锚杆重力式海上风电基础设计计算及分析

1 杨艇 2 黄勇 3 郑永来

1 同济大学 上海 200092 2 中交上海港湾工程设计研究院有限公司 上海 200032 3 同济大学 上海 200092

摘要：根据某海上风电场的风浪流自然条件、勘察资料、风机参数等条件，设计锚杆重力式海上风电基础方案，并通过计算与分析，研究锚杆重力式海上风电基础替代嵌岩单桩基础的可能性。

关键词：锚杆；重力式；海上风电；基础

某海上风电场项目规划装机约280MW，共安装45台风电机组（其中6.65MW风机31台，5MW风机12台，2台8.0MW样机）和一座海上升压站。原设计风机基础均采用嵌岩单桩，本文拟选取原设计采用灌打工艺的嵌岩单桩（Ⅲ型）机位地质及对应风机荷载及环境要素进行分析，研究采用锚杆重力式基础替代嵌岩单桩基础的可能性。

一、设计条件

1、自然条件

（1）设计水位：

设计高水位3.69m，设计低水位-3.07m，极端高水位5.08m，极端低水位-4.23m。

（2）波浪

极端高水位H1%=4.7m，极端低水位H1%=2.9m。

（3）海流

夏季测区潮流最大可能流速在25.7cm/s~147.4cm/s之间，冬季测区潮流最大可能流速在56.0cm/s~139.8cm/s之间。

（4）工程地质条件

1）地形地貌

风机位处海床底高程-14.50m，按平均海平面高程0.35m推算，风机位处平均水深约14.85m。风机位中心点50.0m的范围内海床地形较为平缓。

2）地层岩性

风机位自海床面以下最大钻探深度43.00m，自上而下分别为：①层淤泥混砂厚4.5m，⑨₃层碎裂状强风化花岗岩厚1m，⑨₄层中~微风化花岗岩。

2、风电机组几何尺寸与质量

本文采用6MW风机基础资料进行研究，风机底部塔筒总高85.46m，风机质量分布见表-1，风机荷载见表-2。

表-1 风机质量分布表

表-2 塔筒底部迭代极限荷载

二、锚杆重力式海上风电基础设计方案简介

基于该处地质条件，该机位拟采用预应力锚杆重力式基础结构，基础形式及尺寸见图-1，基础安放施工前，需开挖基槽，将表层4.5m厚软土层挖除。当开挖至⑨₃层碎裂状强风化花岗岩进行抛石并整平便于预制基础安装。基础泥面高程按天然泥面挖除表层4.5m软土层并铺设0.5m碎石垫层后的高程采用，取值为-18.5m。

该基础主体结构采用C60高性能海工混凝土，结构主要由钢筋砼筒、底板、外环隔仓板、径向隔仓板、预应力锚杆束5个部分组成。基础顶高程11.0m；钢筋砼筒高度28.2m，外径6.6m，壁厚0.6m；外环隔仓板高度6m，外径15.0m，壁厚0.6m；底板厚度1.3m，直径16.0m；基础布置6块径向隔仓板，高度为6m，厚度0.6m，将外环隔仓板、钢筋砼筒和底板围成的半封闭区域分为6个隔仓。钢筋砼筒采用中粗砂填料压载，外部隔仓采用块石填料压载，在预应力锚杆重力式基础边缘12m范围内布置3m厚的防冲刷抛石层。

预应力锚杆束采用圆环形对称布置，插入外环隔仓板中，环形直径14.7m。锚杆数量及锚杆环直径根据岩石锚杆风机基础相关规范确定，考虑到海上风电基础所受风机荷载作用方向的不确定性，共设置32个锚杆束，每个锚杆束由3根锚杆组成，锚杆采用PSB785预应力螺纹钢筋，锚杆端部由封锚板连接，单根锚杆直径为0.05m，长14.5m，伸入基础结构中7.5m，其余7m处于地基土中，锚杆与周围岩层采用高强灌浆连接。经计算锚杆就位后对每根锚杆束需要施加1500kN的预应力。

图-1 设计方案断面图

三、结构计算

采用有限元分析软件ABAQUS对基础结构受力、变形及局部应力分布进行计算分析，同时采用海工计算软件SACS对基础结构模态进行校核分析。

ABAQUS程序中采用实体单元C3D8R模拟除锚杆外的主体结构，锚杆结构采用梁单元B31模拟。钢筋砼筒内中粗砂与隔仓内块石采用等效质量法进行模拟。土体的非线性应力应变关系采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型模拟。经试算后确定采用直径为130m，深度为100m的圆柱体模拟地基土，从而消除边界效应对于有限元模型计算结果的影响。地基土均采用浮重度，建模时地基分为3层，第1层为碎石垫层，第2层为强风化岩层，第3层为中风化岩层。预应力锚杆材料为钢材，强度远高于土体，因此视锚杆为完全弹性材料，采用线弹性本构模型。模型材料参数见下表。

表-3 模型主要参数

由于锚杆周围灌浆体与土体的弹性特征不同，锚杆上荷载分布不均匀，存在应力集中现象。应力从加载端到锚固段末端逐渐衰减，变化趋势近似于双曲函数。锚杆与侧板及土体之间的接触关系采用嵌入单元模拟，即假定锚杆与接触部分的变形相同。锚杆预应力的施加方法与第二章模型相同。有限元计算模型如下图示。

图-2 预应力锚杆重力式基础有限元计算模型

四、结构分析

（1）整体稳定性分析

按照规范要求分别验算结构施工期和使用期整体稳定性，计算结果如表-4、表-5。

表-4 抗倾覆稳定性验算

表-5 抗滑移稳定性验算

由上表结果可知，无锚杆作用时在上部风机荷载作用下基础抗倾覆稳定性不满足规范稳定性要求，故设置锚杆以满足基础稳定性要求。

（2）锚杆数量及尺度分析

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中锚杆相关规定，同时考虑尽量减少现场作业量，锚杆数量按照孔间距S＞1.5m且尽量少布置的原则考虑，设计32根锚杆束，圆形均匀分布在侧板中，锚杆束中心点形成的圆形直径为14.7m，计算所需锚杆规格：

①单根锚杆所受拔力

计算可知N_kmax=1800kN，则设计值 。

②锚杆杆体受拉承载力

选用PSB785预应力螺纹钢筋，f_py=650N/mm²，As＞4112.3mm²。采用3根d=50mm的钢筋，As=5890.0mm²，满足要求。

锚杆预应力筋的张拉控制应力σcon≤0.70 =550 N/mm²，考虑预应力损失一般在10%~20%，且需满足N_kmax≤0.8σpAs，σp取300 N/mm²，单个锚杆施加预应力为1770kN，预应力损失后实际预应力取1500kN。

③锚固段长度

锚杆孔径D取0.18m，满足钻孔内预应力螺纹钢筋的面积不超过钻孔面积的15%。根据地勘报告，⑨₄层岩石饱和抗压强度为65~70MPa，属于坚硬岩，f_mg取1500kPa，K=2.2。灌浆材料选用M40,f_ms^’ 取1600kPa。锚固段长度按7m考虑，3根钢筋组成一组锚杆束，因此ψ取1.0，ζ取0.7，经计算，满足规范要求。

因此，单个锚杆直径为0.05m，锚杆孔径为0.18m，锚固段长7m嵌固于⑨₄层中，自由段长约7.5m，穿过⑨₃层和基础侧壁固定于基础上。

（3）静力计算结果分析

静力计算结果见表-6所示。

表-6 预应力锚杆重力式风电基础ABAQUS计算结果

计算结果表明，该机位控制工况为极端工况下风机荷载与波流力的组合，该方案基础整体稳定性、地基承载能力以及变形均满足规范要求。

（4）结构模态分析

采用SACS和ABAQUS计算基础自振频率、振型结果见表-7。

表-7 基础自振频率

由上述图表可以看出采用两种软件建模计算得到的基础结构前4阶自振频率和振型均相似，综合两套软件的计算结果，一阶频率为0.31Hz，处于允许范围0.23~0.69Hz内，满足风机厂商的设计要求。

五、小结

通过计算及分析，说明在特定的岩基海洋环境下，采用锚杆重力式海上风电基础替代嵌岩单桩基础的方案是可行的，设计中可以作为比选方案进行分析论证后选用。

参考文献

[1] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）

[2] 《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10105-2018）

[3] 《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）

[4] 《风电场机组地基基础设计规定》（FD003-2007）

[5] 朱雯，成果.基于锚杆体系的重力式海上风电基础结构受力特性分析[J].海洋开发与管理，2018，35(z1): 92-95.

[6] 杨威，林毅峰. 海上风电机组重力式基础稳定性计算方法的对比分析[J]. 太阳能，2019,(5): 68-72.

5