Finite Element Analysis on Bearing and Deformation Behaviors for Large⁃diameter Monopile under Lateral Cyclic loads

Xiaojie ZHOU; Na LI; Liqiang LU; Xinglei CHENG; Zhongxian LIU; Ju LIU

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.201908001

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Finite Element Analysis on Bearing and Deformation Behaviors for Large⁃diameter Monopile under Lateral Cyclic loads

更新时间：2025-09-25

- Finite Element Analysis on Bearing and Deformation Behaviors for Large⁃diameter Monopile under Lateral Cyclic loads
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 41, Issue 6, Pages: 1279-1286(2021)
- 作者机构：
  
  天津城建大学土木工程学院，天津 300384
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.201908001
  CLC： TU473.1
- Published：15 December 2021
- 稿件说明：
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周晓洁,李娜,卢力强等.水平循环荷载下大直径单桩承载变形特性有限元分析[J].防灾减灾工程学报,2021,41(06):1279-1286.

ZHOU Xiaojie,LI Na,LU Liqiang,et al.Finite Element Analysis on Bearing and Deformation Behaviors for Large⁃diameter Monopile under Lateral Cyclic loads[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2021,41(06):1279-1286.
周晓洁,李娜,卢力强等.水平循环荷载下大直径单桩承载变形特性有限元分析[J].防灾减灾工程学报,2021,41(06):1279-1286. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.201908001.

ZHOU Xiaojie,LI Na,LU Liqiang,et al.Finite Element Analysis on Bearing and Deformation Behaviors for Large⁃diameter Monopile under Lateral Cyclic loads[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2021,41(06):1279-1286. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.201908001.

摘要

大直径单桩基础是近海风电产业常用的基础型式，研究大直径单桩在风、浪、流等水平循环荷载作用下的承载变形特性意义重大。基于ABAQUS软件平台，通过建立桩土相互作用的三维有限元模型，对已有的大直径单桩离心模型试验开展数值模拟。数值计算时采用一个循环弹塑性本构模型描述桩侧土体的循环应力应变响应，通过调用该模型的UMAT子程序，设置适当的桩土接触条件、分析步及计算参数，建立了能够追踪水平循环荷载下砂土中大直径单桩位移时程的有限元分析方法。通过与已有离心模型试验结果的对比发现，建立的有限元方法可以描述砂土中大直径单桩在水平单调及循环荷载下的变形过程，反映循环荷载位移曲线的非线性、滞回性及位移累积特性，预测随循环荷载次数增加，桩身弯矩、位移等的分布特征及演化规律。

Abstract

Large-diameter monopile is one of the foundations that are widely used in offshore wind power industry. It is of great significance to study the bearing and deformation behaviors of large-diameter monopile under lateral cyclic loads such as wind， wave and flow. Numerical simulation on the existing centrifugal model tests for large-diameter monopile is carried out by establishing a three-dimensional finite element model of pile-soil interaction based on the ABAQUS software. A cyclic elastic-plastic constitutive model is used to describe the cyclic stress—strain responses of soils around the pile during numerical calculation. The finite element analysis method capable of tracking the displacement-time history of the large-diameter monopile in sands under lateral cyclic loads is established by calling the UMAT subroutine of the model and setting appropriate pile-soil contact conditions， analysis step and calculation parameters. By comparing with the model test results， the established finite element analysis model can describe the deformation process of pile under lateral monotonous and cyclic loads in sands， and reflect the nonlinearity， hysteresis and displacement accumulation characteristics of cyclic load-displacement curves. Besides， the distribution characteristics and variation law for the bending moment and displacement of pile with the increase of the number of cycles can be predicted.

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Keywords

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