海上風電機組基礎結構-第四章

1、海上風電機組基礎結構海上風電機組基礎結構陳達陳達重力式基礎重力式基礎重力式基礎簡介重力式基礎簡介重力式基礎是一種傳統(tǒng)的基礎型式，一般為鋼筋混凝土結構，是所有的基礎類型中體積是所有的基礎類型中體積最大、重量最大的基礎，依靠自身的重力使最大、重量最大的基礎，依靠自身的重力使風機保持垂直。風機保持垂直。在制作時，一般利用岸邊的干船塢進行預制，制作好以后，再由專用船舶裝運或浮運至海上指定位置安裝。海床預先處理平整并鋪上一層碎石，然后再將預制好的基礎放于碎石之上。重力式基礎適用條件重力式基礎適用條件重力式基礎一般適用于水深小于10m的海域重力式基礎的重力式基礎的優(yōu)點優(yōu)點重力式基礎重力式基礎n 結構簡單，

2、造價低，抗風暴和風浪襲擊性能好，其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎中最好的。n 需預先處理海床；其體積大、重量大，安裝不方便；適用水深范圍太過狹窄，隨著水深的增加，其經(jīng)濟性不僅不能得到體現(xiàn)，造價反而比其它類型基礎要高。重力式基礎的缺重力式基礎的缺點點重力式基礎的改進重力式基礎的改進n 鋼桶重力式基礎鋼桶重力式基礎，這種結構形式是在混凝土平板上放置鋼桶，然后在鋼桶里填置鵝卵石、碎石子等高密度物質。n 這種結構比起混凝土重力式基礎來輕便很多，能夠實現(xiàn)用同一個起重機完成基礎和風機的吊裝。但是這種結構需要陰極保護系統(tǒng)，在造價上也比混凝土重力式基礎要高。本章內(nèi)容本章內(nèi)容重力式基礎重力式基礎4.1 重力式基礎的結

3、構形式及特點重力式基礎的結構形式及特點4.2重力式基礎的一般構造重力式基礎的一般構造4.3 重力式基礎的基本計算重力式基礎的基本計算4.4 沉箱基礎沉箱基礎4.5 大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.1 重力式基礎的結構形式及特點重力式基礎的結構形式及特點n預制基礎構件；n開挖基床；n拋填塊石基床；n基床夯實和整平；n在拋石基床上安裝基礎預制件；n基礎預制件內(nèi)部填充；n胸墻澆筑。重力式基礎的重力式基礎的施工工序施工工序重力式基礎的分類重力式基礎的分類吸力式基礎大直徑圓筒基礎沉箱基礎4.1 重力式基礎的結構形式及特點重力式基礎的結構形式及特點4.1.1 沉箱基礎沉箱基礎沉

4、箱是一種巨型的鋼筋混凝土或鋼質空一種巨型的鋼筋混凝土或鋼質空箱，箱內(nèi)用縱橫隔墻隔成若干艙格箱，箱內(nèi)用縱橫隔墻隔成若干艙格。沉箱一般在專門的預制廠預制，然后在滑道上用臺車溜放下水。當預制沉箱的數(shù)量不多時，也可利用當?shù)匦拊齑瑥S的船塢、滑道、船臺或其他合適的天然岸灘預制下水。下水后的沉箱用拖輪拖至現(xiàn)場，定位后用灌水壓載法將其沉放在整平好的基床上，再用砂或塊石填充沉箱內(nèi)部。有條件時，沉箱也可采用吊運安裝。沉箱結構水下工作量小，結構結構水下工作量小，結構整體性好、抗震性能強，施工整體性好、抗震性能強，施工速度快速度快，需要鋼材多，需要專門的施工設備和合適的施工條件。沉箱基礎特點沉箱基礎特點大直徑圓筒基礎

5、大直徑圓筒基礎4.1.2大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎的構成的構成4.1.2大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎主要由預制的大直徑薄壁鋼筋混凝土無底圓筒大直徑圓筒基礎主要由預制的大直徑薄壁鋼筋混凝土無底圓筒組成，圓筒內(nèi)填塊石、砂或土組成，圓筒內(nèi)填塊石、砂或土?？芍苯映寥氲鼗校部煞旁趻伿采?。大直徑圓筒基礎主要是靠圓筒與其中填料整體形成的重力來抵抗作用在基礎上的荷載。大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎的特點的特點大直徑圓筒基礎結構簡單；混凝土與鋼材用量少；適應性強，大直徑圓筒基礎結構簡單；混凝土與鋼材用量少；適應性強，可不作拋石基床；造價低；施工速度快可不作拋石基

6、床；造價低；施工速度快。但大直徑圓筒基礎也還存在一些問題，例如拋石基床上的大圓筒產(chǎn)生的基底壓力大，沉入地基的大直徑圓筒基礎施工較復雜吸力式基礎構成吸力式基礎構成4.1.3 吸力式基礎吸力式基礎吸力式基礎是一種底端敞開、上端封閉的大直徑圓桶結構，一般采用鋼質制作，也可使用鋼筋混凝土結構，圓桶頂部設有連接泵系統(tǒng)的出水孔。吸力式基礎施工吸力式基礎施工n 倒扣、充氣、氣浮漂運至安裝地點；n 靠自重讓吸力桶嵌入土中一定深度；n 借助吸力桶頂部水泵向外抽水，將吸力桶進一步沉貫入土；n 沉貫結束，卸去抽水系統(tǒng)，封閉抽水口。吸力式基礎特征吸力式基礎特征n 很高的豎向承載力和較高的水平承載力；n 施工簡便，機動

7、靈活，使用安全可靠；n 可回收利用；n 適用范圍廣，對深、淺海均適用。4.1.3 吸力式基礎吸力式基礎吸力式基礎的應用吸力式基礎的應用4.1.3 吸力式基礎吸力式基礎u1994年在北海水深為70m的海域，安裝完成了采用吸力式基礎的Eurpoipe16/ll-E大型固定式海洋平臺，它的建成標志著這一技術進入了工業(yè)化實用階段。u1999年10月，我國首座吸力式沉箱基礎采油平臺在勝利油田CB20B井位安裝成功，該平臺設計工作水深8.9m，沉箱直徑和高度分別為4m和4.4m，這標志我國吸力式基礎海洋平臺進入實用階段。4.2 重力式基礎的一般構造重力式基礎的一般構造4.2.1 基床基床基床基床處理方式處

8、理方式重力式基礎根據(jù)地基情況、施工條件和結構型式采用不同的重力式基礎根據(jù)地基情況、施工條件和結構型式采用不同的基床基床處理方式處理方式。n 吸力式基礎無需對地基進行處理；n 對于巖石地基上的預制安裝結構，為使沉箱等預制構件安裝平穩(wěn)，應以二片石（粒徑815cm的小塊石）和碎石整平巖面，其厚度不小于0.3m；當巖面較低時，也可采用拋石基床。n 對于非巖石地基，應設置拋石基床。4.2.1 基床基床拋石基床設計包括：n 選擇基床型式基床型式；n 確定基床厚度及肩寬基床厚度及肩寬；n 確定基槽的底寬和邊坡坡度基槽的底寬和邊坡坡度；n 規(guī)定塊石的重量和質量塊石的重量和質量要求；n 確定基床頂面的預留坡度和

9、預留沉降量基床頂面的預留坡度和預留沉降量等。拋石基床設計拋石基床設計內(nèi)容內(nèi)容基基 床床 形形 式式重力式基礎的基床型式有：暗基床、明基床和混合基床暗基床、明基床和混合基床三種。基床選型原則基床選型原則n 水流流速較大時應避免采用明基床，或在基床上設防護措施。n 混合基床適用于地基較差的情況，此時需將地基表層的軟土全部挖除填以塊石，軟土層很厚時可部分挖除換砂。4.2.1 基床基床4.2.1 基床基床基床基床厚度確定原則厚度確定原則n 基床頂面應力大于地基容許承載力時，拋石基床起擴散應力的作用，基床厚度由計算確定，并且不宜小于1m。n 當基床頂面應力不大于地基容許承載力時，基床只起整平基面和防止地

10、基被淘刷的作用，但其厚度也不宜小于0.5m。4.2.1 基床基床基槽底寬及邊坡坡度n 基槽底寬決定于對地基應力擴散范圍的要求，不宜小于基礎寬度加兩倍的基床厚度，基槽底邊線超出基礎邊緣不少于1倍的基床厚度?；鄣讓抧 基槽邊坡坡度應確保在施工過程中的穩(wěn)定，一般根據(jù)地基土性質由經(jīng)驗確定。邊坡坡度4.2.1 基床基床基床肩寬基床肩寬u為保證基床的穩(wěn)定性，基床肩部應有一定的寬度。u對于夯實基床，基床肩寬不宜小于2m；u當采用水下爆夯法密實時，應適當加寬；對于不夯實基床，基床肩寬不應小于lm。u當風機所在海域的底流速較大，地基土有被沖刷危險時，應加大基床外肩寬度，放緩邊坡，增大埋置深度或采用其它護底措施

11、。4.2.1 基床基床基床夯實基床夯實u為使拋石基床緊密，減少風機在施工和使用時的沉降，水下施工的拋石基床一般進行重錘夯實。u當?shù)鼗鶠樗缮⑸盎虿捎脫Q砂處理時，對于夯實的拋石基床底層設置約0.3m厚的二片石墊層，以防基床塊石打夯振動時陷入砂層內(nèi)。u近幾年，工程中也開始使用爆炸夯實法，通過埋在拋石基床內(nèi)的炸藥爆炸時產(chǎn)生的震動波使基床拋石密實。破壞塊石棱角，使塊石互相擠緊；使與地基接觸的一層塊石嵌進地基土內(nèi)。重錘夯實的作用重錘夯實的作用4.2.1 基床基床塊石重量和質量要求塊石重量和質量要求塊石重量塊石重量要求要求n基床塊石的重量既要滿足在波浪水流作用下的穩(wěn)定性，又要考慮便于開采、運輸和施工，n一

12、般采用10100kg的混合石料，原則上塊石越大越好，n對于厚度不大于1m的薄基床，可采用較小的塊石。塊石塊石質質量量要求：要求：遇水不軟化、不破裂，不被夯碎遇水不軟化、不破裂，不被夯碎n 在水中飽和狀態(tài)下的抗壓強度，對于夯實基床不低于50MPa，對于不夯實基床不低于80MPan 未風化，不成片狀，無嚴重裂紋。預留沉降量預留沉降量4.2.1 基床基床在基床、上部結構和設備的施工及安裝過程中，最著豎向荷載基床、上部結構和設備的施工及安裝過程中，最著豎向荷載的不斷增大，基床及下部地基被壓縮變形，導致整體結構發(fā)生的不斷增大，基床及下部地基被壓縮變形，導致整體結構發(fā)生沉降沉降，為了保證建筑物在允許沉降范

13、圍內(nèi)正常工作，基床頂面應預留沉降。預留沉降量預留沉降量的設計的設計n對于夯實基床，設計時只按地基沉降量預留，n對于不夯實基床，還需預留基床壓縮沉降量?；矇嚎s沉降量按下式估算：4.2.2 墻身和胸墻n 墻身和胸墻是重力式基礎必需的主體結構，其作用是：將塔筒與基礎鏈接成整體，承受作用在基礎上的各種荷載，將這些荷載傳到下面的地基中去。n 胸墻還起著將墻身連成整體的作用，并用來固定防沖設施、系船設施、鐵扶梯等。墻身和胸墻墻身和胸墻的作用的作用4.2.2 墻身和胸墻n 對于鋼筋混凝土重力式基礎，胸墻一般采用現(xiàn)澆混凝土胸墻，與墻身一同澆筑；n 對于鋼制重力式基礎，用作胸墻的鋼板也是與墻身一同制作。這樣制

14、作胸墻的優(yōu)點是結構牢固，整體性好。n 為了保證胸墻有良好的整體性和足夠的剛度，胸墻高度越高越好。胸墻胸墻4.2.2 墻身和胸墻處于水位變動區(qū)的胸墻與墻身，由于強烈的干濕交替、凍融、水流沖擊、冰磨、船舶撞擊等作用，經(jīng)過一定時期，都有不同程度的損壞。為了提高重力式基礎的耐久性，設計時應采取適當措施。n 根據(jù)結構計算和水運工程混凝土結構設計規(guī)范（JTS 151-2011）規(guī)定的耐久性要求選定混凝土強度等級；n 適當增大鋼筋混凝土構件厚度和鋼筋的混凝土保護層；n 對于受冰凍作用的基礎，水位變動區(qū)還可考慮采用鋼筋混凝土板鑲面、花崗巖鑲面或抗蝕性強、抗磨性高、抗凍性好的新材料。n 對于鋼質基礎，在設計時要

15、采用可靠的防腐蝕措施，并預留足夠的腐蝕余量。增強結構耐久性的措施增強結構耐久性的措施4.3 重力式基礎的計算4.3.1重力式基礎設計狀況和計算內(nèi)容重力式基礎設計狀況n 持久狀況持久狀況，在結構使用期按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計；n 短暫狀況短暫狀況，施工期或使用初期可能臨時承受某種特殊荷載時按承載能力極限狀態(tài)設計，必要時也需按正常使用極限狀態(tài)設計；n 地震狀況地震狀況，在使用期遭受地震作用時僅按承載能力極限狀態(tài)設計；n 偶然狀況偶然狀況，在使用期遭受偶然荷載時僅需按承載能力極限狀態(tài)設計。重力式基礎設計重力式基礎設計及驗算內(nèi)容及驗算內(nèi)容4.3.1重力式基礎設計狀況和計算內(nèi)容序號計算和

16、驗算內(nèi)容采用的極限狀態(tài)采用的效應組合基礎的抗傾穩(wěn)定性承載能力極限狀態(tài)持久組合沿基礎底面和基床底面的抗滑穩(wěn)定性承載能力極限狀態(tài)持久組合基床和地基承載力承載能力極限狀態(tài)持久組合整體穩(wěn)定性承載能力極限狀態(tài)持久組合基礎底面合力作用點位置承載能力極限狀態(tài)持久組合構件的承載力承載能力極限狀態(tài)持久組合基礎施工期穩(wěn)定性和構件承載力承載能力極限狀態(tài)短暫效應組合基礎裂縫寬度正常使用極限狀態(tài)長期效應（準永久）組合地基沉降正常使用極限狀態(tài)長期效應（準永久）組合4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求（1）由于風電機組具有承受由于風電機組具有承受360方向重復荷載和大偏心方向重復荷載和大偏心受

17、力的特殊性，對地基基礎的穩(wěn)定性要求高，重力式基受力的特殊性，對地基基礎的穩(wěn)定性要求高，重力式基礎應按大塊體結構設計。礎應按大塊體結構設計?；自试S脫開面積應滿足表4-3的要求。如不滿足要求應采取加大基礎底面積或埋深等措施。4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求（2）對地震基本烈度為VII度及以上地區(qū)，應根據(jù)地基土振動液化的判別成果，通過技術經(jīng)濟比較采取穩(wěn)定基礎的對策和處理措施。n 對于重力式基礎，當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，由載荷試驗或其他原位試驗測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值，應按下式修正：4.3.2 地基承載力計算n 對于巖石地基的承載

18、力，其承載力特征值可根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強度、巖體結構和裂隙發(fā)育程度，按表4-5做相應的折減后確定；對于極軟巖可通過三軸壓縮試驗或現(xiàn)場載荷試驗確定其承載力特征值。巖石地基承載力無需進行深寬修正。4.3.2 地基承載力計算n 當采用理論公式計算地基承載力時，由于水平荷載的作用，使得地基不均勻受力，降低了基礎承受豎向荷載的能力，這種影響在地基承載力的分析應予以考慮。圖4-4是理想化的風機基礎受力示意圖，圖中H和V分別表示水平荷載和豎向荷載，LC表示水平荷載和豎向荷載在基礎底面的合力作用點位置，偏心距e由下式計算:4.3.2 地基承載力計算理論公式法計算地基承載力是根據(jù)經(jīng)驗減小基礎的有效面積以實現(xiàn)傾

19、斜荷載對地基承載力的影響。并且，荷載偏心距的大小還會影響到地基的破壞模式，一般有如圖4-4所示兩種破壞模式，地基破壞模式不同，地基承載力的計算方法也不同。海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求n 如圖4-5（a）所示，對于矩形基礎，當荷載沿基礎某一軸線方向傾斜時，基礎有效面積減小后的尺寸為：4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求n 如圖4-5（b）所示，對于矩形基礎，當荷載不沿基礎任一軸線方向傾斜時，基礎有效面積減小后的尺寸為：4.3.2 地基承載力計算圖 4-6 圓形和八邊形基礎的有效面積示意圖4

20、.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求對于形如正多邊形（包括八邊形或更多）的基對于形如正多邊形（包括八邊形或更多）的基礎，可將畫正多邊形的內(nèi)接圓礎，可將畫正多邊形的內(nèi)接圓，依然可以應用上述公式計算傾斜荷載作用下的基礎有效面積。得到傾斜荷載作用下基礎的有效面積后，下一步即可計算地基承載力。4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求n 在完全排水條件下在完全排水條件下，若地基的破壞模式與圖4-4中所示的模式1相同，則基礎底面為水平的重力式基礎其承載力可按下式計算：4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求4.3.2 地基承載

21、力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求當利用地基承載力計算公式反算基礎底面反力，并應用地基反力設計基礎時，地基承載力系數(shù) 采用如下方式計算：4.3.2 地基承載力計算海上風海上風電機組基礎電機組基礎要求要求n當荷載偏心距超過0.3倍的基礎邊長時，地基一般會發(fā)生如圖4-4中破壞模式2的破壞，此時地基承載力按下式計算：n 應用式（4-32）計算得到地基承載力后，還需與破壞模式1下計算得到地基承載力作比較，最后取其小值。4.3.2 地基承載力計算由于水平荷載的存在，重力式基礎有可能沿著基礎底面發(fā)生滑動。重力式基礎的水平抗滑承載力根據(jù)地基土的排水情況確定。在地基土排水情況下在地基土排水情況下t

22、anVcAfeffah在在地基土地基土不排水情況下不排水情況下udeffahcAf4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算水平荷載是海上風電場風電機組地基基礎承受的主要荷載之一。在水平荷載和豎向荷載的共同作用下，重力式基礎可能在水平荷載和豎向荷載的共同作用下，重力式基礎可能的破壞模式有：與深層土層一起發(fā)生整體滑動破壞，沿著基的破壞模式有：與深層土層一起發(fā)生整體滑動破壞，沿著基底面發(fā)生滑動、傾覆底面發(fā)生滑動、傾覆。因此，應對基礎進行抗滑和抗傾覆穩(wěn)定計算。若是與深層土層一起整體滑動發(fā)生破壞，通常采用通常采用圓弧滑動面法進行驗算圓弧滑動面法進行驗算。地基穩(wěn)定性驗算的必要性地基穩(wěn)定性驗算的必要性抗滑穩(wěn)定性驗算抗滑穩(wěn)

23、定性驗算4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算沿基礎底面和基床底面的抗滑穩(wěn)定驗算一般按平面問題取單寬計算。不考慮波浪作用，考慮冰荷載不考慮波浪作用，考慮冰荷載考慮波浪力，不考慮冰荷載考慮波浪力，不考慮冰荷載抗傾穩(wěn)定性驗算抗傾穩(wěn)定性驗算4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算對基礎底面前趾的抗傾穩(wěn)定驗算仍按平面問題取單寬計算。不考慮波浪作用，考慮冰荷載不考慮波浪作用，考慮冰荷載考慮波浪力，不考慮冰荷載考慮波浪力，不考慮冰荷載4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算基床承載力驗算基床承載力驗算基床承載力按下式進行驗算： max04.3.3 地基穩(wěn)定性驗算基床承載力驗算基床承載力驗算n基床承載力設計值一般取600kPa。n對于受波浪作用的

24、墩式建筑物或地基承載能力較高（如地基為巖基）時，可酌情適當提高取值，但不應大于800kPa。n重力式基礎的剛度一般很大，基床頂面應力可按直線分布，按偏心受壓公式計算。4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算以矩形基礎底面為例，以矩形基礎底面為例，其計算公式如下其計算公式如下)61 (maxminBeBVk 4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算4.3.3 地基穩(wěn)定性驗算地基承載力驗算地基承載力驗算基床頂面應力通過基床向下擴散，擴散寬度為 并按直線分布?；驳酌孀畲蟆⒆钚藴手岛秃狭ψ饔命c的偏心距按下式計算，計算圖式如圖4-7所示。4.3.4 地基沉降計算對于重力式基礎，參照海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦做法及工

25、作應力設計法（API RP 2A-WSD，2000，IDT），采用單向壓縮分層總和法計算地基的最終沉降量，其最終沉降量可按式（4-46）計算。4.4 沉箱基礎4.4.1 4.4.1 沉箱基礎的沉箱基礎的結構結構形式形式4.4.2 4.4.2 沉箱基礎的構造沉箱基礎的構造4.4.3 4.4.3 沉箱基礎的計算沉箱基礎的計算4.4 沉箱基礎4.4.1 4.4.1 沉箱基礎的沉箱基礎的結構結構形式形式n 沉箱按平面型式分為矩形和圓形兩種矩形和圓形兩種，但在海上風電場工程中，為了減小波浪和水流沖刷的作用，都采用圓形沉箱。n 圓形沉箱受力情況較好，用鋼量少；箱內(nèi)也可不設內(nèi)隔壁，既省混凝土又大大減輕沉箱的

26、重量；箱壁對水流的阻力小，特別適用于水流流速大、冰凌嚴重或波浪大的地區(qū)，其缺點是模板比較復雜。沉箱的分類沉箱的分類圓形沉箱優(yōu)點圓形沉箱優(yōu)點4.4 沉箱基礎n 沉箱的外形尺寸包括直徑和高度沉箱的外形尺寸包括直徑和高度。n 沉箱的直徑由建筑物的穩(wěn)定性和地基承載力確定，有時還需滿沉箱的直徑由建筑物的穩(wěn)定性和地基承載力確定，有時還需滿足浮運時的吃水、干舷高度和浮游穩(wěn)定性的要求足浮運時的吃水、干舷高度和浮游穩(wěn)定性的要求。當不滿足浮游時的有關要求時，一般先考慮在施工上采取措施，必要時才增大沉箱的直徑。為減小沉箱的箱體尺寸，可在沉箱底部加設趾板，以增大沉箱結構的抗滑與抗傾穩(wěn)定性，改善沉箱底應力分布情況。n

27、沉箱的高度決定于風電機組所在位置的水深沉箱的高度決定于風電機組所在位置的水深。4.4.2 4.4.2 沉箱基礎的構造沉箱基礎的構造沉箱基礎外形尺寸沉箱基礎外形尺寸4.4 沉箱基礎n 沉箱外壁和底板的厚度應由計算確定，但壁厚不宜小于250mm；n 對有抗凍要求的沉箱式基礎，沉箱潮差段的臨水面，其厚度不宜小于300mm。n 底板厚度不宜小于壁厚，墻址長度不宜過大。n 沉箱在構造配筋時，架立和分布鋼筋直徑可采用1016mm。加強角應設置構造斜筋，其直徑不宜小于10mm。沉箱內(nèi)的填料宜采用砂和塊石。 沉箱基礎內(nèi)部構造沉箱基礎內(nèi)部構造4.4 沉箱基礎4.4.3 4.4.3 沉箱基礎的計算沉箱基礎的計算對

28、沉箱的計算除進行重力式基礎的基本計算外，還包括沉箱的沉箱的吃水、干舷高度、浮游穩(wěn)定性、構件的承載力和裂縫寬度吃水、干舷高度、浮游穩(wěn)定性、構件的承載力和裂縫寬度。沉箱干舷高度的驗算沉箱干舷高度的驗算為了保證沉箱在溜放或漂浮、拖運時水不沒頂，沉箱應有足夠的干舷高度（圖4-8），滿足下式規(guī)定：4.4 沉箱基礎沉箱浮游穩(wěn)定性的驗算沉箱浮游穩(wěn)定性的驗算沉箱靠自身浮游穩(wěn)定時，必須計算其以定傾高度表示的浮游穩(wěn)定性。定傾高度應按下式計算：定傾高度大，浮游穩(wěn)定性好，但勢必增大沉箱吃水，需加大拖輪的功率和航道定傾高度大，浮游穩(wěn)定性好，但勢必增大沉箱吃水，需加大拖輪的功率和航道水深，并不經(jīng)濟，設計時也需注意。水深，

29、并不經(jīng)濟，設計時也需注意。4.4 沉箱基礎計算沉箱外壁時考慮的外力4.4.3 4.4.3 沉箱基礎的計算沉箱基礎的計算n 沉箱吊運下水時可能承受的外力；n 沉箱溜放或漂浮時的水壓力；n 沉箱浮運時的水壓力和波壓力；n 沉箱沉放時的水壓力；n 對箱格有抽水要求時的水壓力；n 基礎使用期所受到的荷載，主要包括箱內(nèi)填料產(chǎn)生的箱內(nèi)填料側壓力、上部結構傳來的荷載、波浪荷載、水流荷載等。4.4 沉箱基礎計算圖式計算圖式由于圓形沉箱的外壁為曲面，計算比較復雜，宜采用有限元法計算。無條件采用有限元法時，可采用有經(jīng)驗的實用方法進行如下近似計算n 對無隔墻圓形沉箱可采用有經(jīng)驗的簡化方法計算內(nèi)力，如縱向可作為一端固

30、定、一端簡支的梁計算，橫向在外壁上取單寬圓環(huán)進行計算。n 對有隔墻圓沉箱，外壁分兩種情況進行近似計算：底板以上1.5l（l為內(nèi)隔墻間距）區(qū)段內(nèi)，按三邊固定一邊簡支的曲板計算（圖4-10）；在曲板的水平向和垂直向各切出lm，水平向按兩端固定的無鉸拱計算；垂直向以拱為彈性支承，按一端固定、另一端簡支的彈性支承連續(xù)梁計算。1.5l以上區(qū)段，也可在水平方向和垂直方向各切出1m，水平向按兩端固定的無鉸拱計算；垂直向按構造配筋。4.4 沉箱基礎底板的計算底板的計算計算荷載底板的計算一般考慮兩種受力情況底板的計算一般考慮兩種受力情況 1）使用時期）使用時期，作用于底板的向上的基床反力、向下的底板自重和箱格內(nèi)

31、填料垂直壓力（按儲倉壓力計算）、結構自重力、風機產(chǎn)生的豎向下壓力波浪產(chǎn)生的上浮力。2）沉放和浮運期間）沉放和浮運期間，相應于外壁在前面所述(2)(5)四種受力情況時對底板產(chǎn)生的浮托力及箱內(nèi)壓艙水的重量。一般前一種情況為底板的控制荷載（圖4-11）。4.4 沉箱基礎計算圖式圖 4-11 使用時期底板的設計荷載a）四邊固定底板上的設計荷載； b）底板懸臂部分的設計荷載沉箱底板應按四邊固定板計算，作用在四邊固定板上的設計荷載見圖4-11a）；外趾板應按懸臂板計算，作用于外趾板上的設計荷載見圖4-11b）。4.5 大直徑圓筒基礎大直徑圓筒基礎4.5.1 大直徑圓筒大直徑圓筒結構形式結構形式按地基性質的

32、不同可分為三類按地基性質的不同可分為三類：基床式、淺埋式、深埋式：基床式、淺埋式、深埋式n 當海床面下不深處有較硬土層，但直接放置圓筒其承載力又不足時，宜采用拋石基床擴散地基應力，將圓筒放在基床上，稱為基床式（或基床式（或稱座床式）稱座床式），見圖4-12a)。4.5.1 大直徑圓筒大直徑圓筒結構形式結構形式n 當海床面以下不深處有承載力足夠的硬土層時，可開挖基槽將圓筒埋人或直接沉人到硬土層，稱為淺埋式淺埋式，見圖4-12b)n 當海床面以下有較厚的軟土層時，可以將圓筒穿過軟土層插入到下臥持力層，稱為深埋式，又稱為插入式深埋式，又稱為插入式，見圖4-12c)。4.5.2 大直徑圓筒大直徑圓筒基

33、礎的構造基礎的構造n 圓筒是大直徑圓筒結構的基本單元，一般由鋼筋混凝土制成，其平面形狀多為圓形。n 圓筒的直徑一般根據(jù)建筑物的穩(wěn)定性和地基承載力由計算確定，但也要考慮施工條件和構造要求。n 圓筒的壁厚由強度和抗裂計算確定，并滿足構造要求和施工條件，一般為300400mm。圓筒直徑較大時，壁厚也相應加大。大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的構造基礎的構造大直徑圓筒基礎圓筒和趾腳構成n 對于基床式大直徑圓筒結構，為減少筒壁底部地基應力，可在筒底設置趾腳，內(nèi)趾采用圓環(huán)形，外趾采用折線形，如圖4-13所示。n 內(nèi)外趾長度應考慮到筒壁底部的受力狀態(tài)，使之不會由于過大的力矩而發(fā)生破壞，一般采用0.51.0m，且兩者

34、不宜相差過大。n 內(nèi)外趾的設置也有利建筑物的抗滑和抗傾穩(wěn)定性。4.5.2大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的構造基礎的構造4.5.3大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算荷載計算荷載計算（1）筒內(nèi)填料壓力計算）筒內(nèi)填料壓力計算大直徑圓筒內(nèi)填料壓力類似一筒倉壓力，一般筒倉壓力計算廣泛采用楊森公式，但楊森公式適用于有底筒倉和無限深筒倉的情況。對于安放在可壓縮地基上的無底圓筒，內(nèi)填料與筒壁的相互作用特性與有底筒倉不同，也不同于無限深筒倉。大直徑圓筒內(nèi)。大直徑圓筒內(nèi)填料壓力的計算目前尚無成熟的方法填料壓力的計算目前尚無成熟的方法。4.5.3大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算荷載計算荷載計算（1）筒內(nèi)填料

35、壓力計算）筒內(nèi)填料壓力計算參考C.H列瓦切夫的研究成果，將筒內(nèi)填料劃分為主動區(qū)、被動區(qū)和筒內(nèi)填料劃分為主動區(qū)、被動區(qū)和過渡區(qū)三個區(qū)過渡區(qū)三個區(qū)；n 筒內(nèi)上部填料在自重和垂直超載作用下，相對筒壁向下運動，稱為主動區(qū)I；n 筒內(nèi)下部填料在地基垂直反力作用下，相對筒壁產(chǎn)生向上的位移，稱為被動區(qū)III；n 在主動區(qū)和被動區(qū)之間可能存在一個過渡區(qū)II。4.5.3大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算荷載計算荷載計算（1）筒內(nèi)填料壓力計算筒內(nèi)填料壓力計算圖 4-14 薄殼圓筒筒體內(nèi)填料儲倉壓力分布圖a）實測與計算值；b）設計計算時采用的計算圖式 主動區(qū)主動區(qū)AB段的高度段的高度4.5.3大直徑圓筒大直徑

36、圓筒基礎的計算基礎的計算荷載計算荷載計算（1）筒內(nèi)填料壓力計算筒內(nèi)填料壓力計算圖 4-14 薄殼圓筒筒體內(nèi)填料儲倉壓力分布圖a）實測與計算值；b）設計計算時采用的計算圖式 被動區(qū)被動區(qū)CD段的高度段的高度4.5.3大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算（1）筒內(nèi)填料壓力計算筒內(nèi)填料壓力計算圖 4-14 薄殼圓筒筒體內(nèi)填料儲倉壓力分布圖a）實測與計算值；b）設計計算時采用的計算圖式 AB段和CD段確定后，剩余的即為BC段.n 由以上過程可求得A、B、C、D各點的填料側壓力值，假設A至B點的側壓力為直線變化，B至C點的側壓力可按楊森公式計算，C至D點的側壓力也為直線變化。如此可確定圓筒內(nèi)的填料壓

37、力。n 上述方法劃分三個區(qū)域，僅考慮了填料的內(nèi)摩擦角、外摩擦角和筒徑，而實際上影響區(qū)域范圍的因素還應包括內(nèi)填料的可壓縮性，以及地基反力和地基變形等。此外，上述確定筒底填料壓力的方法也缺乏足夠的理論依據(jù)。（1）筒內(nèi)填料壓力計算筒內(nèi)填料壓力計算4.5.3大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算當前計算筒內(nèi)填料壓力方法的不足當前計算筒內(nèi)填料壓力方法的不足（2）筒筒前土抗力計算前土抗力計算4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算圖 4-15 淺埋式大直徑薄殼圓筒結構土壓力的計算圖式a）為筒前土抗力的模型試驗測試值（曲線1）和計算值（曲線2）；b）土壓力計算圖式基礎的一般變位既有向前的平移，

38、又有向前的轉動。因此，基礎入土段的位移量從海床表面向下逐漸減小，入土段的上部土壓力可達極限值，而下部則達不到極限值。（2）筒筒前土抗力計算前土抗力計算4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算圖 4-15 淺埋式大直徑薄殼圓筒結構土壓力的計算圖式a）為筒前土抗力的模型試驗測試值（曲線1）和計算值（曲線2）；b）土壓力計算圖式計算時將墻前土抗力按梯形分布考慮，如圖4-15所示，即深度h1 段以下采用矩形分布。 h1值與建筑物入土部分的水平位移和地基土的密度有關，可按下式計算：。（3）土壓力沿筒周的分布土壓力沿筒周的分布4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算在對大直徑圓筒結

39、構進行筒體強度計算時，需要確定沿圓筒圓周的土壓力分布。參考C.H列瓦切夫的研究成果，計算方法如下:n 設p為作用于圓周上的土壓力，p0為p在拱頂處的值，pr和p為p的徑向分力和切向分力，則：圖 4-16 土壓力沿筒周的分布 2sin5 . 0cos020ppppr 0時：時：時：時： )cos(sincos)cos(coscos00 ppppr穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算n 基床式和淺埋式大直徑圓筒結構的穩(wěn)定性分析與一般的重力式結構類似。插入式大直徑圓筒結構插入式大直徑圓筒結構的的穩(wěn)定性分析具有如下特點穩(wěn)定性分析具有如下特點：n 插入式大直徑圓筒結構

40、不僅靠自重維持自身穩(wěn)定性，筒前土抗力也提高其穩(wěn)定性，當插入土中深度較大時尤為明顯。n 在基床式大直徑圓筒抗傾穩(wěn)定性分析中采用的筒內(nèi)填料參加抗傾工作百分比或漏出量的概念，不適用于插入式大直徑圓筒結構的抗傾穩(wěn)定性分析。合理的分析方法應該是：通過填料對筒壁的摩擦力來考慮內(nèi)填料對抗傾穩(wěn)定性所起的作用。n 當圓筒插入土中深度較大時，圓筒發(fā)生滑移和傾覆的可能性幾乎是不存在的，但是有可能出現(xiàn)基礎使用所不允許的變位。因此，插入式圓筒穩(wěn)定性由允許的位移和轉角來判斷。穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算n 由以上分析可知，插人式大直徑圓筒結構的穩(wěn)定性分析不能直接套用基床式圓筒結

41、構的穩(wěn)定性分析方法，應從作用與抗力的極限平衡條件、對結構位移與轉角的限制條件兩個方面分別考慮。n 目前關于插入式大直徑圓筒結構的設計理論、計算方法和施工工藝等問題還不成熟，仍需開展更深入的研究工作。4.5.3 大直徑圓筒大直徑圓筒基礎的計算基礎的計算n 圓筒在吊運時，由于自重作用（考慮動力系數(shù)）在筒壁橫斷面內(nèi)產(chǎn)生垂直拉應力。n 在施工過程中，圓筒內(nèi)填料已填滿，在內(nèi)部填料側壓力作用下產(chǎn)生筒壁環(huán)向拉應力。n 圓筒在基礎使用過程中的作用荷載包括：筒內(nèi)填料側壓力、土壓力、波浪力（或可能產(chǎn)生的冰荷載）、水流力、上部結構傳下來的荷載等。對圓筒結構的強度進行驗算時需考慮下面三種情況對圓筒結構的強度進行驗算時

42、需考慮下面三種情況。強度計算強度計算4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.1 吸力式基礎吸力式基礎的結構形式的結構形式n 按結構材料分：鋼結構，混凝土結構，鋼-混凝土混合結構；n 按沉箱數(shù)量可分為：單沉箱基礎和多沉箱組合基礎；n 按是否有預應力可分為：預應力吸力式基礎結構，非預應力吸力式基礎結構。吸力式基礎結構分類吸力式基礎結構分類4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.1 吸力式基礎吸力式基礎的結構形式的結構形式n 單單筒筒結構結構:單筒吸力式基礎是最為簡單，受力特征也最明顯的一種結構型式。鋼結構吸力式基礎鋼結構吸力式基礎圖 4-17 不同直徑單沉箱結構n 隨著沉箱直徑的減小，沉箱高度不斷增加，這

43、是因為直徑大高度小的吸力式基礎抗傾覆、抗側移主要通過沉箱頂蓋與土體摩擦力，類似于筏板基礎；直徑小高度大的吸力式基礎抗傾覆主要依靠沉箱壁側摩阻力，類似于樁基礎。淺海區(qū)，使用淺海區(qū)，使用大直徑的吸力式基礎更容易滿足拖大直徑的吸力式基礎更容易滿足拖航要求航要求。4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.1 吸力式基礎吸力式基礎的結構形式的結構形式鋼結構吸力式基礎鋼結構吸力式基礎圖 4-18 多沉箱組合結構n 多桶組合基礎:多沉箱組合結構在抗傾覆和材料成本上都有其優(yōu)勢，但制作稍復雜，施工中負壓下沉也較容易控制，在淺海區(qū)域易優(yōu)先考慮，如圖4-18所示。4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.1 吸力式基礎吸力式基

44、礎的結構形式的結構形式符合結構吸力式基礎符合結構吸力式基礎混合結構往往是沉箱基礎下部采用鋼質沉箱結構，上部加砼頂蓋，頂蓋還可以是多種多樣，包括變截面實心砼頂蓋，分倉砼頂蓋，加肋頂蓋等。圖 4-19 混合結構型式混合結構的優(yōu)點混合結構的優(yōu)點n 使用混合結構一方面可以減少鋼材用量；n 另一方面，混凝土頂蓋可以增加加載重量提高結構承載力；n 分倉設計，更是為沉貫完成后，繼續(xù)在艙中堆載提供方便，可形成重力負壓沉箱混合結構，增加穩(wěn)定性；n 在鋼質沉箱與塔筒相連處加肋板，可以有效消除連接處的應力集中問題4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.1 吸力式基礎吸力式基礎的結構形式的結構形式預應力結構預應力結構n 在以風荷載為控制荷載的極限荷載組合下，風荷載值較大，塔架又過高，最終往往導致結構正常使用極限狀態(tài)無法滿足。因此，可采用預應力結構，在肋板處加預應力鋼筋，有效控制塔筒與基礎連接處的裂縫，對結構防腐和正常使用有很大影響，同時也可以節(jié)約材料成本。圖 4-20 預應力混凝土結構4.6 吸力式基礎吸力式基礎4.6.2 吸力式基礎吸力式基礎的構造的構造n對海上風電機組吸力式基礎而言，其豎向承載力相對易滿足要求，關鍵在于保障抗傾覆能力滿足要求。n吸力桶常設計為寬淺結構，高經(jīng)比多在0.5左右，一般不