基礎(chǔ)沖刷對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)塔架支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響分析

嚴(yán)根華，古 華，陸忠民，林毅峰

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029;2.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)院，上海 200434)

基礎(chǔ)沖刷對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)塔架支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響分析

嚴(yán)根華1，古 華1，陸忠民2，林毅峰2

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029;2.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)院，上海 200434)

針對(duì)海上風(fēng)力機(jī)塔柱支撐結(jié)構(gòu)受到土基、海洋流體的復(fù)雜作用的特點(diǎn)，建立三維有限元數(shù)值模型，開展不同海床沖刷深度條件下支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，探討其變化規(guī)律，為海上風(fēng)力機(jī)支撐系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

沖刷;海上風(fēng)電場(chǎng);支撐系統(tǒng);動(dòng)力特性;三維有限元

1 前言

風(fēng)能利用是目前國內(nèi)外新能源開發(fā)的熱點(diǎn)。國際上陸地風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過多年發(fā)展已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化建設(shè)階段，海上風(fēng)能利用是近年發(fā)展起來的具有巨大開發(fā)潛力的綠色可再生能源［1］。雖然陸上風(fēng)電場(chǎng)的制造、施工等技術(shù)難點(diǎn)已基本解決，但其風(fēng)輪和機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定和抗振安全問題仍然十分嚴(yán)峻，我國已有多個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)因遭遇強(qiáng)臺(tái)風(fēng)而出現(xiàn)毀滅性損壞，遭受重大經(jīng)濟(jì)損失。海上風(fēng)電場(chǎng)所處環(huán)境比陸地環(huán)境更加惡劣，涉及因素多，受到的荷載源復(fù)雜，而且量級(jí)更大，對(duì)風(fēng)力機(jī)支撐系統(tǒng)的動(dòng)力作用將更加復(fù)雜。國內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)尚在起步階段，這方面的研究目前尚處空白，國際上可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)也不多。確保海上風(fēng)電場(chǎng)安全的首要條件是確保風(fēng)力機(jī)支撐系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定與安全，其中海流對(duì)塔柱支撐結(jié)構(gòu)樁基的沖刷作用也是需要高度重視的問題。

海上風(fēng)力機(jī)塔架支撐系統(tǒng)的建立改變了周圍的水流條件，樁柱周圍也會(huì)因水流運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不同程度的沖刷現(xiàn)象。在潮流和風(fēng)浪流沖刷作用下，塔架支撐系統(tǒng)的樁基外露長度增大，因而使塔架樁基承受的波浪與海流作用力增大。塔架嵌固長度變短，而上部自由長度變大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性發(fā)生變化，導(dǎo)致塔架穩(wěn)定性及安全度降低。

文章采用數(shù)值分析方法研究塔柱支撐系統(tǒng)基礎(chǔ)沖刷對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)塔架支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，揭示塔柱支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性隨樁基沖刷深度的變化規(guī)律。深入認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)沖刷對(duì)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有較強(qiáng)指導(dǎo)意義，并可為工程抗振減振措施設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 塔架支撐系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型

文章的依托工程為上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)力機(jī)塔架支撐系統(tǒng)的動(dòng)力分析研究通過三維有限元法進(jìn)行，分析軟件為ANSYS11.0。計(jì)算分析下部樁基不同沖刷深度條件下(分別為無沖刷、沖刷5 m、沖刷10 m、沖刷15 m)的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性。研究時(shí)暫將風(fēng)輪及機(jī)組簡化為集中質(zhì)量進(jìn)行處理，并忽略土基的彈性特性、下部鋼管樁的底端與土基固結(jié)。支撐系統(tǒng)的幾何模型和有限元模型見圖1。重點(diǎn)考察支撐塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性包括承臺(tái)以及下部鋼管樁的動(dòng)力特性，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析提供依據(jù)。

圖1 不同沖刷深度條件下的塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 The tower structural finite element models of different scour depths

3 不同沖刷深度條件下支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性

不同海床沖刷深度下的塔柱支撐系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)頻率列于表1，前8階振型見圖2～圖5。計(jì)算結(jié)果顯示，在無沖刷狀態(tài)下，塔柱結(jié)構(gòu)1階振動(dòng)模態(tài)反映承臺(tái)以上塔柱結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)變形，相應(yīng)頻率為0.57 Hz;2階頻率為0.63 Hz，其振型仍為上部結(jié)構(gòu)彎曲變形振動(dòng);3 階、4 階振型頻率明顯上升，為2.97 Hz和 2.98 Hz，反映上部塔柱結(jié)構(gòu)二階彎曲與承臺(tái)下部鋼管樁的組合變形振動(dòng);5階、6階振型頻率都為4.74 Hz，反映上部塔柱結(jié)構(gòu)高階彎曲變形振動(dòng);7階振型頻率為5.52 Hz，反映承臺(tái)及鋼管樁和上部塔柱結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng);8階振型頻率為5.67 Hz，反映塔柱上部塔筒的鼓脹變形振動(dòng)。

隨著海床沖刷深度的加深，振動(dòng)模態(tài)頻率開始下降。沖刷深度5 m時(shí)，塔柱支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1階、2階模態(tài)頻率分別為0.57 Hz和0.58 Hz，仍然反映承臺(tái)以上塔柱結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)變形;3階、4階振型頻率都下降為2.90 Hz，其振型演變?yōu)槌信_(tái)以下鋼管樁以及上部塔筒的橫向彎曲變形振動(dòng);5階振型頻率為3.03 Hz，反映承臺(tái)及鋼管樁和上部塔柱結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng);6階、7階頻率分別為3.04 Hz和3.63 Hz，反映上部塔柱結(jié)構(gòu)高階彎曲變形振動(dòng);8階振型頻率為5.67 Hz，反映塔柱上部塔筒的鼓脹變形振動(dòng)。

表1 樁基不同沖刷深度條件下振動(dòng)模態(tài)頻率對(duì)比表Table 1 Contrasting table of vibration mode frequency values of different scour depths

圖2 支撐系統(tǒng)無沖刷時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)圖Fig.2 Structure mode graphs of supporting system without scouring

圖3 支撐系統(tǒng)沖刷5 m時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)圖Fig.3 Structure mode graphs of supporting system with 5 m scouring

圖4 支撐系統(tǒng)沖刷10 m時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)圖Fig.4 Structure mode graphs of supporting system with 10 m scouring

圖5 支撐系統(tǒng)沖刷15 m時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)圖Fig.5 Structure mode graphs of supporting system with 15 m scouring

沖刷深度10 m時(shí)，塔柱支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1階、2階模態(tài)振型仍反映承臺(tái)以上塔柱結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)變形，頻率下降幅度不大;3階、4階振型頻率都下降至2.10 Hz，其振型為承臺(tái)以下鋼管樁以及上部塔筒的橫向彎曲變形振動(dòng);5階振型頻率為2.72 Hz，亦為承臺(tái)及鋼管樁和上部塔柱結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng);6 階、7 階頻率分別為 2.95 Hz和 2.96 Hz，反映上部塔柱結(jié)構(gòu)高階彎曲變形振動(dòng);8階振型頻率為5.67 Hz，反映塔柱上部塔筒的鼓脹變形振動(dòng)，該階振型不隨樁基沖刷深度的變化而變化，僅與塔筒本身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)。

當(dāng)沖刷深度進(jìn)一步增加至15 m時(shí)，塔柱支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1階、2階模態(tài)振型仍反映承臺(tái)以上塔柱結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)變形，頻率下降幅度仍不太顯著;3階、4階振型頻率都下降為1.61 Hz，其振型為承臺(tái)以下鋼管樁以及上部塔筒的橫向彎曲變形振動(dòng);5階振型頻率為2.18 Hz，亦為承臺(tái)及鋼管樁和上部塔柱結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng);6階、7階頻率分別為2.93 Hz和 2.94 Hz，反映上部塔柱結(jié)構(gòu)高階彎曲變形振動(dòng);8階振型頻率仍為5.67 Hz，反映塔柱上部塔筒的鼓脹變形振動(dòng)。

4 基礎(chǔ)沖刷對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)塔架支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響分析

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著海床基礎(chǔ)沖刷深度的增加，塔柱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率值不斷降低。第1階、2階模態(tài)頻率隨著沖刷深度的增加，頻率值有所降低，但降幅不大。這是因?yàn)榍皟呻A振型主要反映上部塔筒的彎曲振型，下部沖刷深度對(duì)其影響有限。從第3階開始，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率值降幅明顯。在沖刷5 m時(shí)，頻率值相對(duì)于無沖刷時(shí)的最大降幅為35.96%;在沖刷10 m時(shí)，頻率值的最大降幅為46.44%;當(dāng)沖刷深度15 m時(shí)，最大降幅亦達(dá)到54.09%。后面多階振動(dòng)模態(tài)為上部塔筒局部鼓脹振型，與下部沖刷深度無關(guān)，所以其頻率值保持不變。一旦結(jié)構(gòu)振型表現(xiàn)承臺(tái)和鋼管樁聯(lián)合扭轉(zhuǎn)變形或彎曲變形時(shí)，振動(dòng)模態(tài)頻率隨海床沖刷深度的加深，固有振動(dòng)模態(tài)頻率將大幅度下降。

為考查塔柱結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率值隨海床沖刷深度的變化規(guī)律，取前幾階典型振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析對(duì)比?？紤]鋼管樁對(duì)沖刷深度的敏感性，繪出塔柱支撐結(jié)構(gòu)3階～6階振動(dòng)模態(tài)頻率隨沖刷深度的變化規(guī)律(見圖6)。其中3階和4階振動(dòng)模態(tài)反映鋼管樁、承臺(tái)與上部塔筒的聯(lián)合彎曲變形振動(dòng)，5階為支撐結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，6階為上部塔柱結(jié)構(gòu)高階彎曲變形振動(dòng)。若考察支撐系統(tǒng)上部塔筒的鼓脹振型，因主要反映塔筒本身的橫斷面變形(見圖7)。因此該類振動(dòng)變形受下部沖刷影響較小，從而海床沖刷對(duì)其振動(dòng)模態(tài)頻率影響不大。

5 結(jié)語

通過不同樁基沖刷深度的塔柱支撐系統(tǒng)動(dòng)力特性分析，在不考慮流體和地基彈性影響條件下取得如下規(guī)律性成果。

1)海上風(fēng)力機(jī)塔柱支撐系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)頻率較低，而且低頻區(qū)比較密集，樁基沖刷使結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率顯著降低，對(duì)結(jié)構(gòu)抗振不利。

圖6 第3階～第6階結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率值隨沖刷深度變化規(guī)律圖Fig.6 Structural vibration frequency law graphs with the changes in scour depth from the third to the sixth order

圖7 上部塔筒鼓脹振型的頻率值隨沖刷深度的變化圖Fig.7 Structural vibration frequency law graphs with the changes in scour depth of timpanist mode of the upper tower tube

2)塔柱支撐系統(tǒng)的模態(tài)振型具有如下幾種表現(xiàn)形式:a.承臺(tái)以上塔筒結(jié)構(gòu)彎曲變形;b.支撐系統(tǒng)(包括承臺(tái)和下部鋼管樁)整體彎曲變形;c.支撐系統(tǒng)整體扭轉(zhuǎn)變形(主要反映承臺(tái)和下部鋼管樁扭轉(zhuǎn)變形);d.塔筒上部結(jié)構(gòu)鼓脹變形振動(dòng);e.下部鋼管樁單樁、多樁同步同向、反向彎曲組合變形，顯示出振型的多樣性。

3)風(fēng)力機(jī)塔柱支撐系統(tǒng)前兩個(gè)低階結(jié)構(gòu)振型主要反映承臺(tái)以上塔筒結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)變形，因此海床沖刷深度對(duì)其振動(dòng)頻率的影響不太明顯;3階、4階振動(dòng)模態(tài)反映鋼管樁和承臺(tái)及以上塔筒的整體變形特性，沖刷深度對(duì)振動(dòng)模態(tài)頻率開始產(chǎn)生明顯影響;頻率下降率隨沖刷深度(5～15 m)在29% ～46%范圍內(nèi)變化;扭轉(zhuǎn)變形的頻率降幅也隨沖刷深度的變化在34%～54%范圍內(nèi)變化。

4)海床沖刷深度對(duì)塔柱支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響，振動(dòng)分析時(shí)不可忽視。

［1］林毅峰，李健英，沈 達(dá)，等.東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)地基基礎(chǔ)特性及設(shè)計(jì)［J］.上海電力，2007(2):153－157.

The influence analysis of foundation scouring on dynamic characteristics of the tower supporting system of offshore wind farm

Yan Genhua1，Gu Hua1，Lu Zhongmin2，Lin Yifeng2

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China;2.Shanghai Investigation Design ＆ Research Institute，Shanghai 200434，China)

Based on the feature that offshore wind turbine tower supporting structures are affected by soil foundation and the ocean flow，the paper establishes 3D finite element numerical model to get dynamic characteristics of supporting system structure of different scour depths and discusses its change law in order to provide scientific basis for dynamic stability design of offshore wind turbine tower supporting structure.

scour;offshore wind farm;supporting system;dynamic characteristics;3D finite element

TK83

A

1009－1742(2011)01－0069－05

2010－07－23

嚴(yán)根華(1956—)，男，上海市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事水工水力學(xué)、金屬結(jié)構(gòu)及水工結(jié)構(gòu)激流振動(dòng)問題及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究;E－mail:ghyan@nhri.cn