筒型基础与单桩相结合的新型复合风电基础研究

【摘要】：本文提出了一种筒型基础与单桩基础相结合的新型海上风电基础形式—桩-筒组合基础。与传统单桩基础相比，桩-筒组合基础改变了传统单桩基础的承载力提供模式和变形模式，可通过减小桩长、桩径、桩壁厚等途径降低整体用钢量。沉放入位的筒型基础可有效解决桩基定位问题。在等用钢量下，桩-筒组合基础可以承担更大荷载，应用到更大功率风机上。基于现有单桩基础及筒型基础承载力与变形理论，提出两种竖向极限破坏模式及一种水平极限破坏模式，建立砂土及黏土中的桩-筒组合基础极限竖向及水平承载力计算公式，分析不同参数对竖向及水平承载性能的影响。理论分析表明，桩-筒组合基础竖向承载性能随着土体容重、抗剪强度、桩入土深度、桩径、筒体外径及筒壁高度的增大而提高，水平承载性能随着土体抗剪强度、桩入土深度、桩径及筒体外径的增大而提高。通过大型有限元软件ABAQUS，建立单桩及桩-筒组合基础模型，利用力加载和位移加载两种控制方法，对承载性能的影响因素进行研究比对。结果表明，有限元分析结果与理论分析结果吻合较好，桩-筒组合基础承载性能影响因素、影响规律及变形模式与理论分析相同。根据理论及有限元研究结果，考虑经济性及施工可行性要求，给出桩-筒组合基础尺寸的建议取值：桩入土深度取4-6倍桩径，桩壁厚取1/100桩径，筒外径取2-4倍桩径，筒入土深度取0.5-1倍桩径，筒上部高度取与下部相等。根据实际工程荷载及地质条件，控制总用钢量相等，设计出3MW风机单桩基础及桩-筒组合基础。计算表明，桩-筒组合基础较单桩基础相比，可有效降低基础水平度和位移，提高承载性能。桩-筒组合基础破坏模式为转动破坏，转动中心位于筒底与桩底之间的某点上。研究结果为工程实践提供了一定的参考意见。 【关键词】：桩-筒组合基础 承载性能 理论分析 有限元分析
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU476.1
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 引言8-9
• 1.2 国内外研究发展现状9-11
• 1.2.1 海上风电单桩基础研究发展现状9-10
• 1.2.2 海上风电筒型基础研究发展现状10-11
• 1.3 本文主要研究内容11-12
• 第二章 桩-筒组合基础承载性能理论分析12-30
• 2.1 单桩基础承载性能理论分析12-20
• 2.1.1 单桩基础竖向承载性能理论分析12-15
• 2.1.2 单桩基础水平承载性能理论分析15-20
• 2.2 筒型基础承载性能理论分析20-23
• 2.2.1 筒型基础竖向承载性能理论分析20-22
• 2.2.2 筒型基础水平承载性能理论分析22-23
• 2.3 桩-筒组合基础承载性能理论分析23-29
• 2.3.1 桩-筒组合基础竖向承载性能理论分析23-25
• 2.3.2 桩-筒组合基础水平承载性能理论分析25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 桩-筒组合基础承载性能三维有限元分析30-52
• 3.1 有限元相关理论介绍30-33
• 3.1.1 有限元基本原理30
• 3.1.2 ABAQUS 有限元软件介绍30-31
• 3.1.3 材料本构关系介绍31-32
• 3.1.4 接触模拟32-33
• 3.2 桩-筒组合基础三维有限元模型的建立33-38
• 3.2.1 模型参数33-35
• 3.2.2 模型边界条件及接触设置35-36
• 3.2.3 模型网格划分及加载方式36-37
• 3.2.4 模型的初始地应力平衡37-38
• 3.3 有限元模型结果分析38-50
• 3.3.1 土质参数变化对基础静承载性能的影响40-44
• 3.3.2 桩入土深度变化对基础静承载性能的影响44-45
• 3.3.3 桩壁厚变化对基础静承载性能的影响45-47
• 3.3.4 筒体外径变化对基础静承载性能的影响47-49
• 3.3.5 筒壁高度变化对基础静承载性能的影响49-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第四章 实例分析52-60
• 4.1 工程概况52-53
• 4.2 数值计算结果分析53-59
• 4.2.1 承载力与变形分析53-58
• 4.2.2 土体破坏模式分析58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 结论与展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 致谢67

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