海上风机单桩基础与锚索的应用研究
赵俭斌1，王一成1，王 启1,2，席义博1
（1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 100168；2.吉林建筑科技学院，
吉林 长春 130000）
摘要：提出在海上风机的单桩基础上不同位置结合锚索，形成海上风机基础中的索塔结构。运用ABAQUS有限元模拟软件进行建模建立简化模型，上部风浪荷载与机箱叶片采用等效集中荷载（取极限值），运用p-y曲线理论做出土弹簧，在不同桩长的情况下，泥面位移量、泥面转角、桩顶位移等方面对无拉索的海上
单桩风机进行对比。结果表明：25m长度的桩长效果最优，并且泥面位移量、泥面转角、桩顶位移都有显著的优化。使得风机在基础位置削减桩长将减少用量节约成本，同时增添稳定性。
关键词：风机基础；土弹簧；锚索；ABAQUS有限元
中图分类号：TM315 文献标志码：B 文章编号：1673-0402（2021）01-0050-03
收稿日期：2020-03-11
作者简介：赵俭斌（1960-），男，教授，博导，主要从事区域软土基与基础工程方向研究。
目前，我国新能源项目已成为我国新能
源产业的重要组成部分[1]。风能是一大丰富宝
藏。在我国山区，山西省已经建成大型风力
发电厂，海面资源远远大于陆地资源，而且
海上的风力据统计是陆地风力的3倍以上。
北极星风力发电网BTM数据显示，2014~2018
年，全球海上风电装机将新增26117MW。到
2020年底，全球海上风电累计装机有望达到
32948MW，占到全球风电装机规模的6%[2]。
海上风机施工复杂，如果风机重力简化、基础
缩短便可以减少施工难度。
从失效机理上来看，海上常见的台风强气
流常规的地震[3]带给叶片和机箱，基本是以
桩体过度倾覆和桩体破坏为主。由于本文的单
桩基础坐落于浅水区，所以单桩与土体淤泥的
桩土作用及握裹力采用曹清等[4]利用有限元
法建立用弹簧阻尼单元近似模拟土体结构与
桩的相互作用。由于此次的模拟要探讨锚索在
风机基础上的应用，所以索塔基础[5]的单桩
长度要短于单桩长度。锚索承担了横向的拉力
作用，以此来减少单桩的横向位移，使得减少
单桩的长度，从而达到节约成本的目的。
1单桩风机基础结构
1.1 传统单桩
本次研究的风机结构为5.5MW风机，塔
筒高76m，整体由上中下三部分构成：上部塔
筒76m，中部法兰，下部单桩。从海底到桩顶
的距离为22.5m，单桩插入土体里长度分别为
为38m、30m、25m、20m。各部分之间通过
法兰用刚强度螺栓连接，单桩基础的尺寸见表
1。材料特性如表2所示。此次桩筒由 DH36
钢制成，屈服强度是355MPa。
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2021年第1期 总第297期
表1 单桩基础尺寸
位置桩径×高/m
壁厚/m 锚索连接处 6.5×20.15基础段下部1 6.5×380.075基础段下部2 6.5×300.075基础段下部3 6.5×250.075基础段下部4 6.5×20王一 博
0.075
表2 材料参数
部件弹性模量E/N·m -2密度ρ/kg·m -3
泊松比 μυ屈服
σ0.2/MPa 膨胀
alpha
单桩 2.10*101178500.3355无锚索
2.10*1011
7850
0.3
无压缩
1E-05
1.2 锚索（索塔）
锚索在这里作为拉索，用来承担部分水平荷载，可以有效地减小和控制桩体的位移量，但同时在锚索与桩身连接处会产生部分应力集中的现象。这里在桩身与锚索接触部位进行了增大壁厚的强化见表1，锚索的材料属性见表2，连接方式见表3。风机采用单桩基础搭配锚索（与独立单桩进行对比），在泥面以上12m 或21m 处分别做两种斜拉锚索固定单桩，一圈8根锚索，锚索与海底连接为铰接。
表3 连接属性
部件连接方式桩筒与锚索MPC 铰接锚索
与桩筒MPC 铰接
2桩土作用，系数模拟土弹簧
2.1 p-y 曲线
黏土中的p-y 曲线[6]，粘性土中桩的静力
极限侧向阻力建议计算为：
式中：X 是土体的表面以下的深度；X R 是一个过渡深度；D 为桩径；γ′为土体的有效重；Su 为不排水剪切土壤的强度；J 是一个无量纲经验常数，其值在范围0.25~0.50。固结粘土
对于静态加载，可以根据p-y 曲线生成：
1/32()8p=8P y c y u c
y y p y y ≤ ≥
对于循环加载和X >X R ，可以生成p-y 曲
线，p-y 曲线的表达式为：
1/32()3p=0.723u c p y c y u
c
y y p y y ≤ ≥ 对于循环加载和X ≤X R ，可以生成p-y 曲线，p-y 曲线的表达式为：
1/3
2312()30.72(1(1))3150.7215u c
c
R c
R p y c y y y X u c c X y X u c
X y y p p y y y p y y − ≤ −−<<
>
式中：Y C =2.5εCD ，此中D 为桩径；εC 为最大劳动应力的一半。对高饱和度的软黏土，也可以取没有侧限抗压强度一半处的应变值。
砂土中的 p-y 曲线
对于无粘性土中的桩，静态极限侧向阻力建议计算u p 为：
123()0R u R
C X C
D X X X p C D X
X X γγ′+<≤ =
′> 式中：系数 C1、C2、C3 的取值与摩擦角有关看DNV-OS-J101-OFFSHORE STANDARD_2007[6]图表。
p-y 曲线的表达式为：
式中：k 为最初的地基反力模量；K 的取值参考DNV-OS-J101-OFFSHORE STANDARD_2007[6]图表。A 是参数，其值与荷载的状态有关，在进行循环荷载时取 0.9。
2.2 t-z 曲线
桩身摩阻力 t 与桩身竖向位移 z 的关系如下式所示：
t IF f
t max
t
f t max
Z -r R G 1-r z=t
ln
式中：R 为桩的半径；G0为土的最初始剪切
模量；ZIF 为没有量纲的影响范围，确定为影
响区域半径与桩半径之比；r f 为曲线适宜因子。
2.3 Q-Z 曲线
粘性土中桩的单位桩尖阻力[7]可计算为：
q p c u
N s =式中：Nc =9；cu 为桩端土的不排水剪切强度。
无粘性土塞桩的单位桩尖阻力可以计算
为：0tan p q l
q N p q ϕ′=<；式中：0p ′为有效的上层覆盖土体压力；ϕ为摩擦角；q N 为承载力因子；l q 为极限桩端抗力。 分别求出X、Y、Z 三个方向的系数形成
土弹簧。
2021年第1期 总第297期
3有限元模型
3.1 单桩和单桩搭配锚索
运用ABAQUS软件[8]分别做出单桩和单桩搭配锚索的模型，桩土作用运用到土弹簧，每1m设置一圈，一圈8个模拟桩土作用。第二个模型是8根锚索的单桩基础，锚索与桩体采用MPC铰接。地质报告采用中国能建广东院，阳江沙扒海上风电场的土层参数[9]。通过对土体的分析和计算，模拟出了产生桩土作用的土体弹簧。
本次模拟参考实测数据取极限值，因为导致风机基础破坏的主要因素是最大弯矩，分别施加在单桩模型和有摸索模型，长度分别为38m、30m、25m、20m、15m。首先看有索与无索的单桩在不断缩短桩长的情况下的稳定性，见图1。可以看出有锚索支撑的单桩不但转角的大小要小1个数量级而且更加稳定，单桩则在15m
长时出现反弯。
图
1
图2
（1）研究了单桩泥面位置的位移量随桩的长度的变化曲线图和单桩泥面处的转向跟着桩的长度转变曲线图作为与锚索桩的对比。
（2）研究了锚索设置在泥面以上12m处的泥面位移随桩长的变化曲线图和单桩泥面处的转向跟着桩的长度转变的曲线图。得出在桩变短时有锚索的桩位移和转角都变得更加稳定。
（3）研究了锚索设置在泥面以上21m处的泥面位移随桩长的变化曲线图和泥面处的转向随着桩的长度的变化曲线图。可以看出在桩变短时有锚索的桩位移和转角都变得更加稳定且锚索越向上固定，效果越好。
（4）研究了3种单桩同样条件下泥面位移随桩长的变化和泥面处的转向随着桩的长度的变化。通过图2可以看出，有锚索的介入，单桩的稳定性大大进步，锚索锚的固点上移也会带来稳定性的提升。
4结语
本文主要研究了海上风机在极限风荷载作用下，使用现实的土层信息进行了模拟试验，分别做出了20m、25m、30m、38m的单桩基础和单桩搭配泥面上12m处锚索和单桩搭配泥面上21m处锚索的桩基础，具体结论如下：经过ABAQUS有限元模拟进行数据比对，发现锚索可以大大提高单桩的稳定性；锚
索绑扎点上升有助于提高稳定性。在本文使用的极限荷载和土层条件下，25m长的桩稳定性最好。此次研究之后，将会进行海上风机基础的疲劳损伤计算建立全时域的动力分析模型进行计算[10]。这对未来海上风机单桩基础的发展与运用有着明显的优化，同时也可以运用到陆地风机。参考文献：
[1] 章子华，李俊华，诸葛萍等.CFRP锚索型风电结
构抗台风性能研究 [J] .太阳能学报,2017,38(7):
1966-1972.
[2] 北极星风力发电网,news.bjx/html/20190226/
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[3] 王长尧.风电场如何应对地震灾害[N].中国能源报，
2013-04-29.
[4] 曹青，张豪.考虑土-结构相互作用的风电机组塔架
地震相应分析[J].西北地震学报,2011.33(1):62-66.
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[6] 席义博.风机基础疲劳损伤计算方法研究 [D] .沈阳:
沈阳建筑大学,2019.
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建筑与预算,2019, 53(9): 1711-1719.
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