海上风机钢管单桩基础轴向承载力
第３０卷第４期２０１２年４月
（）文章编号：１０００７７０９２０１２０４００７９０４－－－
水 电 能 源 科 学
ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒ Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．４
Ａｒ．２０１２ ｐ
海上风机钢管单桩基础轴向承载力研究
徐国宾，俞益铭，王海军
（）天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津３０００７２
摘要：针对海上风电基础形式中的钢管桩基础，采用Ａ通过计算桩顶ＢＡＱＵＳ软件进行三维有限元数值计算，荷载与桩顶沉降的关系，研究了钢管桩基础在单向荷载作用下的极限承载力特性，并对桩径、桩内土体压缩模量、桩外侧土体的内摩擦角等参数对轴向极限承载力的影响进行了敏感性分析，确定了钢管桩基础在单向荷载作用下影响轴向极限承载力的主要因素。
关键词：钢管桩；轴向承载力；内摩擦角；侧摩阻力；敏感性分析中图分类号：ＴＵ４７３
文献标志码：Ａ
其有 海上风能作为一种清洁的可再生能源，
效开发和利用受到世界各个国家的重视。截止全球共有１２００９年底，２个国家建立了海上风电
场，其中１世界海上风能累计装机０个位于欧洲；
［］容量达２１１０ＭＷ１。而我国海上风能的开发，
变模型、修正的剑桥模型、邓肯—张模型等，同时ＡＢＡＱＵＳ还提供了用户自定义材料模型的子程
序ＵＭＡＴ，有利于开发其他本构模型。其中，ＭｏｈｒＣｏｕｌｏｍｂ模型既能反映土体抗压强度不同－
［
２］
的Ｓ又简单实－Ｄ效应及对静水压力的敏感性，用，其土体参数可通过常规试验测定。因此，本文
［］土体计算采用ＭｏｈｒＣｏｕｌｏｍｂ模型３。－
由于起步较晚，存在缺乏足够的工程实践技术支持、风力控制系统技术基础单薄等问题。单桩基制造工艺简单的基础础作为一种无需处理海床、
形式，已应用在许多大型海上风电场中，成为海上但由于海上风电风电机组基础的一种标准方案，
开发环境的特殊性和复杂性，对单桩基础尤其是大直径的单立柱钢管桩基础进行深入研究很有必要。鉴此，本文采用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ
对海上大直径钢管桩进行有限元模拟计算，研究了单桩基础中直径在４～６ｍ内钢管桩轴向承载力的特性和影响轴向承载力的因素，并分析了钢外土体对桩极限承载力的影响，以期为海管桩内、
上风电钢管桩基础设计和研究提供参考。
ＭｏｈｒＣｏｕｌｏｍｂ模型屈服准则假定当土体中－
任何点的剪应力达到某个值时破坏发生，考虑了在屈服破坏之正应力的最大主剪应力屈服理论，
前采用弹性模型，设置弹性模量和泊松比，屈服破坏准则见图１。
１ 有限元计算模型设计
１．１ 土体本构模型及参数的选取
在有限元计算桩—土相互作用中，选取合理的土体本构模型非常关键。大型有限元软件包ＡＢＡＱＵＳ提供了丰富的岩土材料本构模型，
多孔弹性模型、括线弹性模型、ＭｏｈｒＣｏｕｌｏｍｂ模－型、扩展ＤｒｕｋｅｒＰｒａｅｒ模型、ＤｒｕｋｅｒＰｒａｅｒ蠕－－ｇｇ
，收稿日期：修回日期：２０１１０９１３２０１２０１０５－－－－
图１ Ｍｏｈｒｏｕｌｏｍｂ模型简图－ＣＦｉ１ Ｍｏｈｒｏｕｌｏｍｂｍｏｄｅｌｄｉａｒａｍ－Ｃ ｇ．ｇ
模型的屈服面函数为：
Ｆ＝Ｒｍｃｔａｎｑ－ｐφ－ｃ＝０
其中
（）１
Ｒｍｃ＝
（）
ｏｓΘ＋ｔａｎφ（３）３
３３
（ｃｏｓ３Θ）＝ｒ／ｑ
ｉｎΘ＋＋
３ｃｏｓφ
（）２（）３
）基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（５１０２１００４
，：作者简介：徐国宾（男，教授，研究方向为水利水电工程，１９５６Ｅ－ｍａｉｌｘｕｕｏｂｉｎａ．ｃｏｍ－）＠ｓｇ