江蘇海域海上風機單樁基礎設計敏感性分析

郇彩云 斯鋒

摘要：海上風機單樁結構自身的頻率低，基礎設計基本受頻率控制，本文根據(jù) 100臺已建單樁基礎的樁徑、基礎頂位移、轉角、泥面位移成果，分析單樁基礎頻率與其相對關系。結果表明，基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布;基礎頂?shù)淖冃未髸r，整機頻率普遍小。

關鍵詞：海上風機;單樁基礎;頻率

近年來我國海上風電場工程發(fā)展速度較快，其中單樁基礎結構由于其結構簡單、受力明確，無復雜節(jié)點，結構抗疲勞性能好，獲得了廣泛應用。目前國內(nèi)外約有 60%～70%的海上風機基礎均選擇采用了單樁基礎。江蘇為我國海上風電場發(fā)展昀早、昀快的省份，單樁基礎應用昀為廣泛。單樁基礎僅設置單根鋼管樁，因此其自身剛度較低。風機正常運行時上部風機對基礎結構自身剛度要求較高，我國海域內(nèi)淺表層地基土多為淤泥質(zhì)軟土，樁身自由段較長，基礎剛度相對于其它方案要低。

為避免樁身自由端增長而造成基礎剛度不夠，在結構設計過程中，需要研究單樁基礎及上部風機塔筒+風機的整體頻率，避免結構整機頻率與葉輪轉動發(fā)生振動。

1 海上風機單樁基礎設計控制標準

海上風機基礎設計時，控制因素主要有應力、疲勞、變形、頻率、承載力等控制。目前江蘇海域已經(jīng)建成的風電場水深普遍較低，結構的應力相對較小;海上風機基礎所受的豎向力較小，因此單樁基礎的承載力主要由水平承載力控制，即由水平變形控制 [1];結構的疲勞與頻率關系較大，因此單樁基礎變形和頻率為其昀重要的控制條件。本文為簡化期間，重點分析頻率與變形之間的關系。

2 基礎樣本選取

為方便單樁基礎設計敏感性分析，本文選擇了 100臺江蘇海域水深20m左右、風電機組 3.0MW的風機基礎為樣本進行分析。

單樁基礎的直徑為 6～6.5m，基礎頂高程均為 10m，基礎底高程-59～-79m;樁長 69～89m，鋼管樁重量約 648～856t，鋼管樁平均重量為 741t，各個基礎鋼管樁重量分布以及單樁樁長與樁重關系如圖 1、圖 2所示。

本文采用 ANSYS有限元分析 [2-3]對大直徑單樁基礎進行了數(shù)值模擬分析。并對風電機組及風電機組基礎組成的整體系統(tǒng)，即葉片+輪轂+機艙+塔架+基礎+地基系統(tǒng)進行模態(tài)分析，對照風機廠家提供的葉片轉動頻率、塔筒自振頻率以及波浪頻率，避免系統(tǒng)發(fā)生共振的可能性。通過模態(tài)分析，評價基礎結構設計是否滿足海上風電機組動力特性的設計要求。

如圖 3～5所示，為 100臺機位的頻率及其他主要變形成果。

3 單樁基礎設計敏感性分析

風和波浪是海上風機結構承受的主要荷載，這些荷載具有明顯的動力特性，海上高聳的海上風機結構體系在這些動力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動力特性，而這些動力效應總是趨向于增加應力數(shù)值并損害結構的長期承載能力。因此，風機-塔架-基礎-地基系統(tǒng)是一個相互作用高度耦合的動力系統(tǒng)，需采用結構整體模型進行動力分析，以掌握結構的動力特性和響應。因此需要對頻率進行敏感性分析。

如圖 6所示，給出了 100臺機位 6m、6.2m及 6.5m時整機頻率分布情況，從分布圖看，除 6.5m直徑鋼管樁樣本數(shù)量較少外，6m樁徑和 6.2m樁徑頻率分布范圍基本一致，整機頻率基本在 0.274～0.282Hz，可見此 100個機位鋼管樁設計較為合理，昀終整體剛度基本一致。

從圖 7、圖 8所示可以看出，基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布。

從圖 9～12所示可以看出，整機頻率與基礎頂位移相關性較其與泥面位移相關性更好;整機頻率與基礎頂轉角相對關系較其與泥面轉角相對關系更好。即基礎頂?shù)淖冃未螅ㄎ灰坪娃D角）時，整機頻率普遍小。

4 結束語

本文結合江蘇海域 100臺 20m水深左右的單樁基礎設計成果，進行單樁基礎敏感性分析，形成的結論如下：（1）6m樁徑和 6.2m樁徑頻率分布范圍基本一致，昀終整體剛度基本一致;（2）基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布;（3）基礎頂?shù)淖冃未螅ㄎ灰坪娃D角）時，整機頻率普遍小。

參考文獻

[1]海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦方法—工作應力設計法[M].國家發(fā)展和改革委員會，SY/T 10030-2004.

[2]王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]李圍，葉裕明，劉春山，等.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

作者簡介：郇彩云，女，高級工程師，研究方向：海上風電基礎結構設計。