波流作用下海上風機導管架基礎靜力分析

劉 爽，束加慶，吳兆和，顧曉慶

中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102

根據工程經驗，海上風機基礎建設費用占工程總投資的40%左右，因此合理的風機基礎型式及詳細的受力分析是降低海上風電項目工程成本的有效手段。

1 風機基礎建模

1.1 海洋水文

根據波浪設計專題報告，某場區多年平均海平面高度為0.28m，最大水深約為49m；設計高水位和設計低水位分別為2.76m、-2.26m，50年一遇極端高水位和極端低水位分別為4.26m、-3.46m；50年一遇的H1%波高為9.39m，對應周期為18.9s，波浪的主浪向為ENE。海水表面流速為1.081m/s，底部流速為0.514m/s。

1.2 基礎型式比選

目前，海上風機基礎可分為樁式基礎、重力式基礎、負壓桶基礎、浮式基礎，根據國內外工程經驗，不同風機基礎型式的適用水深范圍如表1所示。

表1 不同風機基礎型式適用水深范圍 單位：m

根據水文條件中最大水深，可判斷該工程風機基礎可為導管架基礎或浮式基礎，而浮式基礎在國內尚處于試驗階段，因此該工程采用導管架基礎型式。導管架基礎一般由4根雙斜布置主導管與斜撐組成，主導管下部與鋼管樁灌漿連接，上部與風機塔筒法蘭連接，導管架同時起到基礎調平的作用。

1.3 導管架基礎建模

根據海洋水文條件，初步布置導管架總高65m，底部尺寸為21m×21m，頂部尺寸為10m×10m。主導管雙向斜率為10∶1，主導管直徑為2m，管壁厚度為35mm，節點處局部加強壁厚取50mm。4根斜撐鋼管直徑為1m，管壁厚度為20mm。導管架下伸腿柱與鋼管樁相連，柱上部直徑為2m，下部直徑為2.5m，管壁厚度均為50mm。鋼管樁總長40m，外直徑為2.5m，上部10m壁厚25mm，下部30m壁厚15mm，樁土作用可通過P-Y、T-Z、Q-Z曲線表示。導管架材料為DH36鋼材。根據廠家資料，風機的輪轂高度為75m，建立導管架模型如圖1所示。

圖1 導管架模型圖

2 導管架基礎受力分析

2.1 導管架基礎模態分析

采用SACS軟件對導管架結構模態分析，首先根據樁土相互作用及外部荷載生成樁土超單元文件，然后將超單元文件施加為主導管底部剛度，再對導管架進行模態分析。

該工程最大水深約為49m，50年一遇的H1%波高約為9.39m，對應周期為18.9s。根據《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10105—2018）中波浪理論適用范圍的描述，可選擇STOKES5階波或流函數作為波函數，該工程選擇流函數，通過計算得到導管架的前5階振型如圖2所示。從圖2可以看出，第一、二階為塔筒X、Y方向平動，第三、四階為導管架X、Y方向平動，第五階為導管架轉動，前五階的自振頻率分別為0.4103Hz、0.4104Hz、0.6344Hz、0.6345Hz，根據計算結果可知，建立的導管架模型剛度很大且分布均勻。同時，為了避免風機與基礎結構發生共振，結構整體的固有頻率宜避開風電機組由轉子轉動產生的激勵頻率范圍，此過程需與風電機組廠家交互復核、深度優化。

圖2 導管架前4階振型圖

2.2 波流荷載下導管架受力分析

根據海洋水文報告，對導管架結構在波流作用下進行計算分析。根據《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10105—2018）要求，風機基礎最大允許豎向位移為100mm，最大允許水平傾角為4.36‰。波流荷載下導管架位移云圖如圖3所示。由計算結果和圖3可得，該工程導管架最大豎向位移為3.32mm，泥面處水平傾角約為3.97‰，滿足規范要求。

圖3 波流荷載下導管架位移云圖

波流荷載下導管架應力云圖、UC值云圖分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，導管架結構的最大軸力為34MPa，最大UC值為0.506，發生在最下層斜撐底部以及主導管底部位置，因此后期設計時，如需考慮加強導管架斜撐強度，可以加大此部位的斜撐直徑后壁厚。根據計算結果可知，該導管架強度滿足靜力設計要求。

圖4 波流荷載下導管架應力云圖

圖5 波流荷載下導管架UC值云圖

3 結論

（1）根據海洋水文條件，初步設計建議采用導管架基礎，在波浪荷載下導管架的剛度、強度計算滿足規范要求。

（2）導管架的最大應力區域發生在最下層斜撐底部以及主導管底部位置，該處是后期加強設計和強度校核的重點區域。