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桩基础由于具有高承载力和低沉降的特点,在工程中被大量使用。海上风电场的桩基础承受相当大的波浪、潮流等形式的水平动荷载,如果设计不当将会导致结构的破坏。因此,研究桩基础在波浪荷载作用下的动力反应具有重要的理论价值和实际意义。
本课题以江苏省自然科学基金项目(BK2008315)为依托,以上海东海大桥100MW海上风电示范项目为工程背景,研究水上高承台桩基础受波浪作用下的动态响应。本文主要工作和结论如下:
总结了目前被广泛应用的线性波理论、stokes二阶波、三阶波、五阶波和椭圆余弦波理论,分析了这些波浪理论的适用范围,选出了与依托工程最适宜的波浪理论。分析了不同波浪力的计算方法适用范围,应用Morison方程计算波浪力,给出了斜桩上波浪力的公式,分析了海流影响下波浪力公式的修正方法,并讨论了群桩效应对波浪力的影响。
以Penzien模型为出发点,同时参考Novak模型和Winkler模型的取值方法,将桩离散成多质点系,建立了波浪作用下单桩桩土振动的基本模型。根据达朗贝尔原理,给出了波浪力作用下桩土模型的振动方程,探讨了振动方程的Wilson-θ解法。以《GB50040-96动力机器基础设计规范》为依据,给出了各参数的确定方法。针对静、动力荷载作用下土抗力的两种计算方法,给出了采用m值法和p-y曲线法时桩土动力响应的计算步骤及流程图,并编制了计算程序。
以上海东海大桥海上风力发电场为工程背景,结合水文观测资料,选出了与实际工程相适宜的波浪理论,并计算波浪力,分析了桩倾斜,潮流因素对波浪力的影响。采用编制的计算程序,计算了桩土动力响应,对比了m值法和p-y曲线法的结果,并分析了桩斜率、倾斜方向、刚度等对动力响应的影响。
通过大型有限元软件ABAQUS对波浪荷载作用下单桩进行了非线性分析,并与本文方法计算值进行了对比;讨论了入土深度、桩刚度、桩径和倾斜角度对单桩动力响应的影响;最后分析了波浪力作用下群桩基础的动力响应,并与单桩进行了对比,得出了一些有意义的结论。