徑向小高度加翼大直徑鋼管樁及其水平承載力計算方法與流程

本發明涉及一種徑向小高度加翼大直徑鋼管樁及其水平承載力計算方法，屬于風電基建工程
技術領域：
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背景技術：
：目前全球范圍內的海上風電機組基礎常用基礎形式主要有單樁基礎、三腳架、導管架、重力式、吸力筒、漂浮式、以及高樁承臺等基礎形式；樁基礎是海上風電基礎最主要的應用形式，其中單樁基礎的應用約占所有基礎類型的60％左右。我國目前海上風電基礎也以大直徑單樁基礎為主，通常采用直徑3m～7m的單根鋼管樁作為風力發電機的基礎。目前，海上風電場工程中的鋼管樁基礎均為管狀結構(詳見圖1)。風電機組單樁基礎除承受重力荷載之外，還承受風、浪、流等水平荷載作用，在設計中需要重點考慮其水平承載性能；樁的直徑往往由水平承載能力控制。樁的水平承載能力由樁的直徑、樁身抗彎能力及樁側土抗力所控制，而樁側土抗力的大部分由地表附近的土層提供。所以要增大樁的水平向承載能力，一個辦法是增大樁身直徑；另一個辦法是在地表附近土層的樁身周圍增加徑向翼，構成徑向加翼鋼管樁(詳見圖2)。在樁身水平承載能力相同的前提下，只要設計合理，采用“徑向加翼鋼管樁”往往比“增大樁身直徑”具有更好的經濟性。針對徑向加翼大直徑鋼管樁，為找到合理的翼板設計參數，特進行相關研究，從“安全、經濟、實用”的原則出發，發明了一種“徑向小高度加翼大直徑鋼管樁”，并給出了其水平承載力的計算方法。技術實現要素：目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種徑向小高度加翼大直徑鋼管樁及其水平承載力計算方法。技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種徑向小高度加翼大直徑鋼管樁及其水平承載力計算方法，包括如下步驟：步驟一：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、無徑向翼的普通彈性長樁，先根據《建筑樁基技術規范》jgj94-2008計算其水平承載力特征值的“基礎值”rh0；步驟二：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、無徑向翼的普通彈性長樁，采用數值分析手段，計算其水平承載能力rh1，以及地面處樁身的水平位移y1；然后以步驟一中的rh0為基礎，通過回歸分析，得到不同直徑鋼管樁水平承載力的“尺寸效應系數”kd，即：kd＝rh1/rh0＝(0.25lnd+0.86)；步驟三：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、設置徑向翼的彈性長樁，利用ansys軟件建立樁、徑向翼和地基土在樁頂水平荷載作用下的整體數值模型；采用數值分析手段，分析不同徑向翼數量n、不同翼板高度hs、不同徑向翼長度ls條件下的樁在樁頂水平荷載h作用下，地面處樁身的水平位移y2，其中取ds＝0m；步驟四：針對步驟三中的計算結果，按照“地面處樁身的水平位移與樁頂水平荷載成正比”的原則，通過優化分析，結合海上風電基礎大直徑鋼管樁的施工特點，確定徑向翼的高度hs；經過對比分析，確定本發明中的翼板高度hs＝0.3m～0.5m；步驟五：以步驟二中的y1為基礎，對步驟三～步驟四中的計算結果進行回歸分析，找出徑向加翼鋼管樁水平承載能力的“翼板效應系數”ks，即：ks＝y1/y2；步驟六：根據步驟一～步驟五，可以得到徑向小高度加翼，hs＝0.3m～0.5m大直徑鋼管樁的水平承載力rha＝kskdrh0；即：rha＝[1+(0.01n+0.10)ls0.2](0.97+0.1hs)(6/d)0.076(0.25lnd+0.86)×rh0。有益效果：本發明提供的徑向小高度加翼大直徑鋼管樁及其水平承載力計算方法，通過合理設置徑向翼，可以使大直徑鋼管樁中“較小直徑徑向加翼鋼管樁”與“較大直徑普通鋼管樁”具有相同的水平承載能力；在滿足水平承載能力要求的前提下，可以減少鋼管樁基礎的用鋼量。當翼板數量取6～8個、翼板高度取0.3m～0.5m、翼板長度取5m～10m、翼板頂部位于設計地面(設計泥面)處時，在水平承載能力相同的前提下，相比非加翼的d＝4.0m、5.0m、6.0m、7.0m大直徑普通鋼管樁(入土深度按40m計)，“徑向小高度加翼大直徑鋼管樁”分別節約鋼材可達20t、30t、42t、55t，鋼材用量節約10％～12％；僅每根樁的材料費和加工費就可節省投資約10萬元、15萬元、21萬元、27萬元，經濟效益較為顯著。因此，將本發明用于海上風電場風電機組大直徑鋼管樁單樁基礎工程，可以獲得良好的經濟效益和社會效益。附圖說明圖1為普通鋼管樁結構示意圖；圖2為徑向小高度加翼大直徑鋼管樁結構示意圖；圖3為a-a方向的剖視圖；圖4為b-b方向的剖視圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。如圖2、3、4所示，一種徑向小高度加翼大直徑鋼管樁，鋼管樁1側壁上均勻設置有多個徑向翼2，d為鋼管樁1的外徑；t為鋼管樁1的鋼管壁厚。徑向翼2的數量n：n≥4，一般為6～8個。徑向翼2的高度hs：徑向翼的高度根據水平承載能力的要求，通過計算加以確定；為保證鋼管樁受力特性的對稱性，方便施工，各個翼的高度取相同的值。徑向翼2的長度ls：徑向翼的長度根據水平承載能力的要求，通過計算加以確定；為保證鋼管樁受力特性的對稱性，方便施工，各個翼的長度取相同的值。徑向翼2的厚度ts：徑向翼的厚度根據水平承載能力的要求，通過計算加以確定；為保證鋼管樁受力特性的對稱性，方便施工，各個翼的厚度取相同的值。徑向翼2頂部到設計地面(最大沖刷線)的距離ds：為防止徑向翼露出地面(海床面)加劇樁周圍的局部沖刷，徑向翼應埋設在設計地面(最大沖刷線)以下；但為了充分發揮徑向翼的作用，埋置深度不宜過大；一般情況下，可取ds＝0m。徑向翼2的布置：徑向翼和鋼管樁的管身應可靠連接，以保證鋼管樁的受力特性滿足要求。為了保證鋼管樁的受力性能，便于鋼管樁的打設，徑向翼的長度方向和鋼管樁的樁身長度方向保持一致；為保證鋼管樁受力特性的對稱性，徑向翼沿鋼管樁周長等間距布置。一種徑向小高度加翼大直徑鋼管樁水平承載力計算方法，包括步驟如下：步驟一：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、無徑向翼的普通彈性長樁，先根據《建筑樁基技術規范》jgj94-2008計算其水平承載力特征值的“基礎值”rh0；步驟二：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、無徑向翼的普通彈性長樁，采用數值分析手段，計算其水平承載能力rh1，以及地面處樁身的水平位移y1；然后以步驟一中的rh0為基礎，通過回歸分析，得到不同直徑鋼管樁水平承載力的“尺寸效應系數”kd，即：kd＝rh1/rh0＝(0.25lnd+0.86)；具體過程如下：步驟201：針對鋼管直徑d＝3m、4m、5m、6m、7.5m的無徑向翼的普通彈性長樁，利用ansys軟件建立樁和地基土在樁頂水平荷載作用下的整體數值模型；數值模型中：樁頂高出地面為15m，水平荷載作用在樁頂；樁入土深度≥彈性長樁的入土深度，本處取40m；樁身壁厚取0.01d，采用shell181殼體單元模擬；樁平面位置位于地基土體模型范圍的中間；地基土體模型范圍取60m(長)×60m(寬)×64m(深)，地基土體采用solid185實體單元模擬；在土體側面的所有節點施加法向位移約束，在土體底部節點采用固定端約束；考慮樁側面和土之間的豎向摩擦力效應；在土體中樁與土體之間的接觸采用面面接觸的形式，接觸單元樁體采用targel70單元、土體采用contal74單元；樁外側土體與樁外表面設置接觸對，樁內土體與樁體的接觸面同樣設置接觸對；接觸算法采用罰函數形式；步驟202：對所述直徑d中每種鋼管樁，利用整體數值模型，計算其在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y1；步驟203：對步驟202中同一規格鋼管樁，根據《建筑樁基技術規范》jgj94-2008，計算其在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y0；步驟204：令地面處樁身的水平位移與樁頂水平荷載成正比，則對同一規格的鋼管樁，考慮樁和土之間的豎向摩擦力效應后，其水平承載力“尺寸效應系數”kd為：kd＝y0/y1；步驟205：對不同樁徑、不同土層分布的多個算例進行分析，可以得到各直徑鋼管樁“尺寸效應系數”kd的統計值，見表1：表1鋼管樁“尺寸效應系數”kd一覽表鋼管樁直徑d(m)34567.5“尺寸效應系數”kd1.121.231.281.321.35對表1中的數據進行回歸分析，可得kd與d之間的關系式，見下：kd＝(0.25lnd+0.86)，其相關系數的平方r2＝0.96。步驟三：針對鋼管直徑d＝3m～7.5m、設置徑向翼的彈性長樁，利用ansys軟件建立樁、徑向翼和地基土在樁頂水平荷載作用下的整體數值模型；數值模型中：樁頂高出地面為15m，水平荷載作用在樁頂；樁入土深度≥彈性長樁的入土深度，本處取40m；樁身壁厚取0.01d，徑向翼厚度ts＝0.01hs，樁身及徑向翼采用shell181殼體單元模擬；樁平面位置位于地基土體模型范圍的中間；地基土體模型范圍取60m(長)×60m(寬)×64m(深)，地基土體采用solid185實體單元模擬；在土體側面的所有節點施加法向位移約束，在土體底部節點采用固定端約束；考慮樁側面、徑向翼側面和土之間的豎向摩擦力效應；在土體中樁或徑向翼與土體之間的接觸采用面面接觸的形式，接觸單元樁體或徑向翼采用targel70單元、土體采用contal74單元；樁外側土體與樁外表面及徑向翼表面設置接觸對，樁內土體與樁體的接觸面同樣設置接觸對；接觸算法采用罰函數形式；采用數值分析手段，分析不同徑向翼數量n、不同翼板高度hs、不同徑向翼長度ls條件下的樁在樁頂水平荷載h作用下，地面處樁身的水平位移y2，其中取ds＝0m；步驟四：針對步驟三中的計算結果，按照“地面處樁身的水平位移與樁頂水平荷載成正比”的原則，通過優化分析，結合海上風電基礎大直徑鋼管樁的施工特點，確定徑向翼的高度hs；經過對比分析，確定本發明中的翼板高度hs＝0.3m～0.5m；具體過程如下：步驟401：以d＝6.0m鋼管樁(彈性長樁)為基準，分別取徑向翼數量n＝4、6、8，徑向翼高度hs＝0.3m、0.5m、0.7m、1.0m，徑向翼長度ls＝5m、10m、15m，建立相應的數值模型(參見步驟三)，計算不同參數組合的鋼管樁在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y2；同時建立d＝6.0m無翼板鋼管樁相應的數值模型(參見步驟201)，計算其在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y1；數值模型中，均考慮樁側面和土之間的豎向摩擦力效應；步驟402：令地面處樁身的水平位移與樁頂水平荷載成正比，以d＝6.0m無徑向翼鋼管樁的水平承載力為基準，計算d＝6.0m加翼鋼管樁的水平承載力增大系數ks,6：ks,6＝y1/y2，結果見表2：表2d＝6.0m加翼鋼管樁水平承載力增大系數ks,6一覽表步驟403：選擇ks,6最優的組合，從表2可看出：對加翼鋼管樁，隨著翼板數量n的增加、翼板長度ls的增大，其水平承載能力相應增大；隨著翼板高度hs的增加，受樁身強度及翼板強度的影響，其水平承載能力先增加、后趨于穩定，翼板高度hs在0.30m～0.50m之間時，其綜合經濟性較好；考慮到海上大直徑鋼管樁的運輸問題，為減小因翼板高度過大而帶來的運輸難度，確定加翼鋼管樁的翼板高度hs取0.30m～0.50m。步驟五：以步驟二中的y1為基礎，對步驟三～步驟四中的計算結果進行回歸分析，找出徑向加翼鋼管樁水平承載能力的“翼板效應系數”ks，即：ks＝y1/y2；具體過程如下：步驟501：對表2中hs＝0.30m、0.50m的ks,6進行回歸分析，可以得到d＝6.0m、n∈[4，8]、ls∈[5m，15m]、hs∈[0.3m，0.5m]的加翼鋼管樁的“翼板效應系數”ks(n,ls,hs,d＝6m)的計算公式，見下式：ks(n,ls,hs,d＝6m)＝[1+(0.01n+0.10)ls0.2](0.97+0.1hs)；步驟502：對其他直徑的加翼鋼管樁，令其“翼板效應系數”ks(n,ls,hs,d)與ks(n,ls,hs,d＝6m)之間存在如下關系：ks(n,ls,hs,d)＝ks(n,ls,hs,d＝6m)×ks(d)，并且對不同的n、ls、hs組合，ks(d)具有相同的計算公式；步驟503：分別取d＝3.0m、4.0m、5.0m、6.0m、7.0m；對每一個直徑的鋼管樁(彈性長樁)，取徑向翼數量n＝4，徑向翼高度hs＝0.3m，徑向翼長度ls＝5m，建立相應的數值模型(參見步驟三)，計算不同直徑加翼鋼管樁在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y2,d；數值模型中，考慮樁側面和土之間的豎向摩擦力效應；步驟504：對步驟503中d＝3.0m、4.0m、5.0m、6.0m、7.0m的無翼板鋼管樁，建立相應的數值模型(參見步驟二)，計算不同直徑鋼管樁在樁頂水平荷載h作用下、地面處樁身的水平位移y1,d；數值模型中，考慮樁和土之間的豎向摩擦力效應；步驟505：令地面處樁身的水平位移與樁頂水平荷載成正比；根據步驟503、步驟504中的計算結果，可得到n＝4、hs＝0.3m、ls＝5m的相應直徑鋼管樁的“翼板效應系數”ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d)：ks＝y1,d/y2,d，結果見表3：表3n＝4、hs＝0.3m、ls＝5m時不同直徑鋼管樁ks一覽表鋼管樁直徑d(m)34567ks1.261.221.201.191.18對表3中的數據進行回歸分析，可得ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d)與d之間的關系式，見下：ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d)＝1.361d-0.076，其相關系數的平方r2＝0.97；步驟506：根據步驟502可得：ks(d)＝ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d)/ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d＝6m)；將步驟505中ks(n＝4,hs＝0.3m,ls＝5m,d)＝1.361d-0.076帶入上式，可得：k(d)＝(6/d)0.076；從而可得：ks＝ks(n,ls,hsd)＝[1+(0.01n+0.10)ls0.2](0.97+0.1hs)(6/d)0.076；式中n為徑向翼數量，n∈[4，8]；ls為徑向翼長度，以m計，ls∈[5m，15m]；hs為徑向翼高度，以m計，hs∈[0.3m，0.5m]；d為鋼管樁外直徑，以m計，d∈[3m，7.5m]；步驟六：根據步驟一～步驟五，可以得到徑向小高度加翼(hs＝0.3m～0.5m)大直徑鋼管樁的水平承載力rha＝kskdrh0；即：rha＝[1+(0.01n+0.10)ls0.2](0.97+0.1hs)(6/d)0.076(0.25lnd+0.86)×rh0；式中相關參數的意義見步驟一～步驟五。以下舉例說明本發明在工程中的應用及其經濟效益。對泥質海域處的風電場，如果風電機組基礎采用大直徑鋼管樁單樁基礎，樁身壁厚t可取管樁外徑d的1％左右，樁身強度即可滿足要求；一般情況下，鋼管樁基礎的水平承載能力由地基土的強度控制，其控制指標體現在泥面處樁身水平位移上。為便于分析，下文取鋼管樁的壁厚t≈0.01d，其中包含預留腐蝕厚度δt，一般取δt＝3mm～5mm。例1：普通鋼管樁樁徑d＝4.0m，設計壁厚t＝42mm，預留腐蝕厚度δt＝3mm,則計算壁厚為39mm；鋼材的彈性模量e＝2.0×105mpa；樁入土深度lh＝40m(為彈性長樁)，設計地面(泥面)以上的長度(即樁頂到設計地面的長度)lx＝20m；按照《建筑樁基技術規范》jgj94-2008，地基土的m值為4.0mn/m4(未考慮樁徑的尺寸效應)。等效水平荷載作用在樁頂，泥面處樁身水平位移允許值[y0]＝20mm。取加翼鋼管樁的lh、lx與普通鋼管樁相同；求水平承載能力與該普通鋼管樁等效的加翼鋼管樁設計參數，并分析加翼鋼管樁的經濟效益。根據《建筑樁基技術規范》jgj94-2008，該鋼管樁的水平承載能力rh0按下式計算：式中：b0＝0.9(d+1)，以米計；i為樁橫截面慣性矩。經計算，α＝0.157，rh0＝1945kn；樁尺寸效應系數kd＝(0.25lnd+0.86)＝1.207；則該樁的水平承載能力rha＝kdrh0＝2347kn。加翼鋼管樁的水平承載能力按本發明給出的公式計算：rha＝[1+(0.01n+0.10)ls0.2](0.97+0.1hs)(6/d)0.076(0.25lnd+0.86)×rh0；其中的rh0根據加翼鋼管樁的樁徑、壁厚等參數，按照《建筑樁基技術規范》jgj94-2008進行計算。令普通鋼管樁的水平承載能力與加翼鋼管樁的水平承載能力相等，即可求出加翼鋼管樁的相關設計參數；對加翼鋼管樁翼板厚度ts，從翼板的強度、剛度及穩定方面考慮，取ts＝0.1hs。加翼鋼管樁的經濟效益以其節約的鋼材用量表征。實際工程中，設計地面以上的樁徑可以根據風機的安裝要求加以調整，不一定與入土段樁取同樣的直徑；為方便起見，可認為兩種鋼管樁設計地面以上部分的結構形式相同，不參與經濟比較；只比較設計地面以下段鋼管樁的用鋼量。加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益計算結果見表4所示。表4加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益一覽表(相比d＝4.0m普通鋼管樁)分別取普通鋼管樁樁徑d＝5.0m、設計壁厚t＝52mm，d＝6.0m、設計壁厚t＝62mm，樁徑d＝7.0m、設計壁厚t＝72mm；其他參數與例1中的參數相同。求水平承載能力與相應直徑普通鋼管樁等效的加翼鋼管樁設計參數，并分析加翼鋼管樁的經濟效益。按照例1的方法進行計算，則同樣可得加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益；結果見表5～表7所示。表5加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益一覽表(相比d＝5.0m普通鋼管樁)表6加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益一覽表(相比d＝6.0m普通鋼管樁)表7加翼鋼管樁設計參數及其經濟效益一覽表(相比d＝7.0m普通鋼管樁)從表4～表7可看出：“徑向小高度加翼大直徑鋼管樁”具有良好的經濟效益；當翼板數量取6～8個、翼板高度取0.3m～0.5m、翼板長度取5m～10m時，在水平承載能力相同的前提下，相比非加翼的d＝4.0m、5.0m、6.0m、7.0m大直徑普通鋼管樁，“徑向小高度加翼大直徑鋼管樁”分別節約鋼材約20t、30t、42t、55t，鋼材用量節約10％～12％；僅每根樁的材料費和加工費就可節省投資約10萬元、15萬元、21萬元、27萬元，經濟效益較為顯著。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12