國內(nèi)某海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計

文 | 黃富濤，楊曉強，張星波，劉勵學(xué)，郝利忠

目前國內(nèi)僅建成上海東大橋項目這一個真正意義的海上風(fēng)電場，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，結(jié)合目前國內(nèi)海上風(fēng)電項目的海洋水文、地質(zhì)等情況，單樁基礎(chǔ)目前是一種非常適合國內(nèi)的基礎(chǔ)型式。

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

單樁基礎(chǔ)設(shè)計輸入條件

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

圖1 海上風(fēng)電機組載荷示意圖

單樁基礎(chǔ)由過渡段和單樁組成，頂部承受風(fēng)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(nèi)的基礎(chǔ)還受到海床的反作用力，在基礎(chǔ)設(shè)計初期階段，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)電項目介紹

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

該海上風(fēng)電項目的工程地質(zhì)提供了相應(yīng)風(fēng)電機組點位的鉆孔資料，鉆孔深度為海床以下80m，共13個土層，力學(xué)參數(shù)詳見地質(zhì)勘測報告。該項目的海洋水文氣象資料提供了風(fēng)觀測點的風(fēng)資源觀測情況及波浪觀測點的波浪觀測情況，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、機艙和葉輪的質(zhì)量和剛度分布情況等進行系統(tǒng)振動性能分析的必要條件。

單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計

單樁基礎(chǔ)為薄壁錐狀或管樁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，概念設(shè)計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，為項目前期的費用測算提供依據(jù)。因此單樁基礎(chǔ)概念設(shè)計是在載荷及地質(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算及極限強度計算。

（一）確定設(shè)計高程

這里所說的設(shè)計高程為與水位相關(guān)的單樁基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計原則是確保在海上風(fēng)電機組壽命期內(nèi)，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(guī)范中規(guī)定了平臺地面高程的設(shè)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

ΔZtide為潮汐變化范圍

ΔZsurge為涌浪變化范圍

ΔZair為工作平臺底部與極限浪高之間的距離

ξ*為極限浪高

根據(jù)該項目的海洋水文資料，將以上參數(shù)代入公式（1）進行計算，得到平臺的底部高程為11m。

單樁基礎(chǔ)頂部高程設(shè)計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。

過渡段底部高程設(shè)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。塔筒底部外徑為5m，塔筒與過渡段之間通過法蘭連接，則過渡段的外徑也為5m，因此過渡段灌漿部分的長度為7.5m，過渡段的底部高程為-9m，因此過渡段的長度為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)計時需要避開的波浪激勵源頻率主要為疲勞波浪載荷的頻率。根據(jù)該項目的海洋水文資料，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，其中藍色曲線為波浪載荷的頻譜曲線。

對于風(fēng)載荷的激勵頻率，由于風(fēng)驅(qū)動葉輪進行旋轉(zhuǎn)，需要避開正常發(fā)電頻率（風(fēng)電機組設(shè)計時，正常發(fā)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(fēng)電機組有3個葉片，因此需要避開1P和3P數(shù)值。該項目的風(fēng)電機組為某整機廠家的4MW海上風(fēng)電機組，該風(fēng)電機組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)計頻率范圍

綜合考慮波浪和風(fēng)的激勵頻率范圍，選取該海上風(fēng)電項目包含單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機組系統(tǒng)的一階固有頻率設(shè)計值位于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)計階段可認(rèn)為壁厚不變，在詳細設(shè)計階段根據(jù)計算結(jié)果對壁厚進行優(yōu)化設(shè)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(shè)計初期階段可以假定過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

利用公式（2）進行計算，得到單樁基礎(chǔ)的外徑為4.8m。

（四）系統(tǒng)的振動性能計算

本項目根據(jù)整機廠家提供的資料，葉輪-機艙系統(tǒng)被看作一個質(zhì)量點，僅考慮質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)振動頻率的影響，采用ANSYS軟件的MASS21單元進行模擬。

風(fēng)電機組塔筒為細長薄壁件結(jié)構(gòu)，對整個系統(tǒng)的振動性能影響很大，需要進行詳細的建模。根據(jù)塔筒結(jié)構(gòu)的幾何特性，可以采用梁單元模擬筒體；法蘭壁厚較厚，連接處不能直接簡化成梁單元模擬，需要進行等效處理，將法蘭簡化為質(zhì)量點，連接法蘭簡化為與法蘭頸等壁厚的梁單元。梁單元利用ANSYS軟件的BEAM188單元模擬，該軟件提供了常用梁單元的截面庫，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)點實體單元模擬，材料屬性采用ANSYS軟件的D－P模型模擬。

單樁基礎(chǔ)梁單元與海床實體單元之間采用MPC184單元進行連接，該單元為多點約束單元（MPC），可用于梁單元和實體單元之間的連接。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)點的三個方向自由度。圖3所示為ANSYS軟件中創(chuàng)建的某海上風(fēng)電機組系統(tǒng)有限元模型圖，其中單元數(shù)量為16588，節(jié)點數(shù)量為17344。

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

（五）單樁基礎(chǔ)極限強度計算

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

單樁基礎(chǔ)極限強度計算主要指結(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)。

極限強度計算通過ANSYS軟件完成，海床、單樁及過渡段都采用SOLID45六面體實體單元模擬，樁土之間采用面面接觸，在過渡段的頂部通過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)電機組系統(tǒng)有限元計算模型

表1 入土深度-系統(tǒng)第一階振動頻率

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 焊縫熱點應(yīng)力

根據(jù)單樁基礎(chǔ)極限強度計算結(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，滿足極限強度要求，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)計要求。

（六）疲勞損傷計算

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

單樁基礎(chǔ)單位載荷應(yīng)力計算一般采用熱點應(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，疲勞損傷的計算采用Minner線性累積損傷理論。

經(jīng)過計算單樁基礎(chǔ)在風(fēng)電機組20年壽命期內(nèi)最大疲勞損傷為0.8，滿足設(shè)計要求。

結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)某海上風(fēng)電項目的海洋水文、氣象資料、地勘資料及擬選用的風(fēng)電機組參數(shù)，選取水深為10m的風(fēng)電機組點位進行設(shè)計及優(yōu)化計算：

單樁基礎(chǔ)的長度為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。

過渡段的長度為20m，外徑為5m，壁厚范圍為50mm－65mm，總重約為150噸。