SACS在海上風機樁基和導管架結構設計中的應用

李文通，張 勇

國電科技環保集團股份有限公司，北京 100039

SACS在海上風機樁基和導管架結構設計中的應用

李文通，張 勇

國電科技環保集團股份有限公司，北京 100039

目前，海上風機基礎大多為樁基，下部結構大多為導管架型式。這種型式與海上固定平臺相同，承受的波流載荷以及海床地質條件與海上固定平臺也相同，所以海洋工程設計軟件SACS在海上風機樁基和導管架結構設計中得到了應用。文章介紹了SACS軟件在海上風機樁基和導管架結構設計應用中的建模優勢以及分析優勢，并應用SASC設計了6MW海上風機樁基和導管架支撐結構。SACS能夠實現海上風機樁基和導管架結構模型文件的格式化、參數化，能夠針對結構特點，合理模擬特殊結構部位；SACS能夠實現海上風機樁基和導管架結構設計的全過程分析，尤其是能夠實現風載荷、波浪載荷以及風機運行載荷耦合疲勞分析。應用SACS軟件進行海上風機樁基和導管架結構設計是一條高效的途徑。

海上風機；樁基；導管架

目前，海上風力發電正在蓬勃興起，海上風力資源豐富，通常離岸10km的海上風速要比沿岸陸上高出25%。據國家發展和改革委員會能源研究所等機構的研究，中國近海10m、20m和30m水深以內的海域風能資源分別約為1×108kW、3×108kW和4.9×108kW。

隨著海上風電的發展，海上風機基礎和下部結構的設計技術成為關注的熱點。目前，國內海上風機基礎大多為樁基，下部結構大多為導管架型式。這種型式與海上固定平臺相同，承受的波流載荷以及海床地質條件與海上固定平臺也相同。由于SACS是海洋工程界廣泛應用的、針對海上固定平臺結構設計與分析的專業軟件，所以SACS在海上風機樁基和導管架結構設計中逐步得到了應用。但是，海上風機承受的風載荷要比海洋平臺復雜得多，這是SACS在海上風機領域的應用需要解決的一個新的技術問題。

文章介紹了SACS軟件在海上風機樁基和導管架結構設計應用中的建模優勢以及分析優勢，并應用SASC設計了6MW海上風機樁基和導管架支撐結構。SACS能夠實現海上風機樁基和導管架結構模型文件的格式化、參數化，能夠針對結構特點，合理模擬特殊結構部位；SACS能夠實現海上風機樁基和導管架結構設計的全過程分析，尤其是能夠實現風載荷、波浪載荷以及風機運行載荷耦合疲勞分析。應用SACS軟件進行海上風機樁基和導管架結構設計是一條高效的途徑。

1 海上風機組成

根據海上風機相關規范，海上風機主要有風輪-機艙組件、塔架、下部結構和基礎組成。基礎、下部結構和塔架共同構成海上機的支撐結構。基礎將作用于支撐結構上的載荷傳遞到海床中，下部結構從海床向上延伸，連接基礎和塔架。基礎和下部結構應能夠承受靜力的、循環的和瞬時的載荷而不使風機產生過大的變形和振動。海上風機組成如圖1所示。

圖1 海上風機部件

2 SACS在建模中的應用

海上風機樁基和導管架結構主要由管單元和管節點組成，應用SACS建立結構模型十分方便。節點坐標、單元幾何尺寸和材料常數、約束條件以及風、波、流載荷的定義能夠實現格式化、參數化；能夠模擬海上風機樁基和導管架結構的特殊結構型式。主要特點體現在以下幾個方面。

2.1 樁基和海底土壤之間的耦合關系

由于海床地質條件的復雜性，要真實模擬海底土壤的非線性以及樁基和海底土壤之間的耦合關系十分困難。SACS應用樁—土特性文件，包括樁側向載荷與位移關系（P-Y）曲線、軸向載荷與位移關系（t-z）曲線、樁尖承載力與位移關系（Q-Z）曲線，合理的解決了這個問題，滿足了工程設計要求。如圖2所示。

圖2 樁-土關系

2.2 灌漿樁模擬

海上風機樁基與導管架結構的連接一般是通過鋼樁與導管架腿灌漿結合來實現，導管架腿套在鋼樁上，樁與管架腿之間的環形部分灌注高強度連接材料。SACS應用特定Concentric Tubular模型單元能夠很方便地模擬這種結構。如圖3所示。

圖3 灌漿樁

2.3 管節點偏移

SACS能夠根據設計需要，自動偏移管節點撐桿端部節點位置，一方面保證撐桿間的最小間隙，滿足施工要求；另一方面能夠使撐桿端部連接于弦桿外表面，達到模擬效果與管節點實際連接效果一致。

3 SACS在分析中的應用

SASC能夠進行海上風機樁基和導管架結構的靜強度分析、模態分析、疲勞分析、地震分析、冰載荷分析、吊裝分析、運輸分析、碰撞分析、腐蝕分析以及樁基承載能力分析等全過程分析。尤其是疲勞分析，SACS專門開發了Wind Turbine模塊，考慮了風載荷、波浪載荷以及風機運行載荷的耦合效應。

3.1 疲勞分析

針對風載荷、波浪載荷以及風機運行載荷的耦合疲勞過程，SACS Wind Turbine模塊集成了SACS-BLADED聯合疲勞分析技術，比較理想地解決了這個難題。其基本原理是SACS建模后輸出模型文件，通過載荷計算軟件BLADED計算風機載荷，然后輸出包含模型幾何信息、載荷數據和材料特性的文件；最后，集成在SACS Wind Turbine模塊中進行樁基和導管架結構的疲勞分析。具體分析流程如圖4所示。

圖4 疲勞分析流程

3.2 樁基承載能力分析

基于海底土壤的分層情況及土壤特性參數，SACS可以自動分析樁基在特定貫入深度下的抗拉和抗拔能力，在保證樁基具備一定安全系數的情況下，確定樁基的貫入深度。參照相關規范，樁基承載能力安全系數最小可取1.5。

3.3 節點沖剪分析

海上風機下部結構大多為導管架結構，常年承受波浪沖擊，管節點是最容易發生沖剪破壞的部位。SACS除了可以分析應力強度外，還具有分析管節點沖剪破壞的能力。沖剪能力分析對海上風機導管架管節點來說是至關重要的。

3.4 二次彎矩效應

對于海上風機來說，由軸向壓力和支撐結構整體側向位移聯合作用所產生力和力矩應加以考慮，并按下式計入P-?效應（二次彎矩效應）。SACS能夠分析海上風機結構產生的P-?效應。

?=δ/(1-P/PE)

式中：δ—結構線彈性一階側向位移；

P—樁平均受壓載荷；

PE—樁彈性臨界力。

3.5 水動力放大效應

SACS能夠分析水動力放大系數DAF。在分析海上風機水動力動態載荷時，水動力放大效應不可忽視。當海上風機結構基頻小于2.5s時，水動力放大系數可由下式求得：

式中：ξ—阻尼比；

?—波頻與基頻的比值。

當海上風機結構基頻大于2.5s時，水動力放大系數可由時域分析或頻域分析求得。

4 SACS應用實例

應用SACS軟件設計了某海上風電場6MW海上風機樁基和導管架結構。該海上風電場水深在15m～20m之間，1年一遇波高6.2m，表層流速1m/s。

基礎為6樁，樁基貫入深度60m，樁圓周直徑20m，樁基與導管架結構總重約1000t。具體結構型式如圖5所示。樁基和導管架結構承受的上部基本載荷見表1。

圖5 樁基和導管架型式

表1 上部基本載荷

應用SACS軟件進行了模態分析、極限強度分析及疲勞分析。

模態分析，風機整體結構（基礎+導管架+塔筒+風輪與機艙）1階固有頻率為0.282281Hz，風機1P與3P旋轉頻率分別為0.118400Hz和0.355210Hz。1階固有頻率在1P與3P旋轉頻率之間10%安全裕度范圍之內。

極限強度分析，計算得到結構桿件最大U.C值（U.C值=桿件實際應力/桿件許用應力，小于1為安全）為0.86，節點沖剪最大U.C值為0.883；樁基泥面處最大側向位移5.4cm，樁基承載能力安全系數為1.63。

疲勞分析，應用SACS Wind Turbine模塊，計算了459個疲勞工況，疲勞壽命滿足20年使用要求。

5 結論

SACS軟件能夠滿足海上風機樁基和導管架結構建模以及設計分析的需要，尤其是在疲勞設計方面，能夠實現風載荷、波浪載荷以及風機運行載荷的耦合分析。應用SACS軟件進行海上風機樁基和導管架結構設計，是一條高效的途徑。

TK8

A

1674-6708（2015）150-0075-03