10):1510 1516. 2] WESTGATE Z J, DEJONG J T. Geotechnical considerations for offshore wind turbines J]. Mechanical Systems and Sig nal Processing,2005,15(1):101 119. 3]JONKMAN J, BUTTERFIELD S, MUSIAL W, et al. Defi nition of a 5 MW reference turbine for offshore system R]. Development Technical Report.REL / TP 500 38060. 2009. 4] 王 国 粹, 王 伟, 杨 敏. 3.6MW 海 上 风 机 单 桩 基 础 设 计 与 分 析 J]. 岩 土 工 程 学 报, 2011,33(2):95 100. WANG Guocui, WANG Wei,YANG Min. Design and analy sis of monopole foundation for 3.6MW offshore wind turbine J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33 (2):95 100. 5] ZAAIJER M B. Foundation modelling to assess dynamic be haviour of offshore turbines J]. Applied Ocean Research, 2006,28(1):5 57 6] 郭 玉 樹, 亚 克 慕 斯 马 丁, 阿 布 达 雷 赫 曼 哈 里. 用 循 环 三 轴 试 验 分 析 海 上 风 力 发 电 机 单 桩 基 础 侧 向 位 移 J]. 岩 土 工 程 学 报, 2009,31(11):1729 1734. GUO Yushu, ACHMUS Martin, ABDEL RAHMAN K. Esti mation of lateral deformation of monopile foundations by use of cyclic triaxial tests J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009,31(11):1729 1734. 7] DNV OS J101, Design of offshore wind turbine structure S].Det Norske Veritas, 2010. 8]ACHMUS M, KUO Y S, ABDEL RASHMAN K. Behavior of monopile foundation under cyclic lateral load J]. Com puters and Geotechnics, 2009,36(5): 725 735 9] 丁 红 岩, 张 浦 阳, 练 继 建. 一 种 组 合 桩 基 础 结 构. 中 国, 201210272704.5 P].2012 08 02. 10] 庄 茁, 张 帆, 岑 松. ABAQUS 非 线 性 有 限 元 分 析 与 实 例 M]. 北 京 : 科 学 出 版 社, 2005:61 110. ZHUANG Zhuo, ZHANG Fan, CEN Song. ABAQUS Non linear finite element analysis and example M]. Beijing: Science Press, 2005:61 110.