國(guó)內(nèi)某海上風(fēng)電場(chǎng)單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)

文 | 黃富濤，楊曉強(qiáng)，張星波，劉勵(lì)學(xué)，郝利忠

目前國(guó)內(nèi)僅建成上海東大橋項(xiàng)目這一個(gè)真正意義的海上風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電仍處于探索起步階段，何種型式的基礎(chǔ)適合中國(guó)的海上風(fēng)電仍處于研究之中。

單樁基礎(chǔ)是一種常見的海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式，在歐洲得到了廣泛應(yīng)用，這是由于其加工制造、運(yùn)輸以及施工方便，而且適合于大規(guī)模的應(yīng)用。借鑒歐洲海上風(fēng)電經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電項(xiàng)目的海洋水文、地質(zhì)等情況，單樁基礎(chǔ)目前是一種非常適合國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)型式。

本文選取國(guó)內(nèi)某海上風(fēng)電項(xiàng)目，根據(jù)所提供的海洋水文、氣象資料、地勘資料及風(fēng)電機(jī)組資料進(jìn)行單樁基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)。

單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)輸入條件

單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組由葉輪、機(jī)艙、塔筒、單樁基礎(chǔ)組成，海上風(fēng)電機(jī)組所受載荷示意圖如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組載荷示意圖

單樁基礎(chǔ)由過(guò)渡段和單樁組成，頂部承受風(fēng)電機(jī)組傳遞的載荷，此外單樁還受到波浪、洋流、沖刷等作用的影響，插入海床內(nèi)的基礎(chǔ)還受到海床的反作用力，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)初期階段，需要明確上述與載荷及邊界條件相關(guān)的所有輸入條件。

海上風(fēng)電項(xiàng)目介紹

該海上風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量為200MW，位于江蘇海域，擬采用4MW機(jī)組，基礎(chǔ)型式為單樁基礎(chǔ)。

該海上風(fēng)電項(xiàng)目的工程地質(zhì)提供了相應(yīng)風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位的鉆孔資料，鉆孔深度為海床以下80m，共13個(gè)土層，力學(xué)參數(shù)詳見地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告。該項(xiàng)目的海洋水文氣象資料提供了風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)資源觀測(cè)情況及波浪觀測(cè)點(diǎn)的波浪觀測(cè)情況，給出了風(fēng)玫瑰圖、浪玫瑰圖及風(fēng)和浪方向之間的關(guān)系。

整機(jī)廠家提供了塔筒底部的極限工況載荷和疲勞工況載荷，并提供了塔筒、機(jī)艙和葉輪的質(zhì)量和剛度分布情況等進(jìn)行系統(tǒng)振動(dòng)性能分析的必要條件。

單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)

單樁基礎(chǔ)為薄壁錐狀或管樁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，概念設(shè)計(jì)階段是為了確定基礎(chǔ)主體鋼結(jié)構(gòu)的外形尺寸和重量，為項(xiàng)目前期的費(fèi)用測(cè)算提供依據(jù)。因此單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)是在載荷及地質(zhì)條件已知的情況下：確定單樁各截面的設(shè)計(jì)高程、確定系統(tǒng)固有頻率、確定樁的外徑和壁厚、確定樁的入土深度、完成樁的疲勞損傷計(jì)算及極限強(qiáng)度計(jì)算。

（一）確定設(shè)計(jì)高程

這里所說(shuō)的設(shè)計(jì)高程為與水位相關(guān)的單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高程，包含工作平臺(tái)的高程、單樁頂部高程和過(guò)渡段底部高程。

工作平臺(tái)高程的設(shè)計(jì)原則是確保在海上風(fēng)電機(jī)組壽命期內(nèi)，極限波浪打不到平臺(tái)，即確保極限浪高和平臺(tái)之間有一定的高度差。GL規(guī)范中規(guī)定了平臺(tái)地面高程的設(shè)計(jì)方法，如公式（1）所示：

式中： Zplatform為工作平臺(tái)的高程

LAT為最低潮位

ΔZtide為潮汐變化范圍

ΔZsurge為涌浪變化范圍

ΔZair為工作平臺(tái)底部與極限浪高之間的距離

ξ*為極限浪高

根據(jù)該項(xiàng)目的海洋水文資料，將以上參數(shù)代入公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到平臺(tái)的底部高程為11m。

單樁基礎(chǔ)頂部高程設(shè)計(jì)參考位置為最低潮位（基于85高程-2.5m），一般位于最低潮位1m以上，因此單樁頂部高程為-1.5m。

過(guò)渡段底部高程設(shè)計(jì)，過(guò)渡段與單樁之間通過(guò)水泥灌漿連接，灌漿水泥連接段的長(zhǎng)度一般為單樁外徑的1.5倍。塔筒底部外徑為5m，塔筒與過(guò)渡段之間通過(guò)法蘭連接，則過(guò)渡段的外徑也為5m，因此過(guò)渡段灌漿部分的長(zhǎng)度為7.5m，過(guò)渡段的底部高程為-9m，因此過(guò)渡段的長(zhǎng)度為20m。

（二）確定系統(tǒng)固有頻率

按照IEC400－3規(guī)范的要求，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要避開的波浪激勵(lì)源頻率主要為疲勞波浪載荷的頻率。根據(jù)該項(xiàng)目的海洋水文資料，疲勞波浪載荷的頻率主要集中在0.1Hz－0.25Hz之間，如圖2所示，其中藍(lán)色曲線為波浪載荷的頻譜曲線。

對(duì)于風(fēng)載荷的激勵(lì)頻率，由于風(fēng)驅(qū)動(dòng)葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要避開正常發(fā)電頻率（風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，正常發(fā)電頻率稱為1P），此外每個(gè)葉片的掃掠頻率也需要避開，一般風(fēng)電機(jī)組有3個(gè)葉片，因此需要避開1P和3P數(shù)值。該項(xiàng)目的風(fēng)電機(jī)組為某整機(jī)廠家的4MW海上風(fēng)電機(jī)組，該風(fēng)電機(jī)組1P的范圍為0.114Hz－0.21Hz，則3P的范圍為0.342Hz－0.63Hz，如圖2中的1P、3P所示。

圖2 系統(tǒng)第一階設(shè)計(jì)頻率范圍

綜合考慮波浪和風(fēng)的激勵(lì)頻率范圍，選取該海上風(fēng)電項(xiàng)目包含單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的一階固有頻率設(shè)計(jì)值位于0.28Hz－0.32Hz之間，如圖2所示。

（三）確定單樁基礎(chǔ)的外徑和壁厚

設(shè)計(jì)初始階段，可以綜合考慮加工、制造、施工等因素假設(shè)單樁的外徑，單樁壁厚與外徑的初始之比一般可取1:100，概念設(shè)計(jì)階段可認(rèn)為壁厚不變，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般情況灌漿水泥的厚度假定為50mm，灌漿的長(zhǎng)度與直徑（單樁的外徑）之比為1.5。

設(shè)計(jì)初期階段可以假定過(guò)渡段的壁厚與單樁基礎(chǔ)的壁厚相同。單樁基礎(chǔ)的外徑確定之后，過(guò)渡段的外徑可以通過(guò)公式（2）計(jì)算得到：

式中：Dgd為過(guò)渡段外徑

Ddz為單樁外徑

tgd為過(guò)渡段壁厚

tgj為灌漿厚度

利用公式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到單樁基礎(chǔ)的外徑為4.8m。

（四）系統(tǒng)的振動(dòng)性能計(jì)算

本項(xiàng)目根據(jù)整機(jī)廠家提供的資料，葉輪-機(jī)艙系統(tǒng)被看作一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，僅考慮質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)頻率的影響，采用ANSYS軟件的MASS21單元進(jìn)行模擬。

風(fēng)電機(jī)組塔筒為細(xì)長(zhǎng)薄壁件結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)性能影響很大，需要進(jìn)行詳細(xì)的建模。根據(jù)塔筒結(jié)構(gòu)的幾何特性，可以采用梁?jiǎn)卧M筒體；法蘭壁厚較厚，連接處不能直接簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧M，需要進(jìn)行等效處理，將法蘭簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，連接法蘭簡(jiǎn)化為與法蘭頸等壁厚的梁?jiǎn)卧?。梁?jiǎn)卧肁NSYS軟件的BEAM188單元模擬，該軟件提供了常用梁?jiǎn)卧慕孛鎺?kù)，可以根據(jù)塔筒截面形狀直接定義，法蘭質(zhì)量采用MASS21單元模擬。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與塔筒類似，概念設(shè)計(jì)階段假定為均勻壁厚的筒體，采用ANSYS軟件的BEAM188單元模擬。

海床為實(shí)體結(jié)構(gòu)，土壤模型為圓柱體，土體直徑一般為10倍單樁基礎(chǔ)直徑。采用ANSYS軟件的SOLID45單元模擬，該單元為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，材料屬性采用ANSYS軟件的D－P模型模擬。

單樁基礎(chǔ)梁?jiǎn)卧c海床實(shí)體單元之間采用MPC184單元進(jìn)行連接，該單元為多點(diǎn)約束單元（MPC），可用于梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元之間的連接。所取海床模型的底面及圓柱體側(cè)面采用位移約束，約束節(jié)點(diǎn)的三個(gè)方向自由度。圖3所示為ANSYS軟件中創(chuàng)建的某海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)有限元模型圖，其中單元數(shù)量為16588，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為17344。

根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算結(jié)果，調(diào)整單樁的壁厚和入土深度。經(jīng)過(guò)多輪計(jì)算，基于給定的壁厚，單樁基礎(chǔ)的入土深度為40m－48m時(shí)滿足頻率要求，如表1所示。

（五）單樁基礎(chǔ)極限強(qiáng)度計(jì)算

極限波浪載荷根據(jù)該項(xiàng)目海洋水文資料，選取極限波浪模型進(jìn)行載荷計(jì)算，然后將極限浪載和整機(jī)廠家提供的極限工況風(fēng)載按照DNV規(guī)范中規(guī)定的方法進(jìn)行載荷的疊加。

單樁基礎(chǔ)極限強(qiáng)度計(jì)算主要指結(jié)構(gòu)在極限載荷下的應(yīng)力及穩(wěn)定性。必須確保單樁基礎(chǔ)焊縫、應(yīng)力集中區(qū)域在極限工況下的最大應(yīng)力小于材料的屈服極限，計(jì)算結(jié)果的判斷需要考慮材料的安全系數(shù)。為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，單樁基礎(chǔ)在泥面處的變形必須限制在一定的范圍內(nèi)。

極限強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)ANSYS軟件完成，海床、單樁及過(guò)渡段都采用SOLID45六面體實(shí)體單元模擬，樁土之間采用面面接觸，在過(guò)渡段的頂部通過(guò)MPC施加載荷，約束土體側(cè)面和底部位移，單元總數(shù)量為8119，節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為12830。樁土接觸分析有限元模型如圖4所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)有限元計(jì)算模型

表1 入土深度-系統(tǒng)第一階振動(dòng)頻率

圖4 樁土接觸有限元模型

圖5 水平位移圖

圖6 單樁馮米塞斯等效應(yīng)力分布圖

圖7 焊縫熱點(diǎn)應(yīng)力

根據(jù)單樁基礎(chǔ)極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，調(diào)整單樁的壁厚和入土深度。當(dāng)單樁基礎(chǔ)的入土深度為44m，壁厚位于50mm－70mm之間時(shí)，滿足極限強(qiáng)度要求，水平位移結(jié)果如圖5所示，單樁馮米塞斯等效應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出泥面處的水平位移為150mm，樁體上的最大馮米塞斯等效應(yīng)力為154MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

（六）疲勞損傷計(jì)算

疲勞波浪載荷根據(jù)該項(xiàng)目海洋水文資料，選取疲勞波浪模型進(jìn)行載荷計(jì)算，然后將疲勞浪載和整機(jī)廠家提供的疲勞工況風(fēng)載按照DNV規(guī)范中規(guī)定的方法進(jìn)行載荷的疊加。

單樁基礎(chǔ)單位載荷應(yīng)力計(jì)算一般采用熱點(diǎn)應(yīng)力法，如圖7所示,焊縫S－N曲線的選取需要參考ENV1993規(guī)范，疲勞損傷的計(jì)算采用Minner線性累積損傷理論。

經(jīng)過(guò)計(jì)算單樁基礎(chǔ)在風(fēng)電機(jī)組20年壽命期內(nèi)最大疲勞損傷為0.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某海上風(fēng)電項(xiàng)目的海洋水文、氣象資料、地勘資料及擬選用的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)，選取水深為10m的風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化計(jì)算：

單樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度為55m，入土深度為44m，外徑為4.8m，壁厚范圍為50mm－75mm，總重約為600噸。

過(guò)渡段的長(zhǎng)度為20m，外徑為5m，壁厚范圍為50mm－65mm，總重約為150噸。