基于P&H桩基础力学性能研究

2018-12-27李学山丁波涛何智武王忞煊

山西建筑 2018年35期

李学山丁波涛王浩何智武,3 王忞煊

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州 510663；2.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450000； 3.中国水利水电第十一工程局有限公司,河南郑州 450000)

0 引言

风能是清洁的可再生能源，随着全球化石能源枯竭、供应紧张、气候变化形势严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，并对风电发展高度重视，世界风电产业得到迅速发展[1]。P&H无张力灌注桩基础作为新型的风机基础，是迄今为止最经济的风力发电基础。其低廉的造价、超高的稳定性、广泛的适用性等诸多的优点，越来越受到人们的欢迎。

Erin E．Bachynski等[2]对于海上风机基础的研究表明，在不同的波浪和风荷载的重叠作用下，下部平台基础对上部风机塔架会有很大的影响，并且提出了对海上风机张力腿平台基础的优化方案；Chris Horgan[3]研究分析了海上风机基础和陆上基础在整个工程中造价所占的比重，得出了基础造价在工程中的造价占有很大的比重，因此优化设计基础可获得极大的经济效益；Inge Lotsberg[4]进行了风机钢管混凝土桩基础的正常使用极限状态下及极限疲劳状态下的试验研究，试验主要研究了塔筒与基础连接处圆周的剪力及焊接处的疲劳强度，分析了现有的设计的合理性以及提出了新的设计方法；薛志庆学者等[5]深入探讨了陆上风机八边形基础的计算以及设计方法，对其受力进行了理论分析，得到了该类型的风机基础的设计方法以及荷载计算表格。许新勇等[6]针对砂土软基上的发电机组塔架基础结构，建立了三维有限元数值模型，研究了砂土软基对风机塔架基础特殊形式的受力影响，分析了塔架基础结构的受力特性和规律。

目前，国内外学者对于P&H桩的力学性能研究较少。因此本文建立了地基—基础三维有限元模型，对P&H桩基础结构进行了力学性能有限元分析，验证P&H桩基础能否满足风机的稳定和强度要求，为今后P&H桩的研究提供理论依据和有益参考。

1 工程实例

1.1 设计方案

结合某风电场的地基情况，基础埋深为9.5 m，外波纹管直径为5.2 m，内波纹管直径为3.2 m；整个桩基础外部的回填混凝土部分，基坑上部外缘半径为8.4 m，下部外缘半径为7.4 m，整体呈倒置圆台状。本文主要进行不同工况的稳定性分析。

1.2 材料参数

1)回填混凝土的力学参数。

桩基础外部的回填混凝土，强度为C15,弹性模量E1=2.20×104N/mm2，泊松比ν1=0.167，重度γ1=24 kN/m3。内部的回填混凝土，强度为C30，弹性模量E2=3.00×104N/mm2；强度为C35，弹性模量E3=3.15×104N/mm2；强度为C40，弹性模量E4=3.25×104N/mm2；强度为C45，弹性模量E5=3.35×104N/mm2；强度为C50，弹性模量E6=3.45×104N/mm2；泊松比ν2,3,4,5=0.167，重度γ2,3,4,5,6=25 kN/m3。

2)预应力高强锚杆的力学参数。

预应力高强锚杆的弹性模量E7=2.20×104N/mm2，泊松比ν7=0.167，重度γ7=78.5 kN/m3。

3)回填土、地基土的力学参数。

回填土、地基土的弹性模量E8，9=1.7×104N/mm2,泊松比ν8,9=0.167,重度γ8=17 kN/m3。

1.3 有限元模型

在有限元模型计算中，基础部分的外部回填混凝土、波纹管内部回填混凝土以及中芯回填土的材料单元为Solid65单元；预应力高强锚杆所在面简化为一圆桶面，材料单元属性为Shell63单元。其中划分单元后的P&H桩地基及基础网格划分图及P&H桩基础有限元模型半剖图见图1，图2。

2 模型计算分析

2.1 位移分析

图3为正常工况和极端工况下的基础位移图。在其截面的上边缘取得5个特征点，分别为外部回填混凝土的最外缘点(节点1)、内部回填混凝土的内外缘点(节点2，4)、高强预应力锚杆最上端点(节点3)，中心点(节点5)。由图3中可以看出：1)极端工况下，基础的位移变化显著。2)高强预应力锚杆最上端点的位移最小，其中心点的位移最大。

2.2 应力分析

初步拟定桩基础为C40混凝土，图4a),图4b)和图5a)，图5b)为正常工况和极端工况的第一、三主应力图。由图4a)、图4b)可以看出：1)正常工况下，第一主应力值为1.8 MPa；极端工况下，应力值为8.73 MPa。2)正常工况下，整体上其拉应力值小于1.19 MPa，除了应力集中区域外其他大部分混凝土的拉应力都小于其设计值ft=1.71 N/mm2；极端工况下，整体上拉应力值小于0.81 MPa。由图5a)，图5b)可以看出：1)正常工况下，第三主应力值为2.99 MPa；极端工况下，应力值为9.88 MPa。2)正常工况和极端工况下，材料整体上符合强度要求。