海上風力機基礎結構設計研究

季鵬

摘要：通過對比分析海上風力機基礎結構的常用形式，發現海上風力機基礎結構的主要問題，研究和分析不同基礎結構的使用條件以及施工工藝，并對海上風力機基礎結構的選型工作提供研究方法。

關鍵詞：海上風力機;基礎結構;設計

由于海上風電場的建設成本較高，所以目前我國海上風電場的發展較為緩慢，在眾多成本支出項目中，風力機基礎結構成本大約占據海上風力機總成本的百分之二十五左右。現階段，我國對于海上風電場的相關研究尚處于起步狀態，通過研究與分析海上風力機基礎結構設計，探討常用的海上風力機基礎結構形式，總結風力機基礎結構的設計問題，對海上風力場的建設有一定的現實意義。

一、海上風力機基礎結構簡析

海上風電場建設屬于一項十分復雜的項目工程，從論證到建成的過程中一般會涉及到現場勘察、設計、選型、設備的研制、采購、設備與材料的運輸、安裝、建設等過程，并且海上風電場投入使用后還需運行和維護，各個環節并不是相對獨立的，而是存在著緊密的聯系。其中，風力機基礎結構在海上風力場中主要發揮著支撐的作用，所消耗成本約占據海上風力場總成本的約五分之一比例，基礎結構的成本支出，是海上風電場建設成本高的主要原因之一。要結合實際場地的巖土形狀、海水深度、風力情況、波流力等各種因素與數據值進行風力機基礎結構的設計，同時，實際施工建設方式也是影響成本之處的因素之一。所以要重視海上風力機基礎結構的設計，從多個角度出發控制成本支出，確保海上風電場的建設質量[1]。

海上風力機基礎結構的基本類型主要分為四種，分別是重力基礎結構、樁式基礎結構、負壓桶式基礎結構、導管架式基礎結構以及漂浮式基礎結構。不同基礎結構類型的屬性不同，且都有其配置方法與安裝方法。結合施工現場的實際情況選擇相應的基礎結構類型進行設計和建設[2]。

二、海上風力機基礎結構設計方法探討

（一）依照規范的設計方法

依據海上風電場基礎結構設計的相關規范，進行風力機基礎結構設計，對于不同的海水深度條件，結合穩定性因素，控制強度和變形情況，對風力機基礎結構的尺寸以及結構進行設計。以某海上風電場為例，在現場勘驗過程中分析其底層結構與巖性特征，選擇樁式基礎結構的設計方式。這一過程中重點關注塔頂的最大水平位移程度、樁頂豎向位移程度、承臺傾斜角等信息參數。反復計算以確保數據的準確無誤[3]。

（二）有限元整體建模方法

美國SIMULLA公司研發了一款功能強大的有限元軟件：ABAQUS，能夠分析非線性問題以及線性問題，將其應用到海上風力機基礎結構的設計中，能有效降低工作難度。在建模過程中，結合地基、基礎與結構之間的相互作用關系，與吐得非線性影響，分析基礎結構整體的受力性能及動力特性，主要的建模過程有：土體本構模型的構建、樁土相互作用分析以及地基、基礎、塔架模型的建立等。海水底部的巖土材料主要有粒狀物體構成，其摩擦力主要來自于顆粒之間的摩擦，在剪應力與垂直作用力的作用下，顆粒之間發生滑移和破壞，根據摩擦發作計算顆粒之間可以承受的荷載能力。在近海地域內建設風力機基礎結構時，由于該地段內的土層基本為軟土地基，容易發生較大變形，所以在設計建模過程中，計算地基與土表面的接觸方程。研究地基、基礎與塔架之間的相互作用關系時，首先分析地應力平衡，在模型中構建與實際地應力狀態相同的應力狀態，然后是對樁基與土質之間相互作用的分析，在地應力平衡的基礎上，將風機荷載、自重荷載、波浪荷載等分別計算并施加在基礎結構之上。最后是建模和網格劃分工作。利用ABAQUS軟件準確的得出受力數值、性能以及動力特性相關要素，在建模的過程中結合不同物體之間的相互作用關系，與土的非線性影響因素，構建接觸模型，完成風力機基礎結構的設計工作，為以后的施工建設提供有效的保障[4]。

三、結束語

綜上所述，海上風力機基礎結構是海上風電場的重要組成部分，并且，海上風力機基礎結構的成本之處占據海上風電場建設總成本的較大部分比例，所以要重視風力機基礎結構的設計，準確的計算出不同結構之間的受力情況，并完成建模，這樣能夠為后期的施工建設提供指導，對于減少成本，提供建設質量有重要的積極作用。結合海上風力機基礎結構的四種主要類型，根據施工地區內的實際情況與各方面數據信息，選擇合適的基礎結構進行設計與施工建設，利用ABAQUS軟件輔助設計和建模，提高海上風力場的整體施工建設質量。

參考文獻：

[1]練繼建，燕翔，王海軍.新型重力式海上風力機基礎結構動力特性分析[J].太陽能學報，2016，37（06）：1624-1630.

[2]明小燕，周毅，曾文.海上風力機基礎結構的疲勞損傷組成研究[J].太陽能，2016（01）：63-67.

[3]王濱，李昕，明小燕.海上風力機基礎結構疲勞損傷研究[J].太陽能學報，2015，36（03）：769-774.

[4]尚景宏. 海上風力機基礎結構設計選型研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

[5]孫文， 劉超， 張平， et al. 國內外海上風電機組基礎結構設計標準淺析[J]. 海洋工程， 2014（6）：128-136.

[6]路偉. 關于國內外海上風電機組基礎結構設計標準的探討[J]. 中國設備工程， 2017（21）：181-182.

（作者單位：江蘇龍源振華海洋工程有限公司）