海上风电机组基础结构-第四章课件

海上海上风电机机组基基础结构构陈达达重力式基础重力式基础重力式基础简介重力式基础简介重力式基础是一种传统的基础型式，一般为钢筋混凝土结构，是是所所有有的的基基础类型型中中体体积最最大大、重重量量最最大大的的基基础，依依靠靠自自身身的的重重力力使使风机机保保持持垂垂直直。在制作时，一般利用岸边的干船坞进行预制，制作好以后，再由专用船舶装运或浮运至海上指定位置安装。海床预先处理平整并铺上一层碎石，然后再将预制好的基础放于碎石之上。重力式基础适用条件重力式基础适用条件重力式基础一般适用于水深小于10m的海域重力式基重力式基础的的优点点重力式基础重力式基础n结构简单，造价低，抗风暴和风浪袭击性能好，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。n需预先处理海床；其体积大、重量大，安装不方便；适用水深范围太过狭窄，随着水深的增加，其经济性不仅不能得到体现，造价反而比其它类型基础要高。重力式基重力式基础的缺的缺点点重力式基重力式基础的改的改进n钢钢桶桶重重力力式式基基础础，这种结构形式是在混凝土平板上放置钢桶，然后在钢桶里填置鹅卵石、碎石子等高密度物质。n这种结构比起混凝土重力式基础来轻便很多，能够实现用同一个起重机完成基础和风机的吊装。但是这种结构需要阴极保护系统，在造价上也比混凝土重力式基础要高。本章内容本章内容重力式基础重力式基础4.1 重力式基础的结构形式及特点重力式基础的结构形式及特点4.2重力式基重力式基础的一般构造的一般构造4.3 重力式基础的基本计算重力式基础的基本计算4.4 沉箱基沉箱基础4.5 大直径圆筒基础大直径圆筒基础4.6 吸力式基吸力式基础4.1 重力式基础的结构形式及特点重力式基础的结构形式及特点n预制基础构件；n开挖基床；n抛填块石基床；n基床夯实和整平；n在抛石基床上安装基础预制件；n基础预制件内部填充；n胸墙浇筑。重力式基重力式基础的的施工工序施工工序重力式基重力式基础的分的分类吸力式基础大直径圆筒基础沉箱基础4.1 重力式基础的结构形式及特点重力式基础的结构形式及特点4.1.1 沉箱基沉箱基础沉箱是一一种种巨巨型型的的钢钢筋筋混混凝凝土土或或钢钢质质空空箱箱，箱箱内内用用纵纵横横隔隔墙墙隔隔成成若若干干舱舱格格。沉箱一般在专门的预制厂预制，然后在滑道上用台车溜放下水。当预制沉箱的数量不多时，也可利用当地修造船厂的船坞、滑道、船台或其他合适的天然岸滩预制下水。下水后的沉箱用拖轮拖至现场，定位后用灌水压载法将其沉放在整平好的基床上，再用砂或块石填充沉箱内部。有条件时，沉箱也可采用吊运安装。沉箱结结构构水水下下工工作作量量小小，结结构构整整体体性性好好、抗抗震震性性能能强强，施施工工速速度度快快，需要钢材多，需要专门的施工设备和合适的施工条件。沉箱基沉箱基础特点特点大直径大直径圆筒基筒基础4.1.2大直径大直径圆筒基筒基础大直径大直径圆筒基筒基础的构成的构成4.1.2大直径大直径圆筒基筒基础大大直直径径圆圆筒筒基基础础主主要要由由预预制制的的大大直直径径薄薄壁壁钢钢筋筋混混凝凝土土无无底底圆圆筒筒组组成成，圆圆筒筒内内填填块块石石、砂砂或或土土。可直接沉入地基中，也可放在抛石基床上。大直径圆筒基础主要是靠圆筒与其中填料整体形成的重力来抵抗作用在基础上的荷载。大直径大直径圆筒基筒基础的特点的特点大大直直径径圆筒筒基基础结构构简单；混混凝凝土土与与钢材材用用量量少少；适适应性性强强，可可不不作作抛抛石石基基床床；造造价价低低；施施工工速速度度快快。但大直径圆筒基础也还存在一些问题，例如抛石基床上的大圆筒产生的基底压力大，沉入地基的大直径圆筒基础施工较复杂吸力式基吸力式基础构成构成4.1.3 吸力式基础吸力式基础吸力式基础是一种底端敞开、上端封闭的大直径圆桶结构，一般采用钢质制作，也可使用钢筋混凝土结构，圆桶顶部设有连接泵系统的出水孔。吸力式基吸力式基础施工施工n倒扣、充气、气浮漂运至安装地点；n靠自重让吸力桶嵌入土中一定深度；n借助吸力桶顶部水泵向外抽水，将吸力桶进一步沉贯入土；n沉贯结束，卸去抽水系统，封闭抽水口。吸力式基吸力式基础特征特征n很高的竖向承载力和较高的水平承载力；n施工简便，机动灵活，使用安全可靠；n可回收利用；n适用范围广，对深、浅海均适用。4.1.3 吸力式基础吸力式基础吸力式基吸力式基础的的应用用4.1.3 吸力式基础吸力式基础u1994年在北海水深为70m的海域，安装完成了采用吸力式基础的Eurpoipe16/ll-E大型固定式海洋平台，它的建成标志着这一技术进入了工业化实用阶段。u1999年10月，我国首座吸力式沉箱基础采油平台在胜利油田CB20B井位安装成功，该平台设计工作水深8.9m，沉箱直径和高度分别为4m和4.4m，这标志我国吸力式基础海洋平台进入实用阶段。4.2 重力式基重力式基础的一般构造的一般构造4.2.1 基床基床基床基床处理方式理方式重力式基础根据地基情况、施工条件和结构型式采用不同的重力式基础根据地基情况、施工条件和结构型式采用不同的基床基床处理方式处理方式。n吸力式基础无需对地基进行处理；n对于岩石地基上的预制安装结构，为使沉箱等预制构件安装平稳，应以二片石（粒径815cm的小块石）和碎石整平岩面，其厚度不小于0.3m；当岩面较低时，也可采用抛石基床。n对于非岩石地基，应设置抛石基床。4.2.1 基床基床抛石基床设计包括：n选择基床型式基床型式；n确定基床厚度及肩宽基床厚度及肩宽；n确定基槽的底宽和边坡坡度基槽的底宽和边坡坡度；n规定块石的重量和质量块石的重量和质量要求；n确定基床顶面的预留坡度和预留沉降量基床顶面的预留坡度和预留沉降量等。抛石基床设计抛石基床设计内容内容基基 床床 形形 式式重力式基础的基床型式有：暗基床、明基床和混合基床暗基床、明基床和混合基床三种。基床选型原则基床选型原则n水流流速较大时应避免采用明基床，或在基床上设防护措施。n混合基床适用于地基较差的情况，此时需将地基表层的软土全部挖除填以块石，软土层很厚时可部分挖除换砂。4.2.1 基床基床4.2.1 基床基床基床基床厚度确定原则厚度确定原则n基床顶面应力大于地基容许承载力时，抛石基床起扩散应力的作用，基床厚度由计算确定，并且不宜小于1m。n当基床顶面应力不大于地基容许承载力时，基床只起整平基面和防止地基被淘刷的作用，但其厚度也不宜小于0.5m。4.2.1 基床基床基槽底宽及边坡坡度n基槽底宽决定于对地基应力扩散范围的要求，不宜小于基础宽度加两倍的基床厚度，基槽底边线超出基础边缘不少于1倍的基床厚度。基槽底宽n基槽边坡坡度应确保在施工过程中的稳定，一般根据地基土性质由经验确定。边坡坡度4.2.1 基床基床基床肩宽基床肩宽u为保证基床的稳定性，基床肩部应有一定的宽度。u对于夯实基床，基床肩宽不宜小于2m；u当采用水下爆夯法密实时，应适当加宽；对于不夯实基床，基床肩宽不应小于lm。u当风机所在海域的底流速较大，地基土有被冲刷危险时，应加大基床外肩宽度，放缓边坡，增大埋置深度或采用其它护底措施。4.2.1 基床基床基床夯实基床夯实u为使抛石基床紧密，减少风机在施工和使用时的沉降，水下施工的抛石基床一般进行重锤夯实。u当地基为松散砂基或采用换砂处理时，对于夯实的抛石基床底层设置约0.3m厚的二片石垫层，以防基床块石打夯振动时陷入砂层内。u近几年，工程中也开始使用爆炸夯实法，通过埋在抛石基床内的炸药爆炸时产生的震动波使基床抛石密实。破坏块石棱角，使块石互相挤紧；使与地基接触的一层块石嵌进地基土内。重锤夯实的作用重锤夯实的作用4.2.1 基床基床块石重量和石重量和质量要求量要求块石重量石重量要求要求n基床块石的重量既要满足在波浪水流作用下的稳定性，又要考虑便于开采、运输和施工，n一般采用10100kg的混合石料，原则上块石越大越好，n对于厚度不大于1m的薄基床，可采用较小的块石。块石石质量量要求：要求：遇水不软化、不破裂，不被夯碎遇水不软化、不破裂，不被夯碎n在水中饱和状态下的抗压强度，对于夯实基床不低于50MPa，对于不夯实基床不低于80MPan未风化，不成片状，无严重裂纹。预留沉降量预留沉降量4.2.1 基床基床在基床、上部结构和设备的施工及安装过程中，最着竖向荷载基床、上部结构和设备的施工及安装过程中，最着竖向荷载的不断增大，基床及下部地基被压缩变形，导致整体结构发生的不断增大，基床及下部地基被压缩变形，导致整体结构发生沉降沉降，为了保证建筑物在允许沉降范围内正常工作，基床顶面应预留沉降。预留沉降量预留沉降量的设计的设计n对于夯实基床，设计时只按地基沉降量预留，n对于不夯实基床，还需预留基床压缩沉降量。基床压缩沉降量按下式估算：4.2.2 墙身和胸墙n墙身和胸墙是重力式基础必需的主体结构，其作用是：将塔筒与基础链接成整体，承受作用在基础上的各种荷载，将这些荷载传到下面的地基中去。n胸墙还起着将墙身连成整体的作用，并用来固定防冲设施、系船设施、铁扶梯等。墙身和胸墙墙身和胸墙的作用的作用4.2.2 墙身和胸墙n对于钢筋混凝土重力式基础，胸墙一般采用现浇混凝土胸墙，与墙身一同浇筑；n对于钢制重力式基础，用作胸墙的钢板也是与墙身一同制作。这样制作胸墙的优点是结构牢固，整体性好。n为了保证胸墙有良好的整体性和足够的刚度，胸墙高度越高越好。胸墙胸墙4.2.2 墙身和胸墙处于水位变动区的胸墙与墙身，由于强烈的干湿交替、冻融、水流冲击、冰磨、船舶撞击等作用，经过一定时期，都有不同程度的损坏。为了提高重力式基础的耐久性，设计时应采取适当措施。n根据结构计算和水运工程混凝土结构设计规范（JTS 151-2011）规定的耐久性要求选定混凝土强度等级；n适当增大钢筋混凝土构件厚度和钢筋的混凝土保护层；n对于受冰冻作用的基础，水位变动区还可考虑采用钢筋混凝土板镶面、花岗岩镶面或抗蚀性强、抗磨性高、抗冻性好的新材料。n对于钢质基础，在设计时要采用可靠的防腐蚀措施，并预留足够的腐蚀余量。增增强强结构耐久性的措施构耐久性的措施4.3 重力式基础的计算4.3.1重力式基础设计状况和计算内容重力式基础设计状况n持久状况持久状况，在结构使用期按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；n短暂状况短暂状况，施工期或使用初期可能临时承受某种特殊荷载时按承载能力极限状态设计，必要时也需按正常使用极限状态设计；n地震状况地震状况，在使用期遭受地震作用时仅按承载能力极限状态设计；n偶然状况偶然状况，在使用期遭受偶然荷载时仅需按承载能力极限状态设计。重力式基础设计重力式基础设计及验算内容及验算内容4.3.1重力式基础设计状况和计算内容序号计算和验算内容采用的极限状态采用的效应组合基础的抗倾稳定性承载能力极限状态持久组合沿基础底面和基床底面的抗滑稳定性承载能力极限状态持久组合基床和地基承载力承载能力极限状态持久组合整体稳定性承载能力极限状态持久组合基础底面合力作用点位置承载能力极限状态持久组合构件的承载力承载能力极限状态持久组合基础施工期稳定性和构件承载力承载能力极限状态短暂效应组合基础裂缝宽度正常使用极限状态长期效应（准永久）组合地基沉降正常使用极限状态长期效应（准永久）组合4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求（1）由由于于风电机机组具具有有承承受受360方方向向重重复复荷荷载和和大大偏偏心心受受力力的的特特殊殊性性，对地地基基基基础的的稳定定性性要要求求高高，重重力力式式基基础应按按大大块体体结构构设计。基底允许脱开面积应满足表4-3的要求。如不满足要求应采取加大基础底面积或埋深等措施。4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求（2）对地震基本烈度为VII度及以上地区，应根据地基土振动液化的判别成果，通过技术经济比较采取稳定基础的对策和处理措施。n对于重力式基础，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，由载荷试验或其他原位试验测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，应按下式修正：4.3.2 地基承载力计算n对于岩石地基的承载力，其承载力特征值可根据岩石饱和单轴抗压强度、岩体结构和裂隙发育程度，按表4-5做相应的折减后确定；对于极软岩可通过三轴压缩试验或现场载荷试验确定其承载力特征值。岩石地基承载力无需进行深宽修正。4.3.2 地基承载力计算n当采用理论公式计算地基承载力时，由于水平荷载的作用，使得地基不均匀受力，降低了基础承受竖向荷载的能力，这种影响在地基承载力的分析应予以考虑。图4-4是理想化的风机基础受力示意图，图中H和V分别表示水平荷载和竖向荷载，LC表示水平荷载和竖向荷载在基础底面的合力作用点位置，偏心距e由下式计算:4.3.2 地基承载力计算理论公式法计算地基承载力是根据经验减小基础的有效面积以实现倾斜荷载对地基承载力的影响。并且，荷载偏心距的大小还会影响到地基的破坏模式，一般有如图4-4所示两种破坏模式，地基破坏模式不同，地基承载力的计算方法也不同。海上海上风电机机组基基础要求要求4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求n如图4-5（a）所示，对于矩形基础，当荷载沿基础某一轴线方向倾斜时，基础有效面积减小后的尺寸为：4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求n如图4-5（b）所示，对于矩形基础，当荷载不沿基础任一轴线方向倾斜时，基础有效面积减小后的尺寸为：4.3.2 地基承载力计算图 4-6 圆形和八边形基础的有效面积示意图4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求对对于于形形如如正正多多边边形形（包包括括八八边边形形或或更更多多）的的基基础础，可可将将画画正正多多边边形形的的内内接接圆圆，依然可以应用上述公式计算倾斜荷载作用下的基础有效面积。得到倾斜荷载作用下基础的有效面积后，下一步即可计算地基承载力。4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求n在在完完全全排排水水条条件件下下，若地基的破坏模式与图4-4中所示的模式1相同，则基础底面为水平的重力式基础其承载力可按下式计算：4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求当利用地基承载力计算公式反算基础底面反力，并应用地基反力设计基础时，地基承载力系数 采用如下方式计算：4.3.2 地基承载力计算海上海上风电机机组基基础要求要求n当荷载偏心距超过0.3倍的基础边长时，地基一般会发生如图4-4中破坏模式2的破坏，此时地基承载力按下式计算：n应用式（4-32）计算得到地基承载力后，还需与破坏模式1下计算得到地基承载力作比较，最后取其小值。4.3.2 地基承载力计算由于水平荷载的存在，重力式基础有可能沿着基础底面发生滑动。重力式基础的水平抗滑承载力根据地基土的排水情况确定。在地基土排水情况下在地基土排水情况下在在地基土地基土不排水情况下不排水情况下4.3.3 地基稳定性验算水平荷载是海上风电场风电机组地基基础承受的主要荷载之一。在在水水平平荷荷载载和和竖竖向向荷荷载载的的共共同同作作用用下下，重重力力式式基基础础可可能能的的破破坏坏模模式式有有：与与深深层层土土层层一一起起发发生生整整体体滑滑动动破破坏坏，沿沿着着基基底底面面发发生生滑滑动动、倾倾覆覆。因此，应对基础进行抗滑和抗倾覆稳定计算。若是与深层土层一起整体滑动发生破坏，通通常常采采用用圆弧滑动面法进行验算圆弧滑动面法进行验算。地基稳定性验算的必要性地基稳定性验算的必要性抗滑稳定性验算抗滑稳定性验算4.3.3 地基稳定性验算沿基础底面和基床底面的抗滑稳定验算一般按平面问题取单宽计算。不考虑波浪作用，考虑冰荷载不考虑波浪作用，考虑冰荷载考虑波浪力，不考虑冰荷载考虑波浪力，不考虑冰荷载抗倾稳定性验算抗倾稳定性验算4.3.3 地基稳定性验算对基础底面前趾的抗倾稳定验算仍按平面问题取单宽计算。不考虑波浪作用，考虑冰荷载不考虑波浪作用，考虑冰荷载考虑波浪力，不考虑冰荷载考虑波浪力，不考虑冰荷载4.3.3 地基稳定性验算基床承载力验算基床承载力验算基床承载力按下式进行验算：4.3.3 地基稳定性验算基床承载力验算基床承载力验算n基床承载力设计值一般取600kPa。n对于受波浪作用的墩式建筑物或地基承载能力较高（如地基为岩基）时，可酌情适当提高取值，但不应大于800kPa。n重力式基础的刚度一般很大，基床顶面应力可按直线分布，按偏心受压公式计算。4.3.3 地基稳定性验算以矩形基以矩形基础底面底面为例，例，其其计算公式如下算公式如下 4.3.3 地基稳定性验算4.3.3 地基稳定性验算地基承载力验算地基承载力验算基床顶面应力通过基床向下扩散，扩散宽度为 并按直线分布。基床底面最大、最小应力标准值和合力作用点的偏心距按下式计算，计算图式如图4-7所示。4.3.4 地基沉降计算对于重力式基础，参照海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法及工作应力设计法（API RP 2A-WSD，2000，IDT），采用单向压缩分层总和法计算地基的最终沉降量，其最终沉降量可按式（4-46）计算。4.4 沉箱基础4.4.1 4.4.1 沉箱基础的沉箱基础的结构结构形式形式4.4.2 4.4.2 沉箱基础的构造沉箱基础的构造4.4.3 4.4.3 沉箱基础的计算沉箱基础的计算4.4 沉箱基础4.4.1 4.4.1 沉箱基础的沉箱基础的结构结构形式形式n沉箱按平面型式分为矩矩形形和和圆圆形形两两种种，但在海上风电场工程中，为了减小波浪和水流冲刷的作用，都采用圆形沉箱。n圆形沉箱受力情况较好，用钢量少；箱内也可不设内隔壁，既省混凝土又大大减轻沉箱的重量；箱壁对水流的阻力小，特别适用于水流流速大、冰凌严重或波浪大的地区，其缺点是模板比较复杂。沉箱的分类沉箱的分类圆形沉箱优点圆形沉箱优点4.4 沉箱基础n沉箱的外形尺寸包括直径和高度沉箱的外形尺寸包括直径和高度。n沉沉箱箱的的直直径径由由建建筑筑物物的的稳稳定定性性和和地地基基承承载载力力确确定定，有有时时还还需需满满足足浮浮运运时时的的吃吃水水、干干舷舷高高度度和和浮浮游游稳稳定定性性的的要要求求。当不满足浮游时的有关要求时，一般先考虑在施工上采取措施，必要时才增大沉箱的直径。为减小沉箱的箱体尺寸，可在沉箱底部加设趾板，以增大沉箱结构的抗滑与抗倾稳定性，改善沉箱底应力分布情况。n沉箱的高度决定于风电机组所在位置的水深沉箱的高度决定于风电机组所在位置的水深。4.4.2 4.4.2 沉箱基础的构造沉箱基础的构造沉箱基础外形尺寸沉箱基础外形尺寸4.4 沉箱基础n沉箱外壁和底板的厚度应由计算确定，但壁厚不宜小于250mm；n对有抗冻要求的沉箱式基础，沉箱潮差段的临水面，其厚度不宜小于300mm。n底板厚度不宜小于壁厚，墙址长度不宜过大。n沉箱在构造配筋时，架立和分布钢筋直径可采用1016mm。加强角应设置构造斜筋，其直径不宜小于10mm。沉箱内的填料宜采用砂和块石。沉箱基础内部构造沉箱基础内部构造4.4 沉箱基础4.4.3 4.4.3 沉箱基础的计算沉箱基础的计算对沉箱的计算除进行重力式基础的基本计算外，还包括沉沉箱箱的的吃水、干舷高度、浮游稳定性、构件的承载力和裂缝宽度吃水、干舷高度、浮游稳定性、构件的承载力和裂缝宽度。沉箱干舷高度的验算沉箱干舷高度的验算为了保证沉箱在溜放或漂浮、拖运时水不没顶，沉箱应有足够的干舷高度（图4-8），满足下式规定：4.4 沉箱基础沉箱浮游稳定性的验算沉箱浮游稳定性的验算沉箱靠自身浮游稳定时，必须计算其以定倾高度表示的浮游稳定性。定倾高度应按下式计算：定定倾倾高高度度大大，浮浮游游稳稳定定性性好好，但但势势必必增增大大沉沉箱箱吃吃水水，需需加加大大拖拖轮轮的的功功率率和和航航道道水深，并不经济，设计时也需注意。水深，并不经济，设计时也需注意。4.4 沉箱基础计算沉箱外壁时考虑的外力4.4.3 4.4.3 沉箱基础的计算沉箱基础的计算n沉箱吊运下水时可能承受的外力；n沉箱溜放或漂浮时的水压力；n沉箱浮运时的水压力和波压力；n沉箱沉放时的水压力；n对箱格有抽水要求时的水压力；n基础使用期所受到的荷载，主要包括箱内填料产生的箱内填料侧压力、上部结构传来的荷载、波浪荷载、水流荷载等。4.4 沉箱基础计算图式计算图式由于圆形沉箱的外壁为曲面，计算比较复杂，宜采用有限元法计算。无条件采用有限元法时，可采用有经验的实用方法进行如下近似计算n对无隔墙圆形沉箱可采用有经验的简化方法计算内力，如纵向可作为一端固定、一端简支的梁计算，横向在外壁上取单宽圆环进行计算。n对有隔墙圆沉箱，外壁分两种情况进行近似计算：底板以上1.5l（l为内隔墙间距）区段内，按三边固定一边简支的曲板计算（图4-10）；在曲板的水平向和垂直向各切出lm，水平向按两端固定的无铰拱计算；垂直向以拱为弹性支承，按一端固定、另一端简支的弹性支承连续梁计算。1.5l以上区段，也可在水平方向和垂直方向各切出1m，水平向按两端固定的无铰拱计算；垂直向按构造配筋。4.4 沉箱基础底板的底板的计算算计算荷载底板的计算一般考虑两种受力情况底板的计算一般考虑两种受力情况 1）使使用用时时期期，作用于底板的向上的基床反力、向下的底板自重和箱格内填料垂直压力（按储仓压力计算）、结构自重力、风机产生的竖向下压力波浪产生的上浮力。2）沉沉放放和和浮浮运运期期间间，相应于外壁在前面所述(2)(5)四种受力情况时对底板产生的浮托力及箱内压舱水的重量。一般前一种情况为底板的控制荷载（图4-11）。4.4 沉箱基础计算图式图 4-11 使用时期底板的设计荷载a）四边固定底板上的设计荷载；b）底板悬臂部分的设计荷载沉箱底板应按四边固定板计算，作用在四边固定板上的设计荷载见图4-11a）；外趾板应按悬臂板计算，作用于外趾板上的设计荷载见图4-11b）。4.5 大直径大直径圆筒基筒基础4.5.1 大直径大直径圆筒筒结构形式构形式按地基性质的不同可分为三类按地基性质的不同可分为三类：基床式、浅埋式、深埋式：基床式、浅埋式、深埋式n当海床面下不深处有较硬土层，但直接放置圆筒其承载力又不足时，宜采用抛石基床扩散地基应力，将圆筒放在基床上，称为基基床床式式（或或称座床式）称座床式），见图4-12a)。4.5.1 大直径圆筒大直径圆筒结构形式结构形式n当海床面以下不深处有承载力足够的硬土层时，可开挖基槽将圆筒埋人或直接沉人到硬土层，称为浅埋式浅埋式，见图4-12b)n当海床面以下有较厚的软土层时，可以将圆筒穿过软土层插入到下卧持力层，称为深埋式，又称为插入式深埋式，又称为插入式，见图4-12c)。4.5.2 大直径圆筒大直径圆筒基础的构造基础的构造n圆筒是大直径圆筒结构的基本单元，一般由钢筋混凝土制成，其平面形状多为圆形。n圆筒的直径一般根据建筑物的稳定性和地基承载力由计算确定，但也要考虑施工条件和构造要求。n圆筒的壁厚由强度和抗裂计算确定，并满足构造要求和施工条件，一般为300400mm。圆筒直径较大时，壁厚也相应加大。大直径大直径圆筒筒基基础的构造的构造大直径圆筒基础圆筒和趾脚构成n对于基床式大直径圆筒结构，为减少筒壁底部地基应力，可在筒底设置趾脚，内趾采用圆环形，外趾采用折线形，如图4-13所示。n内外趾长度应考虑到筒壁底部的受力状态，使之不会由于过大的力矩而发生破坏，一般采用0.51.0m，且两者不宜相差过大。n内外趾的设置也有利建筑物的抗滑和抗倾稳定性。4.5.2大直径大直径圆筒筒基基础的构造的构造4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算荷载计算荷载计算（1）筒内填料压力计算）筒内填料压力计算大直径圆筒内填料压力类似一筒仓压力，一般筒仓压力计算广泛采用杨森公式，但杨森公式适用于有底筒仓和无限深筒仓的情况。对于安放在可压缩地基上的无底圆筒，内填料与筒壁的相互作用特性与有底筒仓不同，也不同于无限深筒仓。大大直直径径圆圆筒筒内内填料压力的计算目前尚无成熟的方法填料压力的计算目前尚无成熟的方法。4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算荷载计算荷载计算（1）筒内填料压力计算）筒内填料压力计算参考C.H列瓦切夫的研究成果，将筒筒内内填填料料划划分分为主主动区区、被被动区区和和过渡区三个区渡区三个区；n筒内上部填料在自重和垂直超载作用下，相对筒壁向下运动，称为主动区I；n筒内下部填料在地基垂直反力作用下，相对筒壁产生向上的位移，称为被动区III；n在主动区和被动区之间可能存在一个过渡区II。4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算荷载计算荷载计算（1）筒内填料压力计算筒内填料压力计算图 4-14 薄壳圆筒筒体内填料储仓压力分布图a）实测与计算值；b）设计计算时采用的计算图式 主动区主动区AB段的高度段的高度4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算荷载计算荷载计算（1）筒内填料压力计算筒内填料压力计算图 4-14 薄壳圆筒筒体内填料储仓压力分布图a）实测与计算值；b）设计计算时采用的计算图式 被动区被动区CD段的高度段的高度4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算（1）筒内填料压力计算筒内填料压力计算图 4-14 薄壳圆筒筒体内填料储仓压力分布图a）实测与计算值；b）设计计算时采用的计算图式 AB段和CD段确定后，剩余的即为BC段.n由以上过程可求得A、B、C、D各点的填料侧压力值，假设A至B点的侧压力为直线变化，B至C点的侧压力可按杨森公式计算，C至D点的侧压力也为直线变化。如此可确定圆筒内的填料压力。n上述方法划分三个区域，仅考虑了填料的内摩擦角、外摩擦角和筒径，而实际上影响区域范围的因素还应包括内填料的可压缩性，以及地基反力和地基变形等。此外，上述确定筒底填料压力的方法也缺乏足够的理论依据。（1）筒内填料压力计算筒内填料压力计算4.5.3大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算当前计算筒内填料压力方法的不足当前计算筒内填料压力方法的不足（2）筒筒前土抗力计算前土抗力计算4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算图 4-15 浅埋式大直径薄壳圆筒结构土压力的计算图式a）为筒前土抗力的模型试验测试值（曲线1）和计算值（曲线2）；b）土压力计算图式基础的一般变位既有向前的平移，又有向前的转动。因此，基础入土段的位移量从海床表面向下逐渐减小，入土段的上部土压力可达极限值，而下部则达不到极限值。（2）筒筒前土抗力计算前土抗力计算4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算图 4-15 浅埋式大直径薄壳圆筒结构土压力的计算图式a）为筒前土抗力的模型试验测试值（曲线1）和计算值（曲线2）；b）土压力计算图式计算时将墙前土抗力按梯形分布考虑，如图4-15所示，即深度h1 段以下采用矩形分布。h1值与建筑物入土部分的水平位移和地基土的密度有关，可按下式计算：。（3）土压力沿筒周的分布土压力沿筒周的分布4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算在对大直径圆筒结构进行筒体强度计算时，需要确定沿圆筒圆周的土压力分布。参考C.H列瓦切夫的研究成果，计算方法如下:n设p为作用于圆周上的土压力，p0为p在拱顶处的值，pr和p为p的径向分力和切向分力，则：图 4-16 土压力沿筒周的分布时：时：稳定性分析稳定性分析4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算n基床式和浅埋式大直径圆筒结构的稳定性分析与一般的重力式结构类似。插入式大直径圆筒结构插入式大直径圆筒结构的的稳定性分析具有如下特点稳定性分析具有如下特点：n插入式大直径圆筒结构不仅靠自重维持自身稳定性，筒前土抗力也提高其稳定性，当插入土中深度较大时尤为明显。n在基床式大直径圆筒抗倾稳定性分析中采用的筒内填料参加抗倾工作百分比或漏出量的概念，不适用于插入式大直径圆筒结构的抗倾稳定性分析。合理的分析方法应该是：通过填料对筒壁的摩擦力来考虑内填料对抗倾稳定性所起的作用。n当圆筒插入土中深度较大时，圆筒发生滑移和倾覆的可能性几乎是不存在的，但是有可能出现基础使用所不允许的变位。因此，插入式圆筒稳定性由允许的位移和转角来判断。稳定性分析稳定性分析4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算n由以上分析可知，插人式大直径圆筒结构的稳定性分析不能直接套用基床式圆筒结构的稳定性分析方法，应从作用与抗力的极限平衡条件、对结构位移与转角的限制条件两个方面分别考虑。n目前关于插入式大直径圆筒结构的设计理论、计算方法和施工工艺等问题还不成熟，仍需开展更深入的研究工作。4.5.3 大直径大直径圆筒筒基基础的的计算算n圆筒在吊运时，由于自重作用（考虑动力系数）在筒壁横断面内产生垂直拉应力。n在施工过程中，圆筒内填料已填满，在内部填料侧压力作用下产生筒壁环向拉应力。n圆筒在基础使用过程中的作用荷载包括：筒内填料侧压力、土压力、波浪力（或可能产生的冰荷载）、水流力、上部结构传下来的荷载等。对圆筒结构的强度进行验算时需考虑下面三种情况对圆筒结构的强度进行验算时需考虑下面三种情况。强度计算强度计算4.6 吸力式基吸力式基础4.6.1 吸力式基吸力式基础的的结构形式构形式n按结构材料分：钢结构，混凝土结构，钢-混凝土混合结构；n按沉箱数量可分为：单沉箱基础和多沉箱组合基础；n按是否有预应力可分为：预应力吸力式基础结构，非预应力吸力式基础结构。吸力式基础结构分类吸力式基础结构分类4.6 吸力式基吸力式基础4.6.1 吸力式基吸力式基础的的结构形式构形式n单单筒筒结构结构:单筒吸力式基础是最为简单，受力特征也最明显的一种结构型式。钢结构吸力式基础钢结构吸力式基础图 4-17 不同直径单沉箱结构n随着沉箱直径的减小，沉箱高度不断增加，这是因为直径大高度小的吸力式基础抗倾覆、抗侧移主要通过沉箱顶盖与土体摩擦力，类似于筏板基础；直径小高度大的吸力式基础抗倾覆主要依靠沉箱壁侧摩阻力，类似于桩基础。浅浅海海区区，使使用用大大直直径径的的吸吸力力式式基基础础更更容容易易满满足足拖拖航要求航要求。4.6 吸力式基吸力式基础4.6.1 吸力式基吸力式基础的的结构形式构形式钢结构吸力式基础钢结构吸力式基础图 4-18 多沉箱组合结构n多桶组合基础:多沉箱组合结构在抗倾覆和材料成本上都有其优势，但制作稍复杂，施工中负压下沉也较容易控制，在浅海区域易优先考虑，如图4-18所示。4.6 吸力式基吸力式基础4.6.1 吸力式基吸力式基础的的结构形式构形式符合结构吸力式基础符合结构吸力式基础混合结构往往是沉箱基础下部采用钢质沉箱结构，上部加砼顶盖，顶盖还可以是多种多样，包括变截面实心砼顶盖，分仓砼顶盖，加肋顶盖等。图 4-19 混合结构型式混合结构的优点混合结构的优点n使用混合结构一方面可以减少钢材用量；n另一方面，混凝土顶盖可以增加加载重量提高结构承载力；n分仓设计，更是为沉贯完成后，继续在舱中堆载提供方便，可形成重力负压沉箱混合结构，增加稳定性；n在钢质沉箱与塔筒相连处加肋板，可以有效消除连接处的应力集中问题4.6 吸力式基吸力式基础4.6.1 吸力式基吸力式基础的的结构形式构形式预应力结构预应力结构n在以风荷载为控制荷载的极限荷载组合下，风荷载值较大，塔架又过高，最终往往导致结构正常使用极限状态无法满足。因此，可采用预应力结构，在肋板处加预应力钢筋，有效控制塔筒与基础连接处的裂缝，对结构防腐和正常使用有很大影响，同时也可以节约材料成本。图 4-20 预应力混凝土结构4.6 吸力式基吸力式基础4.6.2 吸力式基吸力式基础的构造的构造n对海上风电机组吸力式基础而言，其竖向承载力相对易满足要求，关键在于保障抗倾覆能力满足要求。n吸力桶常设计为宽浅结构，高经比多在0.5左右，一般不超过1。n对于钢制吸力桶，为防止基础发生屈服破坏，一般要求吸力桶直径D与桶壁厚t之比不超过150。n当吸力桶平面尺寸较大时，可在吸力桶内部设置一定数量的隔板，并在隔板分成独立分仓的顶盖上预设抽水孔，方便沉箱下沉过程中的调平。n在吸力桶与塔筒相连处增加肋板，消除连接处的应力集中。4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算抗压承载力计算抗压承载力计算根据我国浅滩和近海的风机基础地质条件，一般设计为宽宽浅浅型型吸吸力力式式基基础础，沉箱顶盖与地基土完全接触。因此吸力式基础的竖向承载力主要由地基土对沉箱顶盖的地地基基反反力力、沉沉箱箱侧侧壁壁摩摩阻阻力力和沉沉箱箱端端部部的的承承载载力力三部分组成。4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算抗压承载力计算抗压承载力计算图 4-21 黏性土桩周表面的摩阻力系数吸力式基础抗压承载力计算式为：4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算抗拔承载力计算抗拔承载力计算吸力式基础结构拉拔破坏分类：n仅沉箱从土中拔出，抗拔力由沉箱自重、沉箱内外侧摩阻力、沉箱顶内外水压力差三部分组成；n沉箱带着筒内外一部分土一起拔出。对于长径比较小的吸力式基础。对于于长径比径比较小的吸力式基小的吸力式基础。由于沉箱直径。由于沉箱直径较大，黏土大，黏土地基主要是地基主要是发生生带出沉箱内的一部分土的破坏。出沉箱内的一部分土的破坏。4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算抗拔承载力计算抗拔承载力计算第一种破坏模式第一种破坏模式，吸力式基础的抗拔承载力计算如下：4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算抗拔承载力计算抗拔承载力计算第第二二种破坏模式种破坏模式，吸力式基础的抗拔承载力计算如下：4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算水平承载力计算水平承载力计算 图 4-23 水平荷载下转动受约束时受力图受转动约束时受转动约束时的的水平承载力水平承载力在水平力作用下，吸力式基础在水平力作用方向上发生平动。水平方向上受到土体的压力和底部剪力，其受力情况见图4-23。设在泥面以下深度z处的极限土抗力为pu(z)，则其单吸力式基础的水平极限荷载为：4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算水平承载力计算水平承载力计算 不不受转动约束时受转动约束时的的水平承载力水平承载力图 4-24 水平荷载下可自由转动时受力图吸力式沉箱结构与沉箱内土体出现相对滑动，沉箱受到前侧土压力、沉箱内外壁摩阻力、沉箱顶下土反力及水平力作用。假设沉箱壁内外摩阻力相同，则沉箱内外摩阻力产生的力矩为：则沉箱内外摩阻力产生的力矩为：不同深度下的摩阻力值的计算公式为：不同深度下的摩阻力值的计算公式为：4.6 吸力式基吸力式基础4.6.3 吸力式基吸力式基础的的计算算水平承载力计算水平承载力计算 不不受转动约束时受转动约束时的的水平承载力水平承载力 吸力桶周围单位周长的摩阻力为 ：4.6 吸力式基吸力式基础不不受转动约束时受转动约束时的的水平承载力水平承载力谢谢！