海上風電傘式吸力錨基礎結(jié)構優(yōu)化設計及承載優(yōu)勢分析

劉紅軍， 王荃迪， 唐慧玲

(中國海洋大學 1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室；3.環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

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海上風電傘式吸力錨基礎結(jié)構優(yōu)化設計及承載優(yōu)勢分析

劉紅軍1,2，3， 王荃迪3， 唐慧玲3

(中國海洋大學 1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室；3.環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

海上風電基礎是制約海上風電發(fā)展的一個重要因素，大力發(fā)展經(jīng)濟與效用兼?zhèn)涞男滦突A刻不容緩。本文基于新型的海上風電傘式吸力錨基礎(USAF)的已有結(jié)構，借助大型通用有限元軟件ABAQUS構建出一系列不同尺寸的傘式吸力錨基礎(USAF)有限元模型，并通過模態(tài)分析等動力分析得到最佳傘式吸力錨基礎(USAF)結(jié)構尺寸，最后，將最佳傘式吸力錨基礎(USAF)與常規(guī)單筒吸力錨基礎在單一荷載下的極限承載力進行比較，證明了傘式吸力錨基礎(USAF)具有良好的承載優(yōu)勢。

傘式吸力錨基礎(USAF)；結(jié)構優(yōu)化設計；動力分析；承載優(yōu)勢分析；ABAQUS

引用格式：劉紅軍， 王荃迪， 唐慧玲. 海上風電傘式吸力錨基礎(USAF)結(jié)構優(yōu)化設計及承載優(yōu)勢分析[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(9)： 96-101.

LIUHong-Jun，WANGQuan-Di，TANGHui-Ling.Optimumstructuraldesignandloadingadvantageanalysisofumbrellasuctionanchorfoundationforoffshorewindturbine[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 2016, 46(9)： 96-101.

中國近海風能資源十分豐富[1]，具有很好的發(fā)展前景。海上風電基礎的成本一般可以占到工程成本的20%～30%，它對于海上風電場的重要性不言而喻[2]。吸力錨基礎由于其可重復利用性及易于施工的特點越來越受到關注[3-4]。海上風電傘式吸力錨基礎(USAF,UmbrellaSuctionAnchorFoundation)是一種新型的海上風電基礎類型，裙筒和錨枝的特殊設計使得它的承載性能和防波浪沖刷能力顯著提高。劉紅軍等[5]對USAF基礎的結(jié)構優(yōu)勢和安裝方法進行了說明，李洪江等[6]利用上限解法對USAF基礎在水平力下的承載力進行了研究，但USAF基礎的結(jié)構優(yōu)化設計還需完善。武科等[7]基于ABAQUS比較得出：筒形基礎筒體的長徑比對對筒形基礎筒體的承載力影響顯著。李大勇等[8]通過模型試驗得出，裙式吸力錨筒裙的尺寸對水平承載性能會產(chǎn)生較大的影響。所以結(jié)構優(yōu)化設計顯得尤為重要。

吳芳和[9]在ANSYS中建立了海上風機基礎的三維有限元模型，并利用ANSYS中的優(yōu)化設計模塊,依據(jù)用料最少的原則對海上風機基礎進行整體優(yōu)化設計。田樹剛等[10]利用有限元的方法，對近海風電單樁及四樁基礎對結(jié)構體系動力特性及地震反應進行了分析，并驗證數(shù)值模型的工程精度。本文將以USAF基礎為研究對象，通過模態(tài)分析等動力分析對USAF基礎進行結(jié)構優(yōu)化，并通過比較最佳USAF模型與常規(guī)吸力基礎的承載性能，說明USAF基礎的承載優(yōu)勢。

1　有限元模型

1.1 模型尺寸設計

為獲得最優(yōu)尺寸，首先要進行合理的尺寸設計。李洪江等[6]建議D筒裙/D主筒取值為1.5～2.0，L錨枝/D主筒取值為0.5～1.5。USAF基礎各參數(shù)如圖1所示。

圖1　USAF示意圖

由于主筒設計高度主要與實際工程中對USAF基礎承載力的設計要求有關，故在尺寸設計時只考慮D筒裙/D主筒及L錨枝/D主筒2個參數(shù),所有模型主筒高度均取作8m，筒裙高度均取作3.5m。為了方便進行設計，固定D主筒為4m，在設計D筒裙/D主筒時，固定L錨枝為1m；在設計L錨枝/D主筒時，固定D筒裙為8m，具體取值如表1所示。

表1　D筒裙/D主筒及L錨枝/D主筒取值

Note: ①No.ofmodel

1.2 構建模型

采用薄殼結(jié)構建立USAF基礎有限元模型，主筒頂板厚0.05m，其余部分厚度均為0.02m。整個模型采用同一種鋼材，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比，密度為DENS=7 800kg/m3。USAF模型采用三角形對稱劃分網(wǎng)格，單元類型為S3(三結(jié)點三角形通用殼)。

以模型1-4為例展示有限元模型及網(wǎng)格劃分圖(見圖2)。

圖2　USAF有限元建模與網(wǎng)格劃分

2　動力分析結(jié)果分析

優(yōu)化設計時采用的ABAQUS中的結(jié)構動力學分析有：模態(tài)分析和諧響應分析。

2.1 模態(tài)分析結(jié)果

圖3為模型1-4的前十階模態(tài)振型。各模型響應規(guī)律基本一致，可以看出，USAF基礎的各部分結(jié)構振動模式不同，總的來說，錨枝和筒裙側(cè)壁振動比較劇烈，主筒相對比較穩(wěn)定，因此在USAF結(jié)構設計中應尤其注意錨枝和筒裙部分。

圖3　模型1-4前十階模態(tài)振型

目前通用的三葉片式風力發(fā)電機組的主要共振激勵源是1P和3P頻率。工程上一般要求風機基礎結(jié)構固有頻率避開這2個頻率范圍在±10%左右。

以金風1.5MW風機為參考，其1P頻率變化范圍為0.15～0.288Hz[11]，為了避免發(fā)生共振，USAF基礎結(jié)構自振頻率就不應處在0.135～0.317Hz，0.405～0.950Hz的范圍內(nèi)。設計USAF基礎時主要針對黃河口地區(qū)，故以黃河三角洲埕島海域的波浪狀況進行考慮：此海域波浪頻率范圍在0.12～0.50Hz左右[12-13]。綜上可知，USAF基礎自振頻率應該避免的頻率區(qū)間為0.135～0.950Hz。

由表2可知，模型1-5的前五階自振頻率均處于此區(qū)間，可能出現(xiàn)風機與基礎結(jié)構共振的現(xiàn)象，因此淘汰模型1-5。

表2　前五階振型計算結(jié)果(單位:Hz)

Note: ①Numberofmodel; ②Firstorder; ③Secondorder; ④Thirdorder; ⑤Fourthorder; ⑥Fifthorder

2.2 諧響應分析結(jié)果

諧響應分析用于獲得模型在選定的0～100Hz范圍內(nèi)的位移頻率響應曲線，然后根據(jù)位移響應大小及對應的激勵頻率大小對模型進行比選。對USAF有限元模型采用完全法(Full)進行求解。對主筒頂部節(jié)點完成加載設置，加載方向沿水平X軸方向，水平力大小為700kN；只計算實響應，因為起始頻率不能為零所以設置頻率范圍為1E-7～100Hz，點數(shù)為250，即求解頻率從1E-7～100Hz每隔0.4Hz求解一次。

由于模型上節(jié)點眾多，故選取具有代表性的節(jié)點來說明分析結(jié)果。對于D筒裙/D主筒系列而言，改變的是筒裙的直徑，因此評價模型優(yōu)劣的指標是筒裙、主筒部分的位移響應大小，最大位移出現(xiàn)在X方向；對于L錨枝/D主筒系列則是錨枝的位移響應，最大位移出現(xiàn)在Z方向。

從圖4a可知，模型1-1在激勵頻率為0.803 2Hz時位移響應值最大，達2m以上，且基礎各部分均發(fā)生較大的位移，因此淘汰模型1-1。

從圖4b、c可以看出，L錨枝/D主筒系列位移較D筒裙/D主筒系列普遍偏小，最大在10cm左右，峰值對應的激勵頻率均在20Hz左右。對于D筒裙/D主筒系列而言，模型1-4位移響應最小，不超過6cm，因此為D筒裙/D主筒=2為最優(yōu)。

圖4　X方向位移頻率響應曲線(主筒頂)

D筒裙/D主筒系列模型錨枝長度均為1m。

從圖5a中可以看出錨枝豎向位移均達到m級，可知L錨枝/D主筒取0.25并不合適。

從圖5b中可以看出，雖然模型2-2錨枝豎向位移并不是最小的，但相比于模型2-3、2-4最大位移出現(xiàn)在低頻區(qū)域(0～20Hz范圍內(nèi))，實際工程中遇到的可能性較大，故最大位移對應的激勵頻率為50Hz的模型2-2更為優(yōu)越，即L錨枝/D主筒=0.375為最優(yōu)。

由諧響應分析結(jié)果可知，錨枝是整個USAF基礎最容易發(fā)生破壞的部分，但是由于USAF基礎提供承載力的部分主要是主筒和筒裙，所以即使錨枝發(fā)生破壞也不會影響到USAF基礎提供承載力的主要功能。

綜上，D筒裙/D主筒=2、L錨枝/D主筒=0.375為最佳USAF模型尺寸，若主筒直徑為4m，則裙筒直徑為8m，錨枝長度為1.5m。

圖5　Z方向位移頻率響應曲線(錨枝)

3　承載性能

將最佳USAF基礎與單筒吸力錨基礎在單一荷載下進行承載力比較。

本文中采用位移控制法[14]對海上風電基礎進行承載特性分析，當位移達到極限則認為超過極限承載力，土體失效。據(jù)前人研究[15],基礎水平位移極限取基礎寬度的3%～6%，則USAF水平位移極限值取5%D，即20cm，彎曲位移限取0.01rad。

最優(yōu)USAF基礎參數(shù)同動力分析部分，為方便計算，基礎頂蓋厚度均取作0.05m。采用相同用鋼量的單筒吸力錨基礎，取高為6m，筒徑為9m，基礎頂蓋厚0.05m，基礎側(cè)壁厚0.02m。根據(jù)室內(nèi)土工試驗得到土體的相應參數(shù)如表3所示。

表3　土體參數(shù)

Note: ①Young′smodulus; ②Polsson′sradio; ③CohesionYieldstress; ④Frictionangle; ⑤Massdensity

吸力錨與土體之間采用法向硬接觸，切向接觸表現(xiàn)為“罰”，摩擦系數(shù)為0.33。為合理的消除邊界效應，土層寬度取10倍筒裙直徑，高度取3倍主筒高。土體四周為水平約束邊界，底部為完全固定，上部為自由面。網(wǎng)格劃分類型為三維8節(jié)點縮減積分(C3D8R)單元。

由圖6可以得出USAF基礎各向承載力相比常規(guī)吸力錨基礎均有較大的提高，其中，USAF水平極限承載力為3.31MN，彎矩為8.65MN·m；對應相同位移時的單筒吸力錨基礎水平承載力為2.25MN，彎矩為6.57MN·m。也就是說，USAF基礎水平承載力與單筒的相比提高了47%，彎矩提高了20%，承載優(yōu)勢明顯。

根據(jù)Taiebat[16]提出的水平極限承載力公式：

Hult=4LNhASu/πD。

式中Nh為水平承載力系數(shù)。

計算得到單筒基礎水平承載力為2.59MN，而當單筒達到極限位移0.45m時，由圖6a可知對應的承載力約為2.80相對誤差為8.1%。通過驗算，證明了計算模型的可靠性。

圖6　USAF模型與單筒基礎承載位移荷載曲線

4　結(jié)論

(1)通過模態(tài)分析獲得了USAF模型的前五階固有頻率和模態(tài)振型，錨枝和筒裙側(cè)壁振動比較劇烈，主筒相對比較穩(wěn)定。

(2)完成了0～100Hz外荷載激勵作用下USAF結(jié)構的諧響應分析，得到了USAF系列模型各部分的位移-頻率響應曲線，指出錨枝作為位移響應最顯著的部分，設計時應引起足夠的重視；根據(jù)位移響應大小及對應的激勵頻率范圍選出USAF模型的最佳尺寸：D筒裙/D主筒=2、L錨枝/D主筒=0.375。

(3)在單一荷載下求解出最佳USAF基礎與單筒吸力錨基礎極限承載力，比較得出：USAF基礎水平承載力與單筒的相比提高了47%，彎矩提高了20%，承載優(yōu)勢明顯。

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責任編輯龐旻

Optimum Structural Design and Loading Advantage Analysis ofUmbrellaSuctionAnchorFoundationforOffshoreWindTurbine

LIUHong-Jun1,2,3，WANGQuan-Di3，TANGHui-Ling3

(OceanUniversityofChina, 1.ShandongProvincalKeyLaboratoryofMarineEnvironmencandGeologicalEngineering; 2.TheKeyLabofMarineEnvironmentalScienceandEcology,MinistryofEducation; 3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Qingdao266100,China)

It’sveryurgenttodesignakindofoffshorewindturbinefoundationwhichisveryimportantforoffshorewindturbine.Thearticlebasedontheexistingstructuresofthenewly-designedumbrellasuctionanchorfoundation(USAF)constructsaseriesofdifferentsizesofUSAFmodelsandobtainstheoptimalUSAFmodelbyusingdynamicanalysisfunctionofABAQUS.AcomparisonhasbeenmadebetweentheUSAFmodelandmonocularsuctionanchorunderasingleloadandtheresultsshowstheobviousloadingadvantageofUSAF.

umbrellasuctionanchorfoundation(USAF) ;optimumstructuraldesign;dynamicanalysis;loadingadvantageanalysis;ABAQUS

國家自然科學基金項目(4152247)；山東省科技攻關項目(2014GGX104007)資助

2015-12-04；

2016-03-09

劉紅軍(1966-)，男，教授，博士生導師，主要從事海洋工程地質(zhì)、巖土工程方面的教學與科研。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

TU435

A

1672-5174(2016)09-096-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150408

SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(4152247);theScienceandTechniqueFoundationofShandongProvince(2014GGX104007)