漂浮式海上風(fēng)電塔新型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

宋波，周恒，王道永

(北京科技大學(xué) a.土木與資源工程學(xué)院;b.強(qiáng)震區(qū)軌道交通工程抗震研究北京市國(guó)際科技合作基地,北京 100083)

近年來，漂浮式海上風(fēng)電塔因其適用水深范圍廣、安裝運(yùn)輸方便而備受關(guān)注[1]。漂浮式基礎(chǔ)是海上風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)的重要組成部分。目前廣泛使用的漂浮式海上風(fēng)電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式[2]，圖1。

圖1 漂浮式風(fēng)電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

圖1a)所示的單立柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是具有較高的自由度和不穩(wěn)定性。圖1b)所示的張力腿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是張力腿一直處于繃緊狀態(tài)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。圖1c)所示的三浮體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是基礎(chǔ)整體尺寸太大，錨泊系統(tǒng)過于復(fù)雜。海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，慎重選擇海上風(fēng)電塔基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵[3]。針對(duì)漂浮式海上風(fēng)電塔，借鑒力學(xué)原理，提出一種新型的半球殼基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。利用ABAQUS有限元分析軟件建立風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)模型，探究使用該種新形式基礎(chǔ)的漂浮式海上風(fēng)電塔的穩(wěn)定性能，以驗(yàn)證半球殼結(jié)構(gòu)形式的漂浮式基礎(chǔ)的可行性。

1 工程概況

以江蘇環(huán)港某海上風(fēng)電場(chǎng)為背景，該區(qū)域離岸距離約10 km，水深約58 m，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第Ⅲ組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g。塔身為變截面、變壁厚筒狀結(jié)構(gòu)，材料為Q345C鋼，塔筒底部最大厚度為50 mm、頂部最小厚度為20 mm。風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)基本計(jì)算數(shù)據(jù)如下。

輪轂高度56.6 m；風(fēng)輪直徑72.3 m；

上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量129.8 t;塔筒質(zhì)量156.1 t；

塔頂直徑3.1 m；塔底直徑4.5 m。

2 風(fēng)電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

2.1 不倒翁結(jié)構(gòu)及其原理

不倒翁是一種上半身為半球殼，下半身為實(shí)心球體的物體，底部為圓形，其結(jié)構(gòu)上輕下重，重心位于半球體內(nèi)。不倒翁在受到外力作用發(fā)生傾斜時(shí)，其重心不斷升高，并受到2個(gè)力矩的作用，如圖2所示。由外力產(chǎn)生的力矩為干擾力矩，另一個(gè)為抵抗力矩(也稱扶正力矩)，是由其自身重力產(chǎn)生。隨著不倒翁傾斜的角度不斷增大，重力作用線的偏移量隨之增大，抵抗力矩也隨之增大，最終和干擾力矩相互平衡。此外，不倒翁底部為圓形，摩擦力小，利于不倒翁回到原來的位置。

圖2 不倒翁原理示意

2.2 基礎(chǔ)尺寸的擬定

風(fēng)電塔塔筒底部與基礎(chǔ)頂部通過高強(qiáng)螺栓錨固連接，在基礎(chǔ)中間部位設(shè)置一圓形支撐，以降低基礎(chǔ)的重心并提高其穩(wěn)定性。基礎(chǔ)通過錨鏈與海床相連，以增加海上風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆能力。結(jié)構(gòu)整體示意于圖3。

圖3 海上風(fēng)電塔和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為半球殼，基礎(chǔ)外輪廓為一半球形。假定漂浮式基礎(chǔ)采用DH32鋼材，厚度為10～30 mm，基礎(chǔ)半徑為15 m，中間圓形支撐厚度為10 mm，計(jì)算得基礎(chǔ)總質(zhì)量為225.3 t。漂浮式風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量為511.2 t。

對(duì)所選基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行驗(yàn)證。為保持平衡，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)所受浮力需與重力相等，即所受浮力為5 004.8 kN。根據(jù)阿基米德定律計(jì)算可得風(fēng)電塔基礎(chǔ)排水體積為511.2 m3。

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 漂浮式海上風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)模型建立

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。基礎(chǔ)采用S4R殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；塔筒、機(jī)艙與葉片采用C3D8R實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；輪轂采用C3D10實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；各個(gè)部件之間均采用綁定約束。對(duì)于海洋采用歐拉體進(jìn)行模擬，模型尺寸足夠大，忽略邊界條件的影響，單元類型為EC3D8R[4]；錨鏈采用T3D2桁架單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。結(jié)構(gòu)的整體有限元計(jì)算模型見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)整體有限元模型

3.2 波浪載荷的選取

波浪是影響漂浮式海上風(fēng)電塔穩(wěn)定性的重要因素。采用線性波理論計(jì)算方法[5]。簡(jiǎn)化的線性波波面見圖5。

圖5 線性波波面示意

線性波用余弦公式表示為

η=Acos(kx-ωt)

(1)

式中：A為幅值；t為時(shí)間。

根據(jù)線性波理論，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，x方向速度為

(2)

式中：γ為波浪的傳播方向與x軸的夾角；

水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，x方向加速度用為[6]

(3)

根據(jù)線性波理論在結(jié)構(gòu)整體模型中輸入波浪載荷，進(jìn)行漂浮式風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析。

3.3 風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)模態(tài)

將錨鏈-基礎(chǔ)-塔筒-機(jī)艙-風(fēng)輪作為整體，對(duì)結(jié)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前6階頻率f與周期T，見表1。

表1 風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)

風(fēng)電結(jié)構(gòu)的1階振動(dòng)模態(tài)反映了漂浮式風(fēng)電塔上部結(jié)構(gòu)的彎曲變形，結(jié)構(gòu)第2階至第4階自振頻率與第1階自振頻率相差不大，其振型仍為上部結(jié)構(gòu)的彎曲變形振動(dòng)；從第5階模態(tài)開始，結(jié)構(gòu)的振型頻率明顯增大，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的二次彎曲與下部基礎(chǔ)和錨鏈的組合變形。

3.4 考慮不同波浪載荷的作用

在有限元模型中輸入波浪載荷，載荷作用于歐拉體上，載荷作用方向與結(jié)構(gòu)風(fēng)輪面垂直。選取波浪等級(jí)為微浪、輕浪、中浪和巨浪，浪高分別為0.1，0.5，1.25，4 m[7]。根據(jù)風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)的基本周期，選定波浪載荷作用時(shí)間為12 s。目前只考慮幾何非線性進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。

風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在微浪荷載作用下位移時(shí)程見圖6。

圖6 微浪載荷下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)位移時(shí)程

目前關(guān)于漂浮式風(fēng)電塔的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，一般規(guī)范中并沒有對(duì)漂浮式風(fēng)電塔的傾角限值做出規(guī)定，但為了保證風(fēng)電塔關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行，有必要設(shè)置風(fēng)電塔傾角最大限值。借鑒傳統(tǒng)海工平臺(tái)規(guī)范，參考DNVGL發(fā)布的漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8]，這里采用漂浮式風(fēng)電塔正常工作時(shí)傾角限值5°。

由圖6計(jì)算得到微浪作用12 s內(nèi)，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)底部與頂部最大位移差值為0.21 m，最大傾斜角為0.22°。

風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在輕浪荷載作用下位移時(shí)程見圖7。

圖7 輕浪載荷下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)位移時(shí)程

由圖7計(jì)算得到輕浪作用12 s內(nèi)，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)底部與頂部最大位移差值為0.43 m，最大傾斜角為0.45°。

風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在中浪作用下風(fēng)電塔位移時(shí)程見圖8。

圖8 中浪載荷下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)位移時(shí)程

由圖8計(jì)算得到中荷作用12 s內(nèi)，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)底部與頂部最大位移差值為2.42 m，最大傾斜角為2.6°。

風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)在巨浪作用下的位移時(shí)程見圖9。

圖9 巨浪載荷下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)位移時(shí)程

由圖9計(jì)算得到巨浪作用12 s內(nèi)，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)底部與頂部最大位移差值為4.69 m，最大傾斜角為4.8°。

由圖6～9可知：這種新基礎(chǔ)形式的海上漂浮風(fēng)電塔在微浪、輕浪與中浪載荷作用12 s內(nèi)，最大傾斜角分別0.22°，0.45°，2.6°，均滿足漂浮式風(fēng)電塔傾斜角限值5°的要求，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性；在巨浪載荷作用12s內(nèi)，風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度晃動(dòng)，最大傾斜角為4.8°，雖然接近漂浮式風(fēng)電塔傾斜角5°的限值，但仍滿足漂浮式風(fēng)電塔設(shè)備正常運(yùn)行的要求，不會(huì)出現(xiàn)傾覆或沉沒，初步證明這種半球殼形式漂浮基礎(chǔ)可行。

4 結(jié)論

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為半球殼的漂浮式海上風(fēng)電塔在微浪、輕浪與中浪載荷作用下具有良好的穩(wěn)定性；在巨浪載荷作用下風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)雖會(huì)出現(xiàn)大幅度晃動(dòng)，但仍滿足漂浮式海上風(fēng)電塔設(shè)備正常運(yùn)行的要求，不至于發(fā)生傾覆。

這種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式與錨泊系統(tǒng)均較簡(jiǎn)單，且施工方便，有工程應(yīng)用前景。