海上桁架式風機基礎過渡段拓撲優化方法

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 浙江 杭州 311100； 2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058； 3.中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著世界經濟發展對能源需求的增加以及環境壓力的日益增大，開發利用清潔的可再生能源成為世界各國關注的焦點。近年來，在各種可再生能源中，風力發電發展迅速，已成為繼水力發電之后技術較成熟、較具規模化開發和商業化發展前景的可再生能源。風力發電產業是按照“陸上風電-近海風電-遠海風電”的方向發展的[1]。其中，陸上風電技術已十分成熟，近年來得到了蓬勃發展。但是，隨著陸上風電產業推進，其存在的如占用土地、產生噪聲等問題逐漸凸顯，成為阻礙陸上風電產業發展的瓶頸。與之相比，剛剛起步的海上風電規避了陸上風電的上述問題，將成為未來世界風能發展的方向和制高點[2]。

海上風電的發展方向大致由近海到遠海、由淺水到深水。針對不同水深條件已開發出不同類型的風機基礎結構型式，包括重力式、高樁承臺式、單樁式、單樁牽索塔式、三腳架式、桁架式、門架式和浮式等[3]。目前，海上風電開發主要集中于淺水區域，適用于淺水的各種風機基礎結構型式得到了廣泛應用。浮式風機基礎主要適用于深水海域，未來有廣闊的發展前景，但暫時還處于研究階段，尚沒有實際工程投產運行[4]。作為由淺水邁向深水的重要一步，20～50 m中等水深海域是當下海上風電發展的主要方向。海上風能資源豐富，但基礎結構投資巨大，這就要求每座風電結構具有盡可能大的單機裝機容量。目前，裝機容量在4～5 MW的海上風電機組技術已十分成熟，并得到了大規模應用，更大裝機容量的機組也在不斷開發之中[5]。

圖1 桁架式風機基礎結構

對于位于20～50 m中等水深海域、裝機容量在4～5 MW的海上風電結構，桁架式基礎是現階段較為適宜且使用較多的基礎結構型式。桁架式風機基礎結構主要由3部分組成：過渡段、空間鋼桁架結構和樁基礎，如圖1所示。其中，過渡段是基礎環頂至甲板或等效于甲板的水平層之間的部分，連接了上部風機塔筒與下部基礎結構。桁架式基礎上部塔筒與下部桁架結構型式差異較大，過渡段是將上部風機荷載重分配并向下傳遞至基礎結構的關鍵部分。過渡段結構對風機載荷重分配和向下傳遞的能力直接決定了桁架式風機基礎的結構性能，而過渡段拓撲形式是影響其結構功能的主要因素。本文對已有桁架式基礎結構過渡段拓撲形式進行整理和分析，提出過渡段拓撲形式的設計和優化方法，為相近條件下桁架式風機基礎過渡段的設計提供參考。

圖2 Thorton Bank海上風電場斜撐式過渡段

1 常見的過渡段拓撲形式

調研國內外已建成投產的桁架式風電結構可知，常見的過渡段拓撲形式主要有斜撐式、十字箱型梁式、板狀復合斜撐式和錐臺式等，這些過渡段拓撲形式已在一些海上風電場得到廣泛應用[6]。

圖3 Beatrice海上風電場斜撐式過渡段

圖4 Nordsee Ost海上風電場十字箱型梁式過渡段

圖5 Wikinger海上風電場板狀復合斜撐式過渡段

(1) 斜撐式過渡段。斜撐式過渡段一般由主筒體、加強環、甲板斜撐和甲板等組成。上部塔筒在基礎環頂位置與主筒體通過法蘭連接，主筒體通過甲板與下部桁架結構的主腿相連。為了有效傳遞載荷并保證過渡段結構安全，由甲板上各桁架腿連接位置向上伸出斜撐，支撐在主筒體基礎環頂處。斜撐與甲板連接位置設置墊板，與主筒體連接位置設置外加強環。外加強環一方面可以增大主筒體與甲板斜撐之間的焊接面積，另一方面能夠有效釋放應變能，避免基礎環頂連接位置出現較大的應力集中現象。斜撐式過渡段在Alpha Ventus、Beatrice、Ormonde和Thorton Bank等海上風電場大量使用，各風電場風電結構過渡段型式大致相同，只有一些細節存在差異。在Thorton Bank海上風電場使用的斜撐式過渡段結構型式如圖2所示，其甲板斜撐截面被加工成長軸垂直的橢圓，以增大焊接面積。過渡段甲板為板梁組合結構，甲板中心位置梁格設置為徑向、環向組合形式，邊緣位置梁格設置為縱向、橫向組合形式。大量應用于Alpha Ventus、Beatrice和Ormonde海上風電場的斜撐式過渡段結構型式如圖3所示。這種斜撐式過渡段與前述結構略有不同，其甲板斜撐的直徑由甲板到基礎環頂逐漸變大，進一步增大了斜撐在基礎環頂處的焊接面積。我國桂山海上風電場預計建設66座風電結構，同樣采用斜撐式過渡段，該風機基礎過渡段的結構型式與Thorton Bank風電場基礎結構過渡段十分相近，都是通過4根甲板斜撐連接基礎環頂與甲板，但桂山項目風電結構甲板斜撐的斜度更小。

圖6 Baltic 2海上風電場錐臺式過渡段

(2) 十字箱型梁式過渡段。十字箱型梁式過渡段采用了與斜撐式過渡段不同的結構型式，用1個十字形箱型梁代替甲板、甲板斜撐和基礎環頂加強環等結構。十字形箱型梁的四角與下部桁架腿相連，主筒體安裝在箱型梁中心，貫穿箱型梁的上、下板面。十字箱型梁式過渡段在箱型梁上板面也安裝有1個平臺，但該平臺僅用于人員活動，承載要求較低。Nordsee Ost海上風電場大規模使用了十字箱型梁式過渡段，如圖4所示。

(3) 板狀復合斜撐式過渡段。板狀復合斜撐式過渡段采用復合式板狀斜向支撐結構代替圓管型斜撐，這一支撐結構理念來源于大型導管架平臺在海上進行駁船運輸時采用的刀板式固支型式。主筒體在基礎環頂處設置外加強環，外加強環與各箱型斜撐上板連接，共同構成過渡段支撐結構。Wikinger海上風電場計劃建造70座風電結構，均采用板狀復合斜撐式過渡段，如圖5所示。

(4) 錐臺式過渡段。錐臺式過渡段的主體結構是錐臺，錐臺表面位置等效為基礎環頂，在錐臺表面安裝甲板，主要用于布置吊機和人員活動，承載要求較低。Baltic 2海上風電場大量使用錐臺式拓撲形式作為其風機基礎過渡段的結構型式，如圖6所示。與上述各風電場桁架式基礎結構不同的是，Baltic 2海上風電場安裝的桁架式基礎是三腿桁架。調研國內外已投入使用的桁架式風機基礎結構可知，桁架結構主要有三腿和四腿兩種。其中，三腿桁架式基礎應用較少，只在Baltic 2海上風電場大規模使用。該風電場水深為35～44 m，風機質量為243 t，裝機功率為3.6 MW。與使用四腿桁架式風機基礎結構的大部分風電場相比，Baltic 2風電場的裝機功率較小，相應地，風機質量也相對較小。與四腿桁架式基礎結構相比，三腿桁架式風機基礎具有以下優點：

① 三角形在平面內的穩定性使三腿桁架式基礎結構具有良好的抗扭性能。

② 桁架結構主腿數量的減少可降低用鋼量，使結構具有更好的經濟性。

然而，三腿桁架式結構具有非對稱特征，會導致其使用條件存在以下瓶頸：

① 由于在不同方向上的抗傾覆能力具有顯著差異，因此三腿桁架式結構僅能應用于裝機功率較小的風電機組(不超過3.6 MW)，并且僅能應用于環境條件溫和的工程海域。

② 其非對稱性特征使其在不良工程地質條件下出現顯著不均勻沉降的可能性遠大于四腿結構。

③ 該類支撐結構通常需采用制作工藝要求較高的錐臺式過渡段結構，進一步降低了現實應用的可行性。

因此，對于位于20～50 m中等水深海域、裝機功率在4～5 MW的風電結構來說，三腿桁架式結構基本不具備適用性。據此，本文對過渡段拓撲形式的設計和優化均基于四腿桁架式風機基礎結構。

2 過渡段拓撲形式設計

過渡段是連接風機塔筒與下部支撐結構的樞紐，是海上風電結構中的關鍵環節，可發揮重要作用。一方面，過渡段是上部風機和塔筒的基礎，對約束風機和塔筒位移、控制固有頻率有顯著作用；另一方面，過渡段將上部風機載荷傳遞至下部基礎結構，并通過樁基礎傳遞至海底。過渡段拓撲形式應滿足以下設計原則：

(1) 過渡段自身需具備足夠的強度，以形成對上部風電模塊的有效支撐與約束，其中局部構件的抗失效能力與關鍵位置的抗疲勞性能是需要重點考量的設計要素。

(2) 過渡段須具備較佳的載荷重新分配與傳遞能力，即過渡段須將上部風機模塊傳遞下來的巨大水平載荷，在有限的空間內進行再次分配，并以軸向載荷的形式向下傳遞。

(3) 過渡段的設計通常是整體支撐結構設計的原點，即過渡段結構的整體規模將直接決定下部支撐結構的拓撲發展方向，因此在確定其拓撲形式時須充分考慮風電機組對結構整體的設計要求(通常主控因素為結構的整體動力特征要求)。

2.1 甲板斜撐拓撲形式設計

第1節所述各種已應用于海上風電場的過渡段拓撲形式的主要區別在于甲板斜撐結構型式的不同。甲板斜撐是連接主筒體與甲板的主要構件，一般在甲板上由各主腿連接位置伸出，另一端焊接在塔筒基礎環頂位置。在第1節討論的各種過渡段拓撲形式中，斜撐式過渡段的甲板斜撐拓撲形式采用了簡單撐桿構件，十字箱型梁式過渡段的甲板斜撐拓撲形式為箱型梁式，板狀復合斜撐式過渡段的甲板斜撐拓撲形式為刀板式。

箱型梁式支撐構件用十字形箱型梁直接將各桁架腿與主筒體連接起來，同時發揮甲板和甲板斜撐的作用。箱型梁式甲板斜撐具有一項顯著的優點，即可通過合理的板梁式結構設計充分吸收上部風機載荷的作用能量，同時還可最大程度保證塔筒高度，進而起到易于將結構整體自振頻率控制在低頻狀態下的作用。目前已發現的該過渡段甲板斜撐型式多用于6 MW以上的超大型風電系統。然而，這一支撐模式并不具備有效的載荷傳遞性能，一旦在設計與建造中未發揮其應有的吸能性能，下部支撐結構將存在嚴重的隱患。這種拓撲形式在設計與建造中具有較高的精度要求。顯然，對于20～50 m中等水深條件和4～5 MW風電系統規模而言，箱型梁式甲板斜撐并不適用。

刀板式支撐構件的設計源自海洋工程結構海上駁運時的固定刀板理念，即通過面積較大的刀形復合板材為主筒體提供支撐。這種支撐形式可有效地將風機荷載向下傳遞，并且通過刀板連接避免管節點疲勞問題。在海上風電系統中引入刀板支撐概念時，單片復合板材具有較大的尺度，將引發大跨度板的局部屈曲問題。這就要求在建造該類支撐板材時須采用高強度、高韌性的特種材料，從而使建造加工難度和成本大幅提升。據此，該類支撐結構與簡單撐桿支撐相比，并不具備明顯優勢。

相較而言，簡單撐桿支撐構件傳力路徑明確、合理，加工方便且成本可控。一些風電結構將過渡段甲板斜撐加工成變徑撐桿，即與基礎環頂連接一端直徑較大，與甲板連接一端直徑較小(一般與桁架腿直徑相同)。斜撐變徑后可增大構件的承載能力和與主筒體之間的焊接面積，從而減小基礎環頂管節點處的應力。綜合比較四腿桁架式風電結構過渡段常見甲板斜撐的拓撲形式，在20～50 m中等水深海域、4～5 MW裝機功率條件下，建議使用簡單撐桿作為甲板斜撐的拓撲形式。

2.2 過渡段與桁架結構連接形式設計

圖7 水平撐桿連接過渡段與桁架結構

在上述各種常見的桁架式風電結構過渡段拓撲形式中，過渡段與桁架結構均通過甲板或等效于甲板的箱型梁連接。在已投產的桁架式風電結構中，還有使用水平撐桿連接過渡段與桁架結構的形式，如圖7所示。

連接過渡段與桁架結構的甲板或水平撐桿是直接將上部風機荷載向下傳遞至基礎結構的關鍵構件。連接構件拓撲形式的合理性是決定其能否有效發揮傳力功能的重要因素。為對比甲板與水平撐桿這兩種連接形式的結構性能，選取我國東海某海域四腿桁架式風電結構進行計算分析。該風機基礎過渡段與桁架結構之間采用甲板連接形式，分別建立原結構和更換為水平撐桿連接形式基礎結構的三維有限元模型，并在極限載荷條件下分析結構的應力分布情況，如圖8所示。

圖8 過渡段水平撐桿和甲板連接形式桁架式風機基礎等效應力分布情況

由圖8可知，采用水平撐桿連接形式的過渡段各斜撐和水平撐應力水平明顯高于甲板連接形式的過渡段構件，這表明水平撐桿連接形式未形成對風機載荷的有效向下傳遞。在采用水平撐桿連接形式時，下部桁架結構的應力水平存在顯著不均勻特征，而甲板結構則有效地重新分配了上部風機載荷，使下部結構的承載水平更合理。由此可見，過渡段與桁架結構之間采用甲板連接具有更優良的抗失效性能和載荷重新分配效果。

2.3 甲板板梁拓撲形式設計

經過第2.2節的分析與討論，將甲板結構確定為過渡段與桁架結構之間的連接形式。在已有的海上桁架式風電結構中，甲板結構有兩種常見的板梁拓撲形式：一種是常規的矩形梁格，另一種是輻射狀梁格。為對比兩種板梁拓撲形式的結構性能，仍對第2.2節選取的桁架式風電結構進行計算分析。該結構實際使用的板梁拓撲形式為輻射狀梁格，另外建立使用矩形梁格的有限元模型，分別在極限荷載條件下分析各構件的受力情況。

在甲板板梁結構中，連接4根主腿的甲板梁是主梁。同時，輻射狀梁格中兩條對角線方向的甲板梁直接連接主筒體與桁架腿，對主筒體的變形控制和載荷傳遞發揮關鍵作用，也是甲板結構的主梁。其他輻射狀梁格未與桁架腿直接連接，是甲板結構中的次梁，次梁尺寸與主梁相比稍小。另外，梁格中超出4根桁架腿范圍的外伸部分不發揮載荷傳遞作用，也屬于板梁結構中的次要構件。對于矩形梁格結構，按照主梁、次梁交替布置的方式構建甲板板梁拓撲形式。

經過極限載荷作用下的靜力分析，兩種甲板結構有限元模型各梁應力UC值分布云圖如圖9所示[7]。由圖9可知，與矩形梁格相比，輻射狀梁格各梁應力UC值分布更合理，可見輻射狀梁格的傳力機制更優，能夠更有效地傳遞風機塔筒載荷，且該板梁拓撲形式設計質量更小。據此，建議使用輻射狀梁格作為甲板板梁拓撲形式。

圖9 輻射狀梁格與矩形梁格甲板梁應力UC值分布情況

3 過渡段拓撲形式優化

通過第2.3節的分析和討論，針對位于20～50 m水深海域和4～5 MW裝機功率的桁架式風電結構過渡段，建議采用斜撐式拓撲形式，過渡段與桁架結構通過甲板連接，甲板板梁使用輻射狀梁格形式。為了得到最優的過渡段拓撲形式，還需對過渡段結構進行拓撲優化設計。在優化設計中，確定過渡段結構型式的拓撲參數包括：甲板斜撐表觀傾角和桁架腿甲板處間距。基于對已有海上風電結構的調研和相關工程經驗，過渡段拓撲形式的設計應滿足以下限制條件：

(1) 桁架腿甲板處間距Ld應介于主筒體直徑Dt的2～3倍之間。

2Dt≤Ld≤3Dt

(1)

(2) 過渡段高度Ht即基礎環頂至甲板的高度，一般設置在主筒體直徑的1～2倍之間。

Dt≤Ht≤2Dt

(2)

圖10 過渡段局部結構模型

圖11 各組風機載荷下過渡段無量綱剛度隨斜撐表觀傾角變化

在過渡段拓撲參數中，甲板斜撐表觀傾角直接影響過渡段結構剛度，是拓撲優化過程中的重要設計參數。在基礎環頂位置和過渡段高度的限制下，確定了甲板斜撐表觀傾角，另一拓撲參數桁架腿甲板處間距也可以隨之確定。因此，建立過渡段局部結構有限元模型進行數值分析，從而確定甲板斜撐表觀傾角的建議取值范圍。

過渡段局部結構模型如圖10所示，模型包括過渡段主筒體、甲板斜撐、甲板和桁架腿頂部。其中，甲板設為剛性板，各桁架腿下部設置為鉸支約束。在基礎環頂位置分別施加不同級別的風機載荷，計算在不同甲板斜撐表觀傾角下過渡段結構的無量綱剛度k：

(3)

式中：F為基礎環頂處風機剪力；M為基礎環頂處風機彎矩；Dx為基礎環頂處水平位移。無量綱剛度k反映過渡段結構抵抗水平載荷作用的支撐性能。

為了盡可能全面地刻畫過渡段拓撲形式對支撐性能的影響，在分析中設定14種風機載荷情況，包括與不同裝機功率對應的橫向載荷與垂向載荷的組合，具體情況如表1所示。圖11給出在表1中的14組風機載荷作用下，過渡段無量綱剛度k隨斜撐表觀傾角的變化情況。可以看到，隨著風機載荷的變化，無量綱剛度k的最優區間也隨之變化，即過渡段最佳拓撲形式也相應改變。

表1 不同裝機功率風電系統對應的橫向、垂向風機載荷

圖12 最優甲板斜撐表觀傾角隨風機載荷變化曲面

根據上述變化趨勢，可將無量綱剛度的平穩段劃定為最優傾角范圍。根據設計和工程經驗，為保證風電結構滿足風機廠商提出的頻率要求，桁架式風機基礎應盡量設計為細長型構型。在最優斜撐表觀傾角范圍內，可選取上限值作為最優甲板斜撐表觀傾角。據此，可得到上述各級載荷所對應的最優甲板斜撐表觀傾角，如圖12所示。根據桁架式基礎設計安裝風電機組的載荷條件，即可從圖12曲面中選取最優的甲板斜撐表觀傾角。

4 結 論

針對位于20～50 m中等水深海域、裝機功率在4～5 MW的桁架式風電結構，研究和討論其過渡段拓撲形式的設計和優化方法。本過渡段拓撲優化方法是基于調研已有實際工程、總結相關設計和工程經驗，以及具體的計算分析得到的。經過分析與探討，主要得到以下結論：

(1) 在20～50 m水深范圍和4～5 MW裝機功率條件下，斜撐式過渡段結構簡單、傳力路徑明確，推薦其作為過渡段拓撲形式。甲板結構能夠有效重新分配應力并向下傳遞，推薦其作為過渡段與桁架結構的連接形式。輻射狀梁格具有更合理的傳力機制，建議將其作為甲板板梁的拓撲形式。

(2) 除上述因素外，決定過渡段拓撲形式的優化參數還有甲板斜撐表觀傾角和桁架腿甲板處間距。建立過渡段局部結構模型進行計算分析，將反映過渡段水平承載性能的無量綱剛度作為評價指標，得到了在不同風機載荷作用下最優甲板斜撐表觀傾角的變化趨勢。

本文結合大量工程實例和具體結構分析，提出了目標水深范圍和裝機功率條件下桁架式基礎過渡段拓撲形式的設計和優化方法，可為相近條件下過渡段結構型式的設計提供參考。