[发明专利]一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法

说明书

本发明提供一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，属于土建技术领域，将单桩简化为Timoshenko梁模型，土体模拟为改进的Pasternak地基模型，提出一种考虑桩身剪切变形，同时考虑土体剪切效应和塑性屈服特性的物理力学模型，克服现有理论技术在模拟海上风电大直径单桩‑土动力相互作用的不足。此外，综合考虑桩顶实际受力情况，建立水平动荷载、动弯矩和竖向荷载共同作用下的桩基动力响应模型，采用传递矩阵法处理土体分层特性，解决层状地基中海上风电大直径单桩在复杂多向荷载作用下的水平动力响应分析问题。基于本发明所提出的分析方法能更好地为海上风电大直径单桩在复杂荷载作用下的桩身变形和内力发展规律提供理论价值。

技术领域

本发明涉及土建技术领域，尤其涉及一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法。

背景技术

随着我国海上风电工程的快速发展，桩基础作为海上风电基础的重要形式之一，得以被广泛应用，大直径单桩在海上复杂多向荷载环境下的受力分析日趋受到关注。一方面，目前研究大直径单桩水平振动响应问题时，为计算方便，多采用Bernoulli-Euler理论，将桩基模拟为细长杆件模型，该理论模型只考虑桩身弯曲变形，而对于大直径桩而言，其自身的剪切变形对多向动荷载作用下桩基水平动力响应的影响也十分显著，此时桩体应采用更为合适的Timoshenko模型。另一方面，尽管有些桩基水平受荷分析方法也开始采用较为合理的Pasternak地基模型替代传统Winkler地基模型，但多是局限于土体的粘弹性状态，未考虑桩周土体的塑性屈服特性，这在实际工程中也是偏于危险的，亟待提出一种改进的Pasternak地基模型，以完善考虑土体塑性屈服的受力特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，解决现有分析方法中大直径单桩采用Bernoulli-Euler模型时忽略的桩身剪切变形对桩基水平动力响应影响的技术问题。

本发明是考虑竖向荷载作用下海上风电大直径单桩水平动力响应分析，基于Timoshenko梁模型和改进Pasternak地基模型，同时结合考虑土体的塑性屈服特性的海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法是更为合理的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种海上风电大直径单桩水平动力响应分析方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：引入如下假定条件，建立Pasternak层状地基中水平动荷载、动弯矩和竖向荷载共同作用下的海上风电大直径Timoshenko单桩水平动力响应分析模型；

步骤2：基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论，建立层状地基中桩身单元的水平动力控制微分方程；

步骤3：通过求解步骤S2中所述的水平动力控制微分方程，得到层状地基中桩周土体弹性变形段和塑性变形段的单桩水平振动分析参数，其中所述参数至少包括桩身的水平位移、截面转角、弯矩和剪力。

进一步地，步骤1中，假定条件包括海上风电大直径单桩等效为圆形等截面和均质弹性体，将桩模拟为Timoshenko梁模型，考虑土体塑性屈服特性，假定地基土为粘弹性-塑性地基，将桩周土体模拟为改进的Pasternak地基模型，按照土层划分为i层，每层划分为j段，假定桩-土界面不分离且不发生相对滑移。

进一步地，步骤2中的水平动力控制微分方程的表达形式为：