以有限元素數值模型分析負壓沉箱基礎受反覆側向作用力之變形行為

由於負壓沉箱基礎於安裝時造成之水下施工噪音較低，且於離岸風機使用年限後易於移除，為達離岸風場永續經營目標及考量施工成本經濟效益，負壓沉箱基礎為近年來歐洲國家積極發展之離岸風機基礎型式之一。離岸風機長期受到風、波、流之反覆側向載重，評估離岸風機基礎於運轉年限內受環境反覆側向載重下造成之累積變形反應為確保風機運轉功能性之重要檢核項目。

目前針對負壓沉箱基礎受反覆側向載重引致之變形反應，多利用室內縮尺模型試驗進行研究，並以其成果建立半經驗公式進行估算[陳克維，2015]。然而，受限於模型試驗條件，依模型試驗建立之半經驗公式仍有其使用限制。為了分析負壓沉箱基礎置於不同緊密程度之無凝聚性海床土壤時，受反覆側向載重作用下之行為反應，本研究利用Achmus et al.(2013)提出之建議手法，結合勁度衰減模型，建立Abaqus6.14三維有限元素數值分析模型，計算埋置於不同緊密程度砂土之負壓沉箱基礎受反覆側向載重下的長期變形反應。

藉由模型驗證及Zhu et al.(2013)與Foglia and Ibsen (2016)提出之分析方法，本研究將數值模型模擬成果進行參數分析評估不同載重條件下（作用力大小與側向載重作用次數）之沉箱基礎變形反應。分析成果顯示，於靜態條件下基礎受力-變形反應可透過指數函數或乘冪函數模擬無因次彎矩M/Mu與負壓沉箱基礎傾角θ關係。對於負壓沉箱基礎受到反覆側向載重之受力-變形反應，本研究提出與Foglia and Ibsen (2016)相似之負壓沉箱基礎永久變形傾角估算式，並對該估算式之參數進行修正並加入土壤相對密度之影響。依本研究提出之分析方法，離岸風機基礎設計人員僅需取得離岸風場場址之海床土壤進行物性分析及土壤動態三軸試驗，並計算負壓沉箱基礎之側向極限承載力或極限彎矩，再透過本研究提出之負壓沉箱礎傾角估算式，計算埋置於不同緊密程度砂土中之負壓沉箱基礎於靜態側向力與反覆側向力作用下之變形反應，即可初步評估基礎之穩定性。

 

圖1 單腳式負壓沉箱基礎受側向載重之變形反應示意圖及基礎幾何配置

 

圖2 沉箱置於不同緊密程度砂土中之受力變形曲線與極限彎矩 靜態載重數值模擬成果

 

圖3 沉箱置於不同緊密程度砂土中之受力變形反應與作用力加載次數之關係

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•	Wang, T.-T., Siow, Y.-X., Chen, C.-Y. and Kuo, Y.-S. (2015). “Responses of oscillating water column wave energy caisson breakwater of 2-D and 3-D model test,” EAWOMEN 2015, The 7th workshop for marine environment and energy , October 15-17, Tainan, Taiwan.
•	郭玉樹、汪庭婷、蔡潔忞 (2016)， “勁度衰減模型應用於負壓沉箱基礎受反覆側向變形反應分析適用性評估,” 第38屆海洋工程研討會, 台北, pp. 610-615.

•	汪庭婷 (2017)，「以有限元素數值模型分析負壓沉箱基礎受反覆側向作用力之變形行為」，碩士論文，國立成功大學水利及海洋工程所，台南。