《Ocean Engineering》：Buckling characteristics of the bucket foundation during installation into silty sand
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桩基屈曲预测方法研究：基于有限元分析揭示几何、土体及穿透深度的关键影响，提出适用于淤泥土壤的临界屈曲压力计算模型，验证显示预测精度达85%-92%，较传统DNV规范设计更符合实际工况。
牛浩明|徐青|周密|荣定义|张西红|卢伟业|李金辉
广东海洋大学海洋工程与能源学院，中国广东省湛江市，524088
摘要
沉箱在海上风力涡轮机（OWT）工程中得到广泛应用。其屈曲问题是沉箱设计中的关键问题，会在安装过程中引入不确定性。本研究通过有限元分析探讨了沉箱在粉砂中的屈曲现象，旨在提出一种准确的沉箱屈曲承载能力预测方法。将数值模型与先前发表的数据进行对比，结果吻合良好。随后进行了详细的参数研究，以考察沉箱几何参数、土壤性质和嵌入深度等因素的影响。基于数值分析结果，确定了沉箱的屈曲失效机制，并开发了一种考虑这些因素影响的临界屈曲承载能力预测方法。本研究的研究成果可为海上工程中沉箱的设计与施工提供指导。
引言
在气候变化和减排的大背景下，海上风力涡轮机的发展已成为推动清洁能源和低碳能源转型的重要途径（Chambel等人，2024年）。由于沉箱在安装过程中的良好性能和经济效率，它们在风力发电工程中被广泛使用（Park等人，2016年；Wang等人，2024年）。沉箱是一种顶部封闭、底部开放且内部中空的结构，形状类似于倒置的桶（图1）。对于长径比较大的薄壁圆柱结构，安装过程中容易发生屈曲现象，这使得屈曲成为施工中的重点问题（Guo等人，2022年）。
桶形基础的屈曲行为主要通过圆柱壳稳定性理论和薄板小挠度理论进行分析。Sun等人（2023年）提出了一种双模型方法，结合了裙板与土壤的相互作用和独立的结构分析来计算临界屈曲压力。同样，Chen等人（2016年）通过大规模实验分析了桶形基础在粉砂中的安装过程，发现土壤渗透和裙板刚度是屈曲失效的关键因素。土壤参数（如渗透性和抗剪强度）对屈曲特性有显著影响。Hu等人（2018年）通过数值模拟研究了桶形基础的渗流场分布，并提出优化排水条件可以提高屈曲稳定性。从结构角度来看，纵向加劲肋显著提高了屈曲承载能力。对于半径与厚度比为250的桶形结构，在固定-固定边界条件下，加劲肋使临界屈曲压力提高了40%（B?hm等人，2024年）。此外，土壤弹簧模型表明，来自坚硬粘土层的侧向约束随嵌入深度的增加而线性增强；相比之下，砂土的侧向约束较弱，导致屈曲阻力降低了15–20%（Wang等人，2024年）。
准确预测屈曲载荷对于设计和施工至关重要。目前，大多数桶形基础的抗弯强度设计遵循挪威分类协会壳体抗弯强度设计规范（DNV）和欧盟钢结构设计规范（Schmid，2000年），这些规范忽略了土壤对桶壁的影响。由于将侧向土壤约束简化为铰接约束，并且使用非整体桶形部分的高度作为计算长度，因此预测结果较为保守。这一偏差在挪威Wilhelmshaven风电场的一个桶形基础在吸力作用下的弯曲失效事件中得到了体现（Madsen等人，2013年）。因此，在实际工程中考虑土壤性质对于准确预测至关重要。此外，关于桶形基础在粘土和砂土中嵌入过程中的结构稳定性数值模拟（Pinna等人，2001a；Pinna等人，2001b；Bakmar等人，2010年）表明，侧向约束显著影响屈曲强度。
本研究采用了特征值屈曲分析和Riks非线性屈曲分析方法来研究潜在的影响因素。最终提出了一种用于预测沉箱在粉砂中嵌入时的临界屈曲载荷的方法，为粉砂中沉箱的设计与施工提供了指导。
材料参数和几何尺寸
本研究探讨了沉箱在粉砂土壤中的屈曲性能，包括短沉箱和长沉箱。如图2所示，这两种几何类型的桶形基础分别用C1和C2表示，其中C1代表短沉箱，C2代表长沉箱。研究使用的粉砂来自黄海地区，其代表性粒径分布曲线如图3所示（Liu等人，2014年；Kim等人）
数值模型与验证
数值模型（图4a）和加载图（图4b）是使用Abaqus软件包（Simulia等人，2018年）开发的。为了研究屈曲机制，沉箱模型被预先嵌入粉砂中。模拟了不同的嵌入深度，这些深度已被证明适用于评估屈曲承载能力（Al Hakeem等人，2024年）。土壤模型的直径设置为沉箱直径的10倍，嵌入深度为五倍
线性屈曲分析
为了研究沉箱在粉砂中嵌入过程中的屈曲性能，对短沉箱（C1）和长沉箱（C2）进行了一系列非线性屈曲分析。在进行非线性分析之前，首先对完美的沉箱结构进行了线性特征值分析，以确定屈曲承载能力的上限。
结论
为了解决桶形基础在粉砂中吸力辅助嵌入过程中的屈曲行为，本研究对短沉箱和长沉箱基础进行了全面的参数研究，建立了一种可靠的临界屈曲压力预测方法，该方法考虑了粉砂土壤性质的影响。主要结论如下：
(1)短沉箱和长沉箱的失效机制存在显著差异，这受到它们几何形状的影响
作者贡献声明
牛浩明：撰写——初稿。徐青：撰写——审稿与编辑、软件处理、数据管理。周密：撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、资金申请。荣定义：撰写——审稿与编辑、软件处理、数据管理。张西红：撰写——审稿与编辑。卢伟业：软件处理、数据管理。李金辉：软件处理、数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
前三位作者和最后一位作者得到了以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：42276213）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2023ZYGXZR028）、2022年六大海洋产业专项基金（项目编号：GDNRC [2022]27）、深圳市重点高校稳定支持计划（项目编号：GXWDS20220818152909001）以及中国国家铁路集团有限公司的研究项目（项目编号：K2023G04）。
