[发明专利]径向小高度加翼大直径钢管桩及其水平承载力计算方法

说明书

本发明公开了径向小高度加翼大直径钢管桩及其水平承载力计算方法，首先根据《建筑桩基技术规范》JGJ94‑2008算出“普通大直径钢管桩”的“水平承载力基础值”；然后利用数值分析手段对“普通大直径钢管桩”及“径向小高度加翼大直径钢管桩”的水平承载特性进行分析，通过回归分析，找出“径向小高度加翼大直径钢管桩”水平承载力相对于“水平承载力基础值”的“桩径尺寸效应系数”和“翼板效应系数”；最后对“水平承载力基础值”进行“桩径尺寸效应系数”和“翼板效应系数”修正，得到“径向小高度加翼大直径钢管桩”水平承载力计算公式。本发明用于海上风电场风电机组大直径钢管桩单桩基础工程，可以获得良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明涉及一种径向小高度加翼大直径钢管桩及其水平承载力计算方法，属于风电基建工程技术领域。

背景技术

目前全球范围内的海上风电机组基础常用基础形式主要有单桩基础、三脚架、导管架、重力式、吸力筒、漂浮式、以及高桩承台等基础形式；桩基础是海上风电基础最主要的应用形式，其中单桩基础的应用约占所有基础类型的60％左右。我国目前海上风电基础也以大直径单桩基础为主，通常采用直径3m～7m的单根钢管桩作为风力发电机的基础。目前，海上风电场工程中的钢管桩基础均为管状结构(详见图1)。

风电机组单桩基础除承受重力荷载之外，还承受风、浪、流等水平荷载作用，在设计中需要重点考虑其水平承载性能；桩的直径往往由水平承载能力控制。桩的水平承载能力由桩的直径、桩身抗弯能力及桩侧土抗力所控制，而桩侧土抗力的大部分由地表附近的土层提供。所以要增大桩的水平向承载能力，一个办法是增大桩身直径；另一个办法是在地表附近土层的桩身周围增加径向翼，构成径向加翼钢管桩(详见图2)。在桩身水平承载能力相同的前提下，只要设计合理，采用“径向加翼钢管桩”往往比“增大桩身直径”具有更好的经济性。

针对径向加翼大直径钢管桩，为找到合理的翼板设计参数，特进行相关研究，从“安全、经济、实用”的原则出发，发明了一种“径向小高度加翼大直径钢管桩”，并给出了其水平承载力的计算方法。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种径向小高度加翼大直径钢管桩及其水平承载力计算方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种径向小高度加翼大直径钢管桩及其水平承载力计算方法，包括如下步骤：

步骤一：针对钢管直径D＝3m～7.5m、无径向翼的普通弹性长桩，先根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008计算其水平承载力特征值的“基础值”R_h0；

步骤二：针对钢管直径D＝3m～7.5m、无径向翼的普通弹性长桩，采用数值分析手段，计算其水平承载能力R_h1，以及地面处桩身的水平位移y₁；然后以步骤一中的R_h0为基础，通过回归分析，得到不同直径钢管桩水平承载力的“尺寸效应系数”k_D，即：k_D＝R_h1/R_h0＝(0.25lnD+0.86)；

步骤三：针对钢管直径D＝3m～7.5m、设置径向翼的弹性长桩，利用ANSYS软件建立桩、径向翼和地基土在桩顶水平荷载作用下的整体数值模型；采用数值分析手段，分析不同径向翼数量n、不同翼板高度h_s、不同径向翼长度L_s条件下的桩在桩顶水平荷载H作用下，地面处桩身的水平位移y₂，其中取d_s＝0m；

步骤四：针对步骤三中的计算结果，按照“地面处桩身的水平位移与桩顶水平荷载成正比”的原则，通过优化分析，结合海上风电基础大直径钢管桩的施工特点，确定径向翼的高度h_s；经过对比分析，确定本发明中的翼板高度h_s＝0.3m～0.5m；