吸力桶多桶基础承载特性的预测方法

技术领域

本发明涉及海洋吸力桶基础技术领域，尤其涉及一种吸力桶多桶基础承载特性的预测方法。

背景技术

基础作为海上风机上部结构的最终承担者，是风机结构安全稳定运行的关键。海上风机常用基础形式主要包括：重力式基础、单桩基础、导管架基础以及吸力桶基础。相比于其他类型基础，吸力桶基础具有土层适应性强、安装方便、施工周期短、可拆除重复使用等优点。近些年来，吸力桶基础已广泛应用于防波堤、固定和浮式海上风机、浮式油气平台的支撑结或锚泊基础，取得了良好的效果。

吸力桶基础分为单桶基础和多桶基础，如图1所示，多桶基础是由多个吸力桶10组合而成，与单桶基础相比，多桶基础自稳性好、土层适应性强，更容易满足风机叶轮转动对基础倾斜及海底地质条件不均匀的要求，更能适应海上复杂的环境。

吸力桶基础服役期间不仅要承受上部结构的巨大自重，而且会遭受风、浪、流引发的水平荷载及力矩共同作用，因此研究吸力桶基础在海上的水平极限承载力对保证海上风机的运行安全至关重要。但是多桶基础结构复杂，无论是模型试验还是现场施工，多桶基础数据获取的成本要远远高于单桶基础，单桶基础的试验数据的获取难度也远小于多桶基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸力桶多桶基础承载特性的预测方法，以解决现有技术中存在的多桶基础的水平极限承载力数据获取成本高且获取难度大的技术问题。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种吸力桶多桶基础承载特性的预测方法，包括：

步骤1：分析单桶基础受到水平加载时的M-θ关系，M为单桶基础受到的力矩，θ为单桶基础的旋转角度；

步骤2：分析多桶基础受到水平加载时的M

步骤3：根据单桶基础的极限承载力矩和转角，结合多桶基础的极限承载力矩计算公式，获得多桶基础的极限承载力矩和转角。

其中，在步骤1中，单桶基础受到水平加载时的M-θ关系如公式(1)所示：

M＝K

M＝K

式中，M为单桶基础受到的力矩；θ为单桶基础的旋转角度；K

其中，在步骤2中，多桶基础包括三个吸力桶，即三桶基础，三桶基础受到水平加载时的M

M

式中，M

其中，在步骤3中，单桶极限承载力矩M

式中，E

其中，高度h为桶直径的1/4。

其中，在三桶基础的几何模型中，三个吸力桶分布于一等边三角形的三个角上，三个吸力桶的中心距等边三角形的中心的距离相等，均为S，定义S为桶间距，等边三角形的高为1.5S。

其中，在三桶基础中，迎风侧为一个吸力桶，运动过程为向上拔出，产生拉拔位移，背风侧为两个吸力桶，运动过程为向下倾斜，产生向下的压缩位移。

其中，拉拔位移和压缩位移与旋转角度之间的关系式(21)：

式中，v

本发明的有益效果：

本发明提出的吸力桶多桶基础承载特性的预测方法，通过分析单桶基础受到水平加载时的M-θ关系以及多桶基础受到水平加载时的M

附图说明

图1是现有的单桶基础和多桶基础的示意图；

图2是本发明实施例提供的三桶基础的几何模型示意图；

图3是本发明实施例提供的三桶基础的受力模型示意图。

图中：

10、吸力桶。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供的吸力桶多桶基础承载特性的预测方法，是基于单桶基础在海上受到水平单调加载时的力矩与转角关系，分析多桶基础受到水平加载时的力矩与转角关系。在同一片海域中，海上风机受到的外部荷载是相同的，地下土层也是相同的，基于吸力桶单桶受到水平荷载时的数据，对多桶基础受到水平荷载时的动态特性进行预测，通过较小的成本预测出多桶基础受到水平荷载时的数据，无需试验模拟，降低成本的同时，对于研究海上风机多桶导管架基础的结构设计具有十分重要的意义。

本实施例提供的吸力桶多桶基础承载特性的预测方法，包括：

步骤1：分析单桶基础受到水平加载时的M-θ关系，M为单桶基础受到的力矩，θ为单桶基础的旋转角度；

步骤2：分析多桶基础受到水平加载时的M

步骤3：根据单桶基础的极限承载力矩和转角，结合多桶基础的极限承载力矩计算公式，获得多桶基础的极限承载力矩和转角。

在步骤1中，单桶基础受到水平加载时的M-θ关系如公式(1)所示：

M＝K

M＝K

式中，M为单桶基础受到的力矩；θ为单桶基础的旋转角度；K

下面详细介绍一下公式(1)的推导过程。

具体地，吸力桶受到水平荷载时，会受到V-M-H组合荷载作用。尽管土壤不是弹性的，但是研究土壤刚度的变化对于其动力响应的研究有重要意义。荷载-位移关系满足公式(11)所示的矩阵：

式中，V、H和M分别为吸力桶承受的竖向力、水平力和弯矩；K

由上述矩阵可知，竖向的荷载和位移不会影响水平向的动态响应，由于本次研究的为水平荷载，因此整理后得到水平方向的耦合运动，如公式(12)所示：

对公式(12)展开，可得到单桶基础的M-θ关系式(13)：

/>

在公式(13)中，假设当吸力桶受到水平加载时，这片海域的海洋黏土，其水平刚度参数K

对于水平刚度和旋转刚度，已有研究通过经验得到，公式(14)为通过土壤泊松比得到刚度表达式。

式中，v为土壤泊松比。

但是，关于耦合刚度K

M＝K

M＝K

公式(1)中所列的两个计算公式是并列的，任意一个都可以计算M。

关于K

在公式(1)中，假设：对于单桶基础在海上受到水平加载时，该单桶基础中吸力桶的直径D＝10m，加载点到泥面的距离l＝25m，土壤的泊松比v为0.35，剪切模量G

在本实施例中，多桶基础包括三个吸力桶，即三桶基础。

在步骤2中，多桶基础受到水平加载时的M

M

式中，M

下面详细介绍一下公式(2)的推导过程。

如图2和图3所示，在三桶基础的几何模型中，三个吸力桶10分布于一等边三角形的三个角上，三个吸力桶10的中心距等边三角形的中心的距离相等，均为S，定义S为桶间距，等边三角形的高为1.5S。

当三桶基础受到水平荷载H

为了方便计算，根据现有的对三桶基础水平加载的研究，得到迎风侧吸力桶10的拉拔位移要远大于背风侧吸力桶10的压缩位移。这就决定了如果忽略吸力桶10的压缩位移，最终得到的旋转角度θ

tanθ

例如，三桶基础整个结构在水平加载下产生的角度为0.25°，桶间距S的大小为10m，三桶基础中单个吸力桶直径D＝10m，此时根据公式(22)计算可以得到组成三桶基础的吸力桶的拉拔位移为v

海上三桶基础受到风、波浪等水平循环荷载，在这些水平荷载的作用下，三桶基础会发生旋转，产生旋转角度θ

M

式中，V

根据上述分析，迎风侧吸力桶的拉拔位移要远大于背风侧吸力桶的压缩位移，对公式(23)进行简化得到：

M

其中，公式(22)为v

θ

展开矩阵(11)后得到竖向荷载V

V

根据M

在步骤3中，单桶极限承载力矩M

式中，E

在本实施例中，s

下面详细介绍一下公式(3)的推导过程。

目前已存在的，对于三桶基础水平极限承载力存在公式(31)将水平极限力矩M

M

为了将水平加载下的三桶基础与同一片海域中的受到水平加载的单桶基础联系起来，利用水平承载因子这个参数将公式(31)改进后得到公式(32)：

M

式中，E

其中，E

N

M＝ N

将单桶基础的极限承载力矩M

例如：假设单桶基础中，在水平加载下的极限承载力矩M

根据已知的上述条件，对三桶基础的极限承载力矩M

在步骤3中，根据单桶基础和三桶基础受到水平加载时的M-θ关系，可以相互转化，得到三桶基础的旋转角度θ

根据公式(1)可得到M

例如：假设单桶基础中，在水平加载下的极限承载力矩M

根据已知的上述条件，对三桶基础的极限承载力矩M

综上所述，基于吸力桶单桶基础在水平加载下的M

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。