新型海上風電機塔筒與導管架基礎的筒式連接結構分析

張學森 ZHANG Xue-sen；李丹 LI Dan

（①中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071；②保定建業集團有限公司，保定 071000）

0 引言

根據對中國當前在海上風電機組架構設計中存在的結構荷載承重能力不足和機制不連貫等問題現狀進行了深入分析，需要針對中國實際工程設計的現狀，進行了一個比較完整的海上風力發電機組塔筒與導管架基礎之間的筒式聯接結構方案設計，并且需要充分考慮對海上風力機組的筒塔運行負荷、自重、風載荷、海浪負荷、海流載荷以及對整機的負荷等進行有效估算，并且需要利用有限元ANSYS 軟件精確地計算海上風力發電機組塔筒與導管架基礎之間的筒式連接結構，并建立了筒式連接的設計模式，結合對比結構模型方法和控制變量方法對不同角度的入射方向荷載數值進行有效測試，同時也實現計算結果的有效對比，全面了解海上風電機塔筒與導管架基礎的筒式連接結構設計的優勢，對荷載傳遞帶來的優越性，同時也減輕荷載壓力，為海上風電機組系統的設計提供可靠支持。

1 海上風電機基礎結構設計的重要意義

新時期的電力產業推動了我國海上風力發電產業的不斷發展。在海上風力發電產業中，風力發電機組作為整個系統的核心，對風力發電產業的穩定運行起到了關鍵性作用。然而在當前背景下我國海上風力發電機組的規模也在不斷擴大，推動了風電產業的發展，同時對風力發電機組的基礎環節設計也帶來了全新的挑戰。基于研究可以看出，我國當前的風力發電產業發展受到發電成本所制約，從海上發電角度分析，對于海上風電機的基礎建設成本需要占整個系統成本的大部分比重，而西方發達國家在此項研究報告中明確表明，海上風力發電系統的總投入中，風電機的基礎投資費用可以占總投資的五分之一以上，所以，為了保障海上風力產業的持續健康發展，必須從風電機組的基礎設施建設入手，重視基礎結構的優化，有效縮減海上風力發電機組的投資成本，同時也提高海上風電產業的經濟性。此外，在海上風電系統中，由于各類組合具有特異性，這也為發電機組的基礎結構設計帶來了巨大的挑戰。據統計結果顯示海上發電機組基礎體系的復雜性引發發電機組故障的概率高達18%，這也使得海上風電機組的基礎設施成為成本投入的核心風險因素。

就海洋風力發電機組系統建設的架構分析來看，其基本架構主要由中心浮動平臺、負壓筒基礎構造、重力型構造、導管架型構造、三腳架基礎以及單樁構造組成。從全球各國角度分析，目前仍然有很多的海洋風力發電機系統都是采用以導管架、三腳架基礎或者單樁來設置基礎結構，但不管三腳架基礎或者單樁承臺構造，由于其承載力都是通過中心樁身完整性來承載，因此導致中心樁柱的孔徑和壁厚都太大，同時費用也相當高昂。而且因為極限荷載或者疲勞都會損壞中心樁柱，所以如果替換為樁柱那么成本也就非常昂貴了，并且會嚴重影響整機的經濟價值。對于導管架基礎設施工程來說，主要是通過在導管架基座和塔筒間建造的連接結構，以便于起到相互聯系和支撐的功能，但由于設置的連接結構要與導管架基礎基本處于分離關系，同時負荷承受的機制又不連貫，分布出現了不平衡現象，很容易出現導管架基礎設施的局部負荷過高問題，甚至出現了結構破壞等問題。而面對這一問題，以下針對一種新型的海上風力發電機塔筒和導管架基礎的筒式連接結構進行分析，在該連接結構的設計中，起到良好的支撐效果。

2 海上風電機塔筒與導管架基礎筒式連接結構設計

2.1 結構形式

通過圖1 的筒式連接結構可以看出，該連接結構的中心作為塔筒的底座，并且可以將它視為塔筒與法蘭形結構的連接體。在風機的塔筒基座周邊合理地設置了四根立柱，同時要求每一個柱子與塔筒底座中心之間都采用了連貫腹層的銜接方式，同時，在這四條側邊柱子的最外面都要配套設置了四組最側面柱子，并且各個最側邊柱子到塔筒底座中心的距離都應該相等，同時各組相互對應的內側柱子和外側立柱之間按照軸心差距和塔筒基座中心處于同一平面內，外側柱子的上下部分之間都要通過與周邊的水平桿件加以銜接，同時在每一個內側柱子和最側面柱子之間采用若干個水平桿件加以連接，這樣構成了一個框架整體，并達到緊密連接效果。在連接體系中，八根支柱與導管架基礎要呈相對的連接結構，同時采取焊接的方式來提高連接的連貫性，保持傳力的可靠性。

2.2 構件尺寸

在筒式連接結構中，海上風力發電機系統的整體受力中筒式連接結構也發揮著重要的作用，因此，在進行筒式連接結構和導管架的鏈接過程中，其連接結構的構件尺寸要嚴格按照相關標準進行設置，同時整個結構都使用Q345B 鋼材進行連接。具體參數設計如表1 所示。

表1 參數設計

3 荷載計算

針對海上風電場的風電機組筒式連接結構來說，和導管架基礎結構連接的計算荷載一般包含風電機的通底部運行和風載荷的運算情況，在實際運行中對冰荷載和地震荷載不做過多考慮。

3.1 風電機塔筒底部的荷載計算

結合某南海區域的風電場工作情況為例，分析海上風電機組塔筒底部的運行荷載情況數據技術，其荷載結果如表2 所示。

表2 風電機塔筒底部運行荷載

3.2 風荷載計算

在針對風電機的他通底部風荷載計算中，主要通過荷載運算方式呈現，塔筒的基礎底座和下部的符合核算要結合海上固定平臺入級和建造相關規范進行計算，相關計算公式為：

結合風荷載計算公式來看，其中K 代表風載荷的形狀系數，而K2則表示海上風壓的變化系數；同A 代表海上風的承受面積，主要是垂直風向的輪廓投影面積，最后V表示設計的風速，一般V 的風速設置為59.5m/s。

3.3 波浪荷載計算

在海上風電機與導管架的筒式連接環節中，導管架的尺寸和波長連接相對都比較小，大部分都是小尺寸的構建，因此可以通過線性波的理論對波浪的荷載進行計算，具體計算方法采用下方公式進行計算：

其中ρ 表示海水的密度，一般ρ=1025kg/m3，而式中的CD代表曳力系數，其也為常數，一般結合相關規范曳力系數取值為1，CM表示慣性力系數，該系數一般取值為2，D則表示為直徑，u 代表垂直構建軸線的速度分量，結合相關資料調查顯示，波浪的額外要素分別是最大波高度、水深度和相對應的波浪周期等。

3.4 海流荷載計算

由于受到海面上的海水流速的影響，在時間的不斷推移下，海水的流速也逐漸放緩，所以海流荷載也可以作為一個穩定的荷載出現，具體的海流荷載計算也可以通過下述公式進行計算：

通過海流荷載計算公式可以看出，式中fD表示長度拖曳力，另外ρ 表示海水的密度，A 代表單位長度內構件垂直于海流方向的投影面積，CD代表拖拽力系數，最后UC表示海水的流速，根據相關標準測定，海水流速的取值為1.31m/s，并且不會隨著海流高度發生改變。

4 靜力計算

在針對海上風電機組的靜力計算過程中，主要利用有限元軟件來實現，通過對當前的靜力荷載情況在進行導管架基礎的建模過程中，還可以通過shell63 單元的模擬軟件對筒式連接結構進行模擬，并且還可以通過pipe59 的單元模擬泥面對導管架基礎進行模型構建，在導管架基礎模型的泥面構建中，也可以采用pipe16 單元來實現。在建立導管架的基礎模型中，XOY 平面的減員必須處在整合示意圖的核心位置，同時確保Z 軸上遠點位置為海水靜力面的高度，使之垂直上上，同時彈性模量也維持在2.1×105MPa 之間，而且泊松比也維持在1.3 左右，通過等效樁法來分析樁和土之間的作用效果。針對導管架基礎設計中，按照樁的六倍來考慮淘深度側，保持泥面處于固定位置。

4.1 計算模型

針對海上風電機組和導管架的筒式連接結構的模型來看，其結構有限元模型其中包括373 和795 個單元，并且節點也包含了370 和273 個，為了有效地做好筒式連接結構在荷載性能上的傳遞水平，進行海上風電機組和導管架的筒式連接情況來看，積極采用控制變量的手段，結合下部導管架的底座不發生任何變動，只對上半部的筒式連接結構進行修改，從而去除相應的立柱與連貫腹板，加強水平支撐桿，并且將同他的底座和導管基礎有效連接，構成周邊支撐，對結構有限元進行模擬。

4.2 應力計算

在針對海上風電機組和導管架的筒式連接結構的上部應力計算時，首先要根據荷載形式與海上風電機組和導管架的筒式連接結構特點進行分數，對不同角度的入射方向以及海流風速聯合影響下產生的結構強度影響進行校核，同時按照相關標準進行計算，獲取Q345 型鋼材料的標準應力為207MPa，同時海上風電機組和導管架的筒式連接結構所產生的不同方向最大應力如表3 所示。

表3 筒式連接結構最大應力

通過表3 的風電機組和導管架的筒式連接結構不同方向的入射應力進行分析，明確Q345 型鋼材的產生的應力均小于標準應力的207MPa，因此滿足實際應用需求。結合導管架基礎和筒式連接結構的最大應力值對比值可以看出，當入射方向處于橫坐標上時，那么內部應力的比例就為縱坐標，于是可以根據這一變化規律繪制折線圖。通過折線圖可以發現海上風電機組和導管架基礎的筒式連接的最大應力比均在常數值為一左右浮動，這就能夠證實了海上風電機組和導管架的筒式連接結構既可以使總負荷合理地由上往下輸送，同時也和導管架平均負擔了一定的總負荷，從而對合理地實現海上風電機組和導管架基礎的筒式連接結構起到了保障作用。但相對于連接結果的最大應力和導管架的應力比重而言，它均大于筒式構件，這也就說明了負載主要是由上部分構件所承受，而并不能直接把負荷傳導到下部分，而且擱在內部承受機制上并不連貫，很容易出現上不連接結構出現局部應力增大而產生損壞等問題。

4.3 最大沉降量和傾斜率

針對風電機組的地基基礎設計環節中，根據相關資料對風電機組荷載的特征進行分析，同時計算風電機組的最大沉降量以及傾斜率限制。通過計算結果可以看出，其相關數值均處于許可范圍內，滿足相關規范要求。而海上風電機組和導管架的筒式連接結構的設計也能夠小于對比結構，這也表示風電機的基礎結構設計中必須要充分考慮傾斜率和最大沉降量這兩項標準，在開展海上風電機組和導管架的筒式連接結構設計中，也可以有效體現出具體的結構優勢。

5 結束語

綜上所述，通過海上風電機組和導管架的筒式連接結構的鏈接，還可以實現荷載的有效傳遞，并且起到良好的支撐作用，有效分擔導管架的荷載力。相比于其他結構來說，海上風電機組和導管架的筒式連接結構設計在多個層面都展現出良好的優越性能，并且可以滿足實際應用需求，表現出良好的海上發電工程應用意義。