带调谐液柱阻尼器的多柱式半潜式海上风力发电机的耦合动态分析

《Ocean Engineering》：Coupled dynamic analysis of a multi-column semi-submersible floating offshore wind turbine with tuned liquid column dampers

海森姆 piles在倾斜荷载下的承载特性及耦合机制研究，通过室内模型试验与数值模拟分析直径比、强度比对极限承载力及荷载包络线的影响，揭示垂直与水平荷载的相互作用规律，建立倾斜承载力计算方法，为海洋软土地区基础工程提供理论支撑。

　　HSCM桩作为一种特殊的加劲复合桩，在海洋软土地区的输电塔基础中被广泛应用。其主要优势在于高抗拔性能和较小的沉降量，使得它在复杂地质条件下具备较强的适应性和稳定性。随着海洋工程和基础设施建设的不断发展，对HSCM桩在倾斜荷载下的承载特性研究显得尤为重要。本研究通过室内模型试验，定性分析了HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力、极限荷载以及荷载包络曲线，进一步结合现有大尺度试验成果，构建了适用于倾斜荷载条件下的HSCM桩-土模型。在模型设计中，重点考虑了不同直径比和强度比对倾斜承载能力的影响，从荷载-位移曲线、桩弯矩、轴力、桩-土位移分布以及桩-土破坏模式等方面进行了深入分析。研究结果表明，随着倾斜角度的增加，HSCM桩的极限承载能力有所下降。同时，数值模拟的结果进一步揭示了垂直荷载对HSCM桩水平承载能力的显著增强作用，最大水平荷载通常出现在倾斜荷载条件下。通过荷载包络图的分析，研究探讨了水平与垂直荷载之间的耦合机制，并提出了适用于HSCM桩的荷载包络曲线公式。该研究为HSCM桩在海洋软土地区的倾斜承载能力及破坏机制设计提供了基础依据。

在实际工程应用中，HSCM桩常用于承受倾斜荷载的场景，例如输电塔、海上浮动平台等结构。这些结构在运行过程中，往往受到来自不同方向的荷载作用，而倾斜荷载的引入使得传统垂直或水平荷载分析方法不再适用。因此，有必要对HSCM桩在倾斜荷载下的行为进行系统研究。现有文献表明，研究者已经对倾斜荷载下桩的承载能力进行了大量探索。例如，Kumawat等人（2024）采用三维有限元分析，研究了螺旋锚桩在复合荷载下的行为，发现螺旋叶片的数量对承载能力影响不大，但叶片直径的增加能够显著提高其承载能力。Lee等人（2019, 2022）则利用欧拉-拉格朗日耦合有限元方法，分析了螺旋桩在倾斜荷载下的承载特性，指出倾斜荷载和荷载施加点的变化对承载能力有重要影响。Cheng等人（2023）结合随机场理论，探讨了土壤强度空间变化对螺旋桩倾斜承载能力概率包络的影响，表明不同土壤配置下，概率包络的差异显著。

尽管已有大量研究，但HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力仍存在许多未解的问题。一方面，HSCM桩在安装过程中可能受到扰动，导致其承载能力下降，并容易发生轴向失稳和屈曲现象。另一方面，现有研究主要集中在垂直和水平荷载的独立分析上，而对这两种荷载在实际应用中的耦合效应缺乏系统探讨。此外，关于水泥土桩对桩体行为的影响，以及其如何增强桩的承载能力，目前仍缺乏深入理解。因此，有必要进一步研究HSCM桩在倾斜荷载下的承载特性，以更好地指导其设计和应用。

为了全面分析HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力，本研究采用多种研究方法，包括室内模型试验、数值模拟和理论计算。首先，通过室内模型试验，研究了螺旋叶片数量等设计参数对HSCM桩倾斜承载特性的影响，并分析了其荷载-位移曲线、极限承载能力和荷载包络曲线。其次，基于现场试验，构建了三维数值分析模型，模拟了HSCM桩在倾斜荷载下的行为，并探讨了水泥土强度比和桩-土粘结直径比对倾斜承载能力的影响。最后，结合上述研究结果，进一步分析了强度比和直径比对荷载包络曲线的影响，提出了适用于HSCM桩倾斜承载能力的计算方法。

在模型设计方面，本研究使用了Q235钢作为模型桩的材料。螺旋叶片通过点焊固定在桩体上，桩顶则设计为螺纹结构，以便与桩锤连接。桩尖采用锥形设计，以提高桩体的穿透能力和承载性能。模型桩的弹性模量为200 GPa，中心钢管直径为22 mm，截面积为126 mm2，总长度为600 mm。螺旋叶片的间距为10 mm，且在第一段导向段中，叶片间距与叶片直径的比值大于3，以确保叶片之间的相互作用能够被充分研究。

在数值模拟方面，本研究基于Huang等人（2022）的现场试验数据，构建了三维数值模型。模型包括了用于导向段的钢管、延伸段的钢管、螺旋叶片、注浆孔以及桩周的水泥土。通过该模型，研究者能够更准确地模拟HSCM桩在倾斜荷载下的行为，并分析其在不同荷载条件下的性能表现。数值模拟的结果与室内试验结果进行了对比和验证，表明两者在整体趋势上高度一致，从而为HSCM桩的倾斜承载能力研究提供了可靠的理论支持。

通过荷载-位移曲线的分析，研究发现随着倾斜角度的增加，HSCM桩的初始刚度逐渐降低。在倾斜角度为0°至30°时，倾斜荷载对荷载-位移曲线的刚度影响较小，但随着倾斜角度的增大，刚度的下降趋势变得更加明显。这种现象主要是由于HSCM桩在倾斜荷载下的侧向阻力变化所致。在较小的倾斜角度下，侧向摩擦力能够有效支撑桩体，从而保持较高的初始刚度。然而，当倾斜角度较大时，侧向阻力的分布和作用方式发生变化，导致整体承载能力下降。这一发现为HSCM桩在倾斜荷载下的设计提供了重要参考，表明在设计过程中应充分考虑倾斜角度对桩体性能的影响。

此外，研究还分析了HSCM桩在不同倾斜角度下的弯矩和轴力分布情况。结果表明，随着倾斜角度的增加，桩体的弯矩和轴力分布也发生了显著变化。特别是在倾斜角度较大的情况下，桩体受到的弯矩作用更为集中，轴力的分布则变得更加不均匀。这种变化可能导致桩体在倾斜荷载下的局部应力集中，进而影响其整体承载能力和稳定性。因此，在设计HSCM桩时，应特别关注其在倾斜荷载下的应力分布情况，以避免潜在的结构失效风险。

在荷载包络曲线的分析中，研究进一步探讨了不同强度比和直径比对HSCM桩倾斜承载能力的影响。结果表明，水泥土的强度比对桩的承载能力具有显著影响，当水泥土强度较高时，桩体的承载能力也随之增强。然而，当水泥土强度较低时，桩体的承载能力则受到较大限制。直径比则主要影响桩体与土壤之间的相互作用，当直径比较大时，桩体能够更有效地与土壤结合，从而提高其承载能力。这一发现表明，在设计HSCM桩时，应综合考虑水泥土强度和桩体直径，以优化其在倾斜荷载下的性能表现。

本研究还探讨了HSCM桩在倾斜荷载下的破坏模式。通过分析试验和模拟结果，研究发现HSCM桩在倾斜荷载下的破坏模式与传统螺旋桩有所不同。在倾斜角度较小的情况下，桩体的破坏主要表现为侧向滑动或局部剪切破坏。而在倾斜角度较大的情况下，桩体的破坏则更倾向于整体弯曲或轴向屈曲。这一现象表明，HSCM桩在倾斜荷载下的破坏机制具有一定的复杂性，需要结合具体的荷载条件和土壤特性进行综合分析。

在理论计算方面，本研究基于已有的垂直和水平承载能力计算方法，结合HSCM桩的特殊结构特点，提出了适用于倾斜荷载的计算方法。该方法考虑了垂直和水平荷载之间的耦合效应，能够更准确地预测HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力。通过将该计算方法与试验和模拟结果进行对比，研究验证了其在实际工程中的适用性。这一理论成果为HSCM桩在倾斜荷载下的设计提供了新的思路和工具，有助于提高其在复杂荷载条件下的安全性和可靠性。

总体而言，本研究通过室内模型试验、数值模拟和理论计算相结合的方法，系统地分析了HSCM桩在倾斜荷载下的承载特性。研究结果表明，倾斜角度对HSCM桩的承载能力有显著影响，随着倾斜角度的增加，其极限承载能力下降，但垂直荷载能够显著增强其水平承载能力。此外，水泥土强度比和直径比对HSCM桩的承载能力也有重要影响，较高的水泥土强度和较大的直径比能够有效提高其承载能力。研究还揭示了HSCM桩在倾斜荷载下的破坏模式，表明其在不同倾斜角度下的破坏机制具有一定的差异性。基于这些研究成果，本研究提出了适用于HSCM桩倾斜承载能力的计算方法，为实际工程设计提供了理论支持。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，由于技术条件和现场环境的限制，对桩体弯矩和轴力的研究仍较为表面化，缺乏更深入的分析。其次，虽然本研究探讨了HSCM桩在倾斜荷载下的承载特性，但对实际工程中可能存在的多种复杂荷载条件（如动态荷载、周期性荷载等）研究不足。未来的研究应进一步结合现场试验，深入分析HSCM桩在倾斜荷载下的应力分布和破坏机制，以完善其设计理论和应用方法。此外，还应加强对水泥土桩与桩体之间相互作用的探讨，以更好地理解其对承载能力的增强作用。

本研究的成果对于HSCM桩在海洋软土地区的应用具有重要意义。通过系统分析HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力，研究为实际工程设计提供了重要的理论依据和实践指导。在海洋工程中，由于地质条件的复杂性和荷载的多样性，HSCM桩的倾斜承载能力研究显得尤为关键。因此，未来的研究应继续关注HSCM桩在倾斜荷载下的行为，特别是在不同土壤类型和荷载条件下的表现。同时，还应进一步优化HSCM桩的设计参数，以提高其在复杂环境中的适应性和稳定性。

在实际工程应用中，HSCM桩的设计需要综合考虑多种因素，包括土壤特性、荷载方向、桩体结构等。本研究的结果表明，HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力不仅受到自身结构参数的影响，还与土壤的强度和分布密切相关。因此，在设计过程中，应充分考虑这些因素，以确保HSCM桩能够安全、稳定地承受各种荷载条件。此外，研究还指出，HSCM桩在倾斜荷载下的破坏模式具有一定的复杂性，这要求设计者在进行结构分析时，不仅要关注极限承载能力，还应充分考虑其在不同荷载条件下的稳定性问题。

综上所述，本研究通过多种方法对HSCM桩在倾斜荷载下的承载能力进行了系统分析，揭示了其在不同设计参数和荷载条件下的行为特点。研究结果表明，倾斜角度、水泥土强度比和直径比对HSCM桩的承载能力有重要影响，同时，垂直荷载能够显著增强其水平承载能力。这些发现为HSCM桩在海洋软土地区的应用提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究应进一步结合现场试验，深入探讨HSCM桩在倾斜荷载下的应力分布和破坏机制，以完善其设计理论和应用方法。同时，还应加强对水泥土桩与桩体之间相互作用的分析，以更好地理解其对承载能力的增强作用。通过不断优化和改进HSCM桩的设计和施工方法，有望进一步提高其在复杂地质条件下的适应性和稳定性，从而更好地满足海洋工程和基础设施建设的需求。