海上風電單樁基礎結構設計關鍵問題探討

文 | 張星波 劉勵學

海上風電單樁基礎結構設計關鍵問題探討

文 | 張星波 劉勵學

從上個世紀90年代起，歐洲人已經開始著手海上風電的研究工作，截止2013年歐洲海上風電的裝機容量已達6500MW，在技術上已經相對成熟。國內的海上風電起步較晚，目前僅建成一個真正意義上的海上風電項目上海東大橋海上風電場，經驗積累及技術研究比較少。

海上風電與陸上風電最大的不同在于基礎的不同，基礎成本約占整個海上風電場投資的25%，因此降低基礎成本有利于提高整個風電場的經濟性，推動海上風電的發展。歐洲已經為海上風電設計、施工了將近2000臺基礎，其中70%為單樁基礎。國內上海東大橋海上風電項目為高樁承臺式基礎，該基礎現場作業時間長、工作量大、成本高。

目前國內海上風電處于起步階段，基礎的設計選型仍處于研究之中，本文主要對單樁基礎設計的關鍵性問題進行探討。

海上風電單樁基礎介紹

單樁基礎由過渡段、單樁、平臺、爬梯等組成，如圖1所示。單樁直徑一般為4m－6m的鋼管樁，過渡段連接平臺和單樁，單樁貫穿到海床一定深度。樁的直徑根據載荷的大小、振動頻率而定，插入海床的深度與土壤的強度有關，可由液壓錘或震動錘貫入海床，或者在海床上鉆孔，一般應用于水深不超過30米的區域。

單樁基礎設計輸入條件

單樁基礎海上風電機組由葉輪、機艙、塔筒、單樁基礎組成，海上風電機組所受載荷示意圖如圖2所示。

單樁基礎頂部承受風電機組傳遞的載荷，此外單樁還受到波浪、洋流、沖刷等作用的影響，插入海床內的基礎還受到海床的反作用力，在基礎設計初期階段，需要明確與載荷及邊界條件相關的所有輸入條件。

圖1 單樁基礎結構示意圖

圖2 海上風電機組載荷示意圖

單樁基礎結構設計關鍵問題

單樁基礎為薄壁錐狀或管樁結構，結構比較簡單，結構設計需要確定樁的外徑、壁厚、長度等參數即可。根據海上風電機組的結構及受力特點，需要對分析系統的振動性能、單樁基礎的屈曲強度、疲勞強度及極限強度。因此在單樁基礎載荷及地質條件已知的情況下，結構設計關鍵問題主要包含以下內容：確定單樁各截面的設計高程、確定系統固有頻率、確定樁的外徑和壁厚、確定樁的入土深度、樁的屈曲計算、樁的疲勞損傷計算以及極限強度計算。

（一）確定設計高程

這里所說的設計高程為與水位相關的單樁基礎設計高程，包含工作平臺的高程、單樁頂部高程和過渡段底部高程。

工作平臺高程的設計原則是確保在海上風電機組壽命期內，極限波浪打不到平臺，即確保極限浪高和平臺之間有一定的高度差。GL規范中規定了平臺地面高程的設計方法，如公式(1)所示：式中：Zplatform為工作平臺的高程

LAT為最低潮位

?Ztide為潮汐變化范圍

?Zsurge為涌浪變化范圍

?Zair為工作平臺底部與極限浪高之間的距離ξ*為極限浪高

單樁基礎頂部高程設計參考位置為最低潮位，一般位于最低潮位1m以上，這樣單樁的頂部一般能夠在海平面以上，方便施工過程中定位過渡段與單樁的連接。

過渡段底部高程設計，過渡段與單樁之間通過水泥灌漿連接，灌漿水泥連接段的長度一般為單樁外徑的1.5倍，因此確定單樁外徑與單樁基礎頂部高程之后即可確定過渡段底面高程。

（二）確定系統固有頻率

包含單樁基礎的風電機組系統第一階固有頻率是非常重要的，若激勵源與第一階固有頻率數值相差較少，就會發生共振現象，造成局部應力較大，從而影響結構的安全性。

對于海上風電機組來說，激勵源主要為波浪和風。對于波浪載荷需要避開主要疲勞波浪載荷的頻率，該頻率數值需分析具體海況的波浪模型。對于風載荷，由于風驅動葉輪進行旋轉，需要避開正常發電頻率（風電機組設計時，正常發電頻率稱為1P），此外每個葉片的掃掠頻率也需要避開，一般風電機組有3個葉片，因此需要避開1P和3P數值。

圖3所示為某海上風電單樁基礎設計時需要避開的頻率范圍示意圖，其中曲線為波浪的頻率分布，直方圖為風電機組1P和3P頻率范圍。對于該海上風電機組可以選取0.29作為系統一階頻率的設計值，該數值位于1P和3P之間，同是也避開了主要波浪疲勞載荷的激勵。

（三）確定單樁基礎的外徑和壁厚

設計初始階段，可以綜合考慮加工、制造、施工等因素假設單樁的外徑，單樁壁厚與外徑的初始之比一般可取1∶100，概念設計階段可認為壁厚不變，在詳細設計階段根據計算結果對壁厚進行優化設計。一般情況灌漿水泥的厚度假定為50mm，灌漿的長度與直徑（單樁的外徑）之比為1.5。

設計初期階段可以假定過渡段的壁厚與單樁基礎的壁厚相同。單樁基礎的外徑確定之后，過渡段的外徑可以通過公式(2)計算得到：

式中：Dgd為過渡段外徑Ddz為單樁外徑tgd為過渡段壁厚tgj為灌漿厚度

根據海上風電機組系統的固有頻率計算結果，調整單樁的外徑和壁厚，過渡段的外徑隨著單樁外徑的調整而變化。

（四）確定單樁入土深度

圖3 某海上風電機組系統第一階固有頻率選擇

海上風電機組單樁承受橫向和軸向載荷的作用，對于單樁基礎來說入土深度一般由橫向極限載荷確定。風電機組設計規范中并沒有規定入土深度的計算方法，一般采用有限元法進行計算，樁土相互作用利用P－Y曲線模擬，PY曲線可以利用有限元軟件中的非線性彈簧模擬，單樁用梁單元模擬。

規范中規定的P－Y曲線計算方法一般適用于直徑小于2m的樁，單樁基礎直徑一般為4m－6m，因此應用PY曲線時需要對其剛度進行修正。

（五）單樁基礎屈曲計算

單樁基礎為細長薄壁結構，易發生屈曲破壞，因此在設計階段一般采用工程算法檢查其整體屈曲和局部屈曲。

單樁基礎整體屈曲可以按照GL規范中規定的方法，按公式（3）進行計算：

式中：Nd設計軸向壓縮載荷

Md設計彎矩

κ 屈曲縮減因子βm力矩系數

Np塑性壓縮抗力

Mp為塑性力矩抗力單樁基礎局部屈曲可以按照DIN18800中規定的方法，按公式（4）進行計算：

式中：σx為軸向壓縮應力

σxu為極限軸向屈曲應力σφ為周向壓縮應力

σφu為極限周向屈曲應力

（六）疲勞損傷計算

疲勞破壞為結構在交變載荷作用下的突然破壞，疲勞強度計算的流程如下：結合疲勞載荷及結構在單位載荷下的應力生成應力時間歷程，利用雨流計數法對應力時間歷程進行處理，生成應力循環，結合材料S－N曲線對單個應力循環的疲勞損傷進行計算，最后將各個循環的疲勞損傷疊加計算結構總疲勞損傷。單樁基礎為大型焊接結構，疲勞損傷計算流程與一般結構的疲勞損傷計算類似，這里只就疲勞損傷計算的關鍵問題進行探討。單樁基礎單位載荷應力計算一般采用熱點應力法，焊縫S－N曲線的選取需要參考IIW或ENV1993規范，疲勞損傷的計算采用Minner線性累積損傷理論。

風電行業焊縫單位載荷應力的計算一般采用熱點應力方法，關鍵焊縫焊趾處的應力為熱點應力，焊縫熱點應力如圖4所示。

熱點應力通過兩個參考點的應力外推得到，不同的規范對兩個參考點的位置規定略有差別。參考點的應力一般通過有限元法計算得到，因此在劃分網格的時候必須在參考點位置生成單元節點，以便于后面的應力處理。

S－N曲線是影響疲勞壽命的一個非常重要因素。焊縫S-N曲線的選取一般參考IIW國際焊接協會推薦的規范或ENV1993規范，圖5所示為IIW推薦規范的S－N曲線，該曲線適用于壁厚小于25mm的焊接結構，若厚度大于25mm需要對S－N曲線進行修正。

根據焊縫類型及焊接工藝的不同分為鋼結構焊縫被分為13個等級，焊縫等級為2×106循環次數所對應的應力幅。曲線具有兩個不同的斜率，拐點左側的斜率為3，右側的斜率為5，IIW拐點對應的循環數值為107，ENV1993拐點對應的循環次數數值為5×106，這是兩個規范給出的S－N曲線的唯一不同點。

圖4 焊縫熱點應力

圖5 IIW焊縫S-N曲線

疲勞損傷的計算采用Minner線性累積損傷準則，認為結構的疲勞損傷僅與應力幅值及循環次數相關，與載荷的施加順序等因素都沒有關系，當各循環次數造成的損傷數值大于等于1時即認為結構發生疲勞破壞。這里有一點需要說明，對于風電行業的大型焊接結構，2010版的GL規范規定，當損傷的數值大于等于0.5時即認為結構發生疲勞破壞，從這一點上可以看出風電行業的疲勞強度計算是設計過程中一個非常重要的問題。

（七）極限強度計算

單樁基礎極限強度計算主要指結構在極限載荷下的應力及穩定性。必須確保單樁基礎焊縫、應力集中區域在極限工況下的最大應力小于材料的屈服極限，計算結果的判斷需要考慮材料的安全系數。為了確保結構的穩定性，單樁基礎在泥面處的變形必須限制在一定的范圍內。

極限強度計算一般通過有限元方法完成，創建單樁基礎的三維有限元模型，海床的三維有限元模型，對樁施加載荷得到位移和應力，可以根據計算結果對樁的入土深度進行調整。

結語

國內海上風電處于起步階段，海上風電基礎設計是海上風電場建設的重要環節，迫切需要開發出適合國內海況、海床地質條件、加工制造及施工等條件的安全經濟基礎形式。

本文就單樁基礎設計關鍵問題進行探討，分析了在設計載荷及邊界條件給定的情況下的關鍵問題的解決方法，希望對單樁基礎的設計工作能有一定的幫助作用。

（作者單位：華電重工股份有限公司）