0 引言

近几年，国内海上风力发电技术得到了快速发展[1]。风电机组基础常见形式有重力式基础、单桩基础、导管架基础及新型吸力桶基础等[2]，不同的基础结构适用于不同的工程条件[3]。筒型基础因具有较好的抗倾覆能力、施工费用低和可重复利用等诸多优势，被普遍应用于海上风电领域[4]。由于大直径的筒型基础在拖航与沉放过程不易保持平衡，因此需要在筒体内设置多个独立舱室以达到精细调平。

邓斌[5]通过数值模拟复合筒型基础周围的海床表面覆盖不同块石下的动力响应和液化范围分布，发现上覆块石层厚度越大，抗液化效果越好。Ding等[6]在江苏沿海的饱和黏土环境中进行了新型带分舱板海上风电筒型基础的水平承载力现场试验。丁红岩等[7]以“CBF-3-150”3MW复合筒型基础风机结构为对象，通过气浮理论和MOSES软件分析不同分舱形式下大尺度筒型基础的浮稳性参数，认为对大尺度筒型基础进行分舱可以明显提高结构的浮稳性。吴慕丹[8]结合了模型试验与有限元分析方法，研究发现分舱板能够使基础极限承载力提高8.8%，还能够使水平荷载下的极限承载力提高20%左右；筒型基础在负压作用后与土体的接触更加紧密，极端荷载下脱开率大幅下降，承载力有较大提升。

目前对于带分舱板筒型基础研究较少，且多以物理模型为主，因此有必要对带分舱板筒型基础的抗震性能等进行更加深入的研究，为近海风电筒型基础的设计提供参考。

1ABAQUS模型的建立

本文以Wang[9]研究中0.5高径比筒型基础为原型。上部风机重量为120 t，塔筒长度70 m，剖面为薄壁环形，半径为2.17 m，厚度为50 mm，上部结构的总重量为710 t；基础外径为30 m，高度为15 m，基础筒边厚度为400 mm，筒顶盖厚度300 mm，筒内部分舱板按蜂窝型布置，每块分舱板长7.5 m，厚度180 mm。

1.1 材料参数

筒型基础材料为Q345钢材，弹性模量E=2.1伊105MPa，泊松比 滋=0.3，密度为 7 850 kg/m3；土体为粉砂夹粉土，本构关系为弹塑性模型。材料参数见表1。

表1 材料参数取值Table 1 Material parameter values土层 密度/（kg·m-3） 弹性模量/MPa 泊松比 内摩擦角/（毅） 黏聚力/kPa 膨胀角/（毅） 模量系数 模量指数粉砂夹粉土 1 840 72 0.245 28.8 16 0.1 836 0.63

1.2 单元选择与网格划分

上部风机简化为一个集中质量点，塔筒采用B3空间梁单元，下部筒型基础以及土体采用C3D8R三维实体单元。xz面为水平面，y方向作为结构的竖直方向且规定重力方向为y轴负方向，在4倍筒径范围内对土体网格进行适当加密，最小径向网格尺寸约为0.5 m，最大径向网格尺寸10.5 m，竖向网格尺寸均设置在3 m左右。带分舱板筒型基础模型单元总数为40 950，普通筒型基础模型单元总数为58 560。

1.3 接触与边界条件设置

上部风机与塔筒顶端、塔筒底端与筒型基础顶盖中心均采用耦合连接进行约束；土体与筒型基础的接触面存在相互作用，在ABAQUS中通过设置面-面接触进行模拟。结构与土体间的法向作用采用“硬接触”，它能够有效模拟土体与结构间的相互作用，具有很好的收敛效果，接触面的切向摩擦系数取为0.4。

土体分区示意图见图1，外部为无限元实体部分，内部的有限元土体设为圆柱形，直径为10倍筒径，土体高度为3倍筒高。

图1 无限元边界分区示意图Fig.1 Infinite element boundary partition diagram

1.4 结构阻尼

使用ABAQUS有限元软件进行模态分析，发现结构前十阶自振频率在0.863~6.076 Hz之间，其中可能发生的振型为前五阶，频率在0.863~3.713 Hz之间。阻尼选择根据需要选用瑞利阻尼，将阻尼矩阵假设为质量矩阵M和刚度矩阵K的组合，即：

式中：琢为质量阻尼系数；茁为刚度阻尼系数。琢与茁可由振型阻尼比计算得到，即：

式中：棕i和棕j分别表示体系第i阶和第j阶振型对应的自振频率；孜i和孜j分别代表第i阶和第j阶振型阻尼比，本文中为0.05。取结构的前五阶振型的自振频率计算结构阻尼，经计算，结构阻尼系数为 琢=0.439 95，茁=0.003 48。

1.5 模型验证

本文以Wang[9]研究中物理模型为基础，建立ABAQUS有限元软件数值模型，将从Wang[9]研究中提取的简单地震波从土体底部以水平向加速度的方式分别施加于饱和砂与干砂条件下的结构，分别模拟带分舱板的海上风电筒型基础在干砂与饱和砂中的地震动力响应，通过比较物理模型与数学模型中对应测量点的加速度时程曲线以及沉降量，验证了有限元模型模拟带分舱板筒型基础物理模型的地震动力响应的可靠性。