海上风机筒型基础场地动力响应的试验及模拟研(2)
图2?桩土界面连接示意Fig.2?Pile-soil interface connection
图2中,零长度单元节点在二维模型中只有2个自由度,而桩节点和土体节点有3个自由度,本文在不同自由度节点间通过equalDOF命令连接起来.桩土间的摩擦系数取0.3.摩擦力计算公式为
(1)
式中:为切向力;为法向力;为摩擦系数;为总黏聚力.
土体底部单元底部边界通过fix命令固定水平和竖直方向位移,左右边界同一高度的节点通过equalDOF命令连接在一起模拟土体在震动过程中的剪切变形,上部边界设置为自由排水.在试验中,在饱和砂土上方有1.5m深的上覆水层,为了在不改变土壤单元有效应力的情况下纳入场地上覆自由水的动态影响,在水体下方网格边界上的每个节点使用质量命令分配一个节点质量.本文中土体表面水平,所以水平质量设置为零,垂直质量设置为节点“支持”水的体积质量.对于每个节点,其体积以节点上的水深、到相邻节点的距离的一半和单元的厚度为界.根据土体划分单元的尺寸,对节点进行水平和垂直质量的分量分配.
模型从单一变量原则考虑设计了3个模型尺寸,本研究主要目的是通过对比不同高径比的筒型基础在地震过程中的土壤液化规律,研究几何尺寸对筒型基础地震响应的影响规律.3个模型保持直径不变,改变筒高,详细信息如表3所示.为减小边界效应的影响,本研究中地基宽度取10倍的筒径,模型安放在地基的中心位置.
Tab.3?Dimensions of simulated bucket foundation方案筒高/m筒径/m高径比H/D 模型22.550.5 模型34.050.8 模型46.551.3
OpenSees数值模拟分析中测点布置如图3所示,方形标块是自由场位置测点;圆形标块是筒形基础周围位置测点;x形标块是筒形基础筒下位置测点.测点从上到下的深度位置在标块右侧给出,下面的分析都是基于这些测点进行的.同时规定了同一标块组成一条路径,从左到右分别命名为路径1、路径2、路径3.
图3?测点位置Fig.3?Position of the measuring point
2?数值模型验证
图4为离心机振动台试验(图4(a))和OpenSees数值模拟计算(图4(b))得到的超静孔压比的时程曲线,选用高径比为1.3的筒型基础,分析了2.5m埋深处筒下、筒周以及自由场的超静孔压在地震载荷施加前后的变化趋势.对比结果表明,离心机试验及数值模拟分析揭示的地基土体液化性能一致:自由场处的超静孔压比大于1.0发生初始液化,而筒周和自由场处超静孔压比均未达到1.0未发生液化,筒周桩土摩擦和筒下附加应力提高了初始竖向应力,加强了地基土的抗液化性能.数值模拟计算中得到的3个采样点的超静孔压比峰值均与试验较吻合,有效揭示了在筒型基础作用下地基土体的抗液化性能,数值模型得到验证.通过进一步对比可知,试验得出的孔隙水压较数值计算消散速度更快,在地震载荷结束后即发生明显下降.在离心机试验中采用蒸馏水作为饱和液体介质,根据离心机相似比,离心机试验中孔压的消散速率与时间成二次方的关系,导致试验中孔压消散较快.
图4?超静孔压比对比Fig.4?Comparison of excess pore-pressure ratios
3?模拟结果反应分析
3.1?侧向位移
3种模型在地震期间筒前表层土体的侧向位移时程曲线如图5所示,数值分析中共选取了距离筒中心为1倍、2倍、6倍半径处的3个点进行对比.结果表明,在地震荷载作用下,筒模型前方表层土体均发生水平位移,位移在3个测点以不同的增长速率进行累积最终趋于稳定达到峰值,在距离筒形基础中心距离较近时,土体发生较大的侧向位移,距离较远处土体侧向位移数值较小,这个现象在较大外部载荷作用下更加明显,如图5(d)所示.对比不同高径比的筒型基础模型可知,在固定筒型的条件下,地基侧向位移趋于随埋深的增加而减小,高径比较大的筒型基础能够较好地抵抗侧向位移,拥有较高的水平稳定性.
图5?侧向位移时程曲线Fig.5?Time histories of the lateral displacement
图6显示了3种模型地震过程中的转角时程曲线,荷载作用下因为土体承载能力的弱化,筒基发生转角并在震中不断累加,地震后期累计变形有减缓的趋势,最终导致转角大于规范规定的要求.在朱斌?等[20]的论文中提到中国FD003—2007试行规范规定高度大于100m的风电机组基础转角不大于0.17°;英国在Thornton Bank海上风电场中规定重力式基础的转角不大于0.25°;德国规定海上风机的基础转角不大于0.5°.其中模型2的转角最大,达到了0.632°,说明在地震载荷作用下高径比较小的“矮胖型”筒基抵抗倾覆的能力较差.模型3、模型4的转角相差不大,但模型3产生的转角相对较小,说明增大高径比可以提高筒基的侧向承载力,但是高径比过大高瘦型筒基对动态荷载作用下侧向承载能力的提升不再那么明显,在3个模型中以模型3表现最佳.
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0727/513.html