吸力桶基础的沉降评价方法

本发明涉及海洋吸力桶基础，尤其涉及一种吸力桶基础的沉降评价方法。

背景技术：

1、吸力桶基础是一种新型海上风电基础，大多采用薄壁圆柱形壳体结构，并于下端开口、上端以顶盖封口。安装时通过往桶外抽水，形成内外压力差，在压力水头作用下，克服裙板侧摩阻与端阻贯入至海床中。近些年，吸力桶基础逐渐被推广应用于支撑固定式海上风电机组，其应用形式可分为多桶导管架结构和单桶单柱结构。

2、目前，我国海上风电开发的总体趋势是由近浅海朝深远海发展以及风电机组大容量化，可以预见风机结构承受的环境荷载水平将大幅提高，对风机支撑结构的承载力和刚度要求骤升，多桶导管架结构逐渐替代单桶单柱结构。

3、在海上风机在其20-25年的服役期内，多桶导管架结构各个吸力桶基础长期受到大小不同的竖向荷载作用，极易引发不均匀沉降，导致风机结构整体倾斜。海上风电机组对风机整体垂直度要求严苛，相关国内外规范一般要求风机在其服役期内的累积倾斜度不超过0.5°。现有技术无法在设计阶段准确评估多桶导管架结构中每个吸力桶基础的长期沉降变形，不能计算差异沉降引起的结构倾斜，因此无法为多桶导管架结构设计提供指导。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种吸力桶基础的沉降评价方法，以解决现有技术中存在的吸力桶基础长期沉降的参数难以进行有效评估的技术问题。

2、如上构思，本发明所采用的技术方案是：

3、一种吸力桶基础的沉降评价方法，包括：

4、步骤1：对吸力桶基础周围的土体进行多项试验，得到土体的土性参数；

5、步骤2：选取与吸力桶基础相同材质与型号的管材，进行拉伸试验，得到工程应力-应变曲线，基于工程应力-应变曲线结合计算公式得到吸力桶基础的桶材参数；

6、步骤3：考虑海上风机在长期主导风载荷作用下的发电情况，对吸力桶基础受到的风载荷进行计算；

7、步骤4：建立吸力桶基础与土体相互作用的三维有限元模型，将土性参数和桶材参数导入至三维有限元模型中，根据吸力桶基础受到的风载荷对吸力桶基础进行模拟；

8、步骤5：根据模拟计算结果，获得吸力桶基础的最大不均匀沉降随时间的变化曲线以及吸力桶基础的累积位移转角随时间的变化曲线。

9、其中，在步骤1中，多项试验包括标准应力路径静三轴试验、高级固结试验和循环剪切试验，土性参数包括密度、剪切模量、弹性模量、内摩擦角和黏聚力。

10、其中，在步骤2中，基于工程应力-应变曲线结合真实应力应变转化计算公式得到吸力桶基础的真实应力和真实应变。

11、其中，真实应力应变转化计算公式如下：

12、

13、

14、式中，εtrue为真实应变；σtrue为真实应力，单位pa；σ为工程应力；ε为工程应变；μ为泊松比；l为试样长度，单位m；l0为试样初始长度，单位m；δl为试样变形量，单位m。

15、其中，在步骤2中，桶材参数包括桶材的屈服强度、弹性模量以及屈服后的塑性变化。

16、其中，在步骤3中，吸力桶基础受到的风载荷包括占主导作用的顺风向的风速，能够分解为平均风速和脉动风速；

17、对于平均风速，其沿高度的变化规律可用指数函数形式公式(1)表示：

18、

19、式中，为标准高度z1处的平均风速；为高度z处的平均风速；α为地面粗糙度系数；

20、对于脉动风，采用kaimal谱作为脉动风速谱进行风荷载模拟，如公式(2)所示：

21、

22、式中，s(f)为脉动风速功率谱；f为脉动风频率；z为任意点高度；x为相似律坐标；k为与地面粗糙度相关的系数；ū(10)为高度10m处的平均风速。

23、其中，在步骤5之后还包括：

24、步骤6：分析各个参数对吸力桶基础最终沉降的影响；

25、步骤7：对各个参数进行敏感性分析。

26、其中，步骤7包括：

27、步骤71：对每个参数进行变量分析，得到不同参数下吸力桶最大沉降的变化曲线以及对应的曲线公式；

28、步骤72：对各个参数进行正交试验；

29、步骤73：对正交试验的结果进行多元线性回归，得到各个参数与吸力桶基础最大沉降量的回归方程。

30、本发明的有益效果：

31、本发明提出的吸力桶基础的沉降评价方法，考虑海上风机在长期主导风载荷作用下的发电情况，对吸力桶基础受到的风载荷进行计算；通过获得吸力桶基础的最大不均匀沉降随时间的变化曲线以及吸力桶基础的累积位移转角随时间的变化曲线，能够对吸力桶基础长期沉降进行有效评估，为海上风机基础的建设提供有效参考，为吸力桶长期沉降的预测提供科学合理的判断依据，使得吸力桶基础的最大沉降满足设计标准且处于安全状态。

技术特征：

1.吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，在步骤1中，多项试验包括标准应力路径静三轴试验、高级固结试验和循环剪切试验，土性参数包括密度、剪切模量、弹性模量、内摩擦角和黏聚力。

3.根据权利要求1所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，在步骤2中，基于工程应力-应变曲线结合真实应力应变转化计算公式得到吸力桶基础的真实应力和真实应变。

4.根据权利要求3所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，真实应力应变转化计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，在步骤2中，桶材参数包括桶材的屈服强度、弹性模量以及屈服后的塑性变化。

6.根据权利要求1所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，在步骤3中，吸力桶基础受到的风载荷包括占主导作用的顺风向的风速，能够分解为平均风速和脉动风速；

7.根据权利要求1所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，在步骤5之后还包括：

8.根据权利要求7所述的吸力桶基础的沉降评价方法，其特征在于，步骤7包括：

技术总结
本发明公开了一种吸力桶基础的沉降评价方法，其属于海洋吸力桶基础技术领域，包括：对吸力桶基础周围的土体进行多项试验，得到土体的土性参数；选取与吸力桶基础相同材质与型号的管材，进行拉伸试验，得到工程应力‑应变曲线，基于工程应力‑应变曲线结合计算公式得到吸力桶基础的桶材参数；考虑海上风机在长期主导风载荷作用下的发电情况，对吸力桶基础受到的风载荷进行计算；建立吸力桶基础与土体相互作用的三维有限元模型，将土性参数和桶材参数导入至三维有限元模型中，根据吸力桶基础受到的风载荷对吸力桶基础进行模拟；根据模拟计算结果，获得吸力桶基础的最大不均匀沉降随时间的变化曲线以及吸力桶基础的累积位移转角随时间的变化曲线。

技术研发人员：寇海磊,安兆暾,张西鑫
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12