一種加裝穩(wěn)定翼的海上風(fēng)電負(fù)壓桶型基礎(chǔ)研究

李 煒

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310014)

一種加裝穩(wěn)定翼的海上風(fēng)電負(fù)壓桶型基礎(chǔ)研究

李 煒

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310014)

針對(duì)海上風(fēng)電負(fù)壓桶型基礎(chǔ)，以提高桶基水平承載性能和降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)為目的，提出了一種加裝穩(wěn)定翼的負(fù)壓桶型基礎(chǔ)型式。通過在桶身設(shè)置一組穩(wěn)定翼，使得桶周土抗力得以充分利用。以單立柱負(fù)壓桶基為例，建立桶土全實(shí)體有限元模型，進(jìn)行了靜力分析和包括模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、譜分析在內(nèi)的動(dòng)力分析。結(jié)果表明:穩(wěn)定翼的設(shè)置增強(qiáng)了桶基水平承載性能;水平位移和動(dòng)力響應(yīng)顯著減小;結(jié)構(gòu)低階固有頻率略有提高。

海上風(fēng)電;負(fù)壓桶;穩(wěn)定翼;動(dòng)力響應(yīng)

隨著全球?qū)τ陂_發(fā)可再生能源的興起，海上風(fēng)能的開發(fā)成為時(shí)下的熱點(diǎn)。我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)也已全面展開。在海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本占總造價(jià)的比例較高，加之所處環(huán)境復(fù)雜，成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-6］。

負(fù)壓桶型基礎(chǔ)(suction bucket)又稱吸力筒基礎(chǔ)，分為單桶和多桶等結(jié)構(gòu)型式。淺海、深海皆可運(yùn)用，其中，淺海中的負(fù)壓桶實(shí)際上是傳統(tǒng)樁基和重力式基礎(chǔ)的結(jié)合;在深海海域則是作為張力腿浮體支撐的錨固系統(tǒng)。

根據(jù)滲流理論和桶基負(fù)壓沉貫原理［7］，將傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基礎(chǔ)改變成一個(gè)短粗的剛性開口薄壁圓筒殼構(gòu)造的桶型基礎(chǔ)，利用桶基自重和上部結(jié)構(gòu)重量，將桶基壓入海底一定深度，形成密封條件，然后用泵抽吸桶基內(nèi)部，造成桶內(nèi)外的負(fù)壓，并通過該壓力差將桶體壓入海底預(yù)定深度達(dá)到固定的作用。

負(fù)壓桶基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮的因素也較多，設(shè)計(jì)難度較大，DNV規(guī)范推薦適用水深為0～25 m。負(fù)壓桶基礎(chǔ)起步較晚，發(fā)展時(shí)間也不長(zhǎng)，應(yīng)用還不成熟，一些風(fēng)險(xiǎn)分析不全面，因此暫不推薦此種方案?？梢哉f，負(fù)壓桶基礎(chǔ)尚處于研究階段，但隨著研究的深入，必將推進(jìn)其在海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

與其它類型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一樣，負(fù)壓桶型基礎(chǔ)也需要滿足基礎(chǔ)剛度和轉(zhuǎn)角控制兩個(gè)方面的要求。

眾所周知，樁側(cè)土抗力大部分由近地表的淺層土發(fā)揮，因此，如何充分利用淺層土的土抗力成為提高基樁水平承載性能的關(guān)鍵。本項(xiàng)研究給出了一種對(duì)海上風(fēng)電負(fù)壓桶型基礎(chǔ)加裝翼板的構(gòu)思，以下稱為加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)，通過在常規(guī)負(fù)壓桶型基礎(chǔ)外周設(shè)置穩(wěn)定翼，使淺層土的抗力得到充分發(fā)揮，進(jìn)而提高基礎(chǔ)剛度，降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。并借助數(shù)值模擬，對(duì)其進(jìn)行了靜、動(dòng)力學(xué)分析。

1 加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)

1.1 基本構(gòu)造

加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置見圖1，其中(a)、(b)為大直徑加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)立面圖;(c)為小直徑加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)立面圖。

加翼負(fù)壓桶基礎(chǔ)的負(fù)壓桶部分與傳統(tǒng)鋼制負(fù)壓桶型基礎(chǔ)無異。根據(jù)負(fù)壓桶桶徑，區(qū)分為大直徑(D=10～25 m)、小直徑(D=4～10 m)兩種情況。對(duì)于前者，即采用單個(gè)大型的負(fù)壓桶基，上部結(jié)構(gòu)(同單樁、多樁等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中泥面以上的結(jié)構(gòu))整體固定于桶頂;對(duì)于后者，則屬于多桶型結(jié)構(gòu)，即將樁承式基礎(chǔ)的每一個(gè)樁替換為一個(gè)小直徑負(fù)壓桶基礎(chǔ)。

穩(wěn)定翼為與桶基同材質(zhì)的鋼板，布設(shè)方式:以桶基為中心呈放射狀布置，長(zhǎng)度(L)方向與桶基軸向平行，寬度(W)方向與桶基軸向垂直。對(duì)于大直徑負(fù)壓桶，根據(jù)桶徑設(shè)置4～8個(gè)翼板，寬度(W)取5～8 m;長(zhǎng)度(L)取H/2≤L≤H(H為桶基高度)且從泥面開始設(shè)置(考慮沖刷時(shí)，從計(jì)算泥面開始設(shè)置)。對(duì)于小直徑負(fù)壓桶，根據(jù)桶徑設(shè)置3～4個(gè)翼板，寬度(W)取D/2≤W≤D;長(zhǎng)度(L)取H/2≤L≤H。

圖2為細(xì)部構(gòu)造或處理的示意圖，(a)為大直徑加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)加8個(gè)穩(wěn)定翼的剖面示意圖;(b)為小直徑加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)加4個(gè)穩(wěn)定翼的剖面示意圖;(c)為對(duì)穩(wěn)定翼進(jìn)行優(yōu)化的示意圖。

圖1 基本構(gòu)造示意Fig.1 Basic structure

圖2 細(xì)部示意Fig.2 Detail drawing

圖1～2中:1為負(fù)壓桶;2為穩(wěn)定翼;3為加強(qiáng)支撐構(gòu)件;4為上部結(jié)構(gòu)(單樁時(shí)為塔筒;多樁時(shí)為導(dǎo)管架);5為泥面;6為穩(wěn)定翼內(nèi)側(cè)(與單樁連接一側(cè));7為穩(wěn)定翼外側(cè);8為穩(wěn)定翼上緣;9為穩(wěn)定翼下緣;L為穩(wěn)定翼長(zhǎng)度;W為穩(wěn)定翼寬度;θ1為減阻角(降低沉樁阻力);θ2為減緩應(yīng)力集中坡角(降低應(yīng)力集中)。

考慮到沉樁過程中穩(wěn)定翼入土?xí)r所受阻力，在穩(wěn)定翼與桶基連接處增設(shè)加強(qiáng)支撐構(gòu)件3;并對(duì)穩(wěn)定翼先入泥一側(cè)翼緣進(jìn)行坡度化處理(設(shè)置減阻角θ1);考慮到穩(wěn)定翼上翼緣與桶基連接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，可在此增設(shè)減緩應(yīng)力集中坡腳(θ2)。

1.2 結(jié)構(gòu)說明及實(shí)施方式

本研究中加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)的具體實(shí)施方式:

1)預(yù)制及加工

選材:穩(wěn)定翼選材無特殊性，可與鋼制桶基等同。

選型:穩(wěn)定翼幾何形狀為板狀(由長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)基本指標(biāo)確定)?；拘螤顬榫匦危紤]打樁阻力及應(yīng)力集中，可將上、下翼緣進(jìn)行坡度化處理:考慮穩(wěn)定翼會(huì)增加沉貫阻力，可將穩(wěn)定翼下翼緣坡度化處理(加工成帶減阻角θ1);考慮穩(wěn)定翼上翼緣與基樁連接處易發(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)行坡度化處理(加工成帶減緩應(yīng)力集中坡角θ2);沉貫阻力的增加需通過相應(yīng)計(jì)算確定，進(jìn)而對(duì)θ1和θ2進(jìn)行調(diào)整。

加工:穩(wěn)定翼除上述對(duì)于上、下翼緣必要的坡度化處理之外，無特殊加工要求。

裝配:穩(wěn)定翼與桶基鏈接采用焊接，并輔助設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。

2)沉樁、調(diào)平施工

沉樁施工同傳統(tǒng)無穩(wěn)定翼負(fù)壓桶基礎(chǔ)的負(fù)壓沉貫、調(diào)平過程。

3)上部構(gòu)件施工

由于沉樁施工完成后穩(wěn)定翼完全位于泥面以下，因此不會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的施工造成任何影響。

2 加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)效果檢驗(yàn)

2.1 有限元模型

負(fù)壓桶直徑D=20 m(壁厚t=70 mm)，入土(高度)H=8 m;穩(wěn)定翼設(shè)置8片，以桶基軸線為中心沿外桶呈放射狀等間距布置，尺寸:L=H、W=D/4、T=t;上部采用圖1(a)所示的單樁塔筒型式，直徑4.5 m。

桶周土體黏聚力c=20 kPa，摩擦角φ=32°，容重γ=20 kN/m3。

有限元模型采用大型有限元分析軟件ANSYS建立，如圖3所示，其中(a)為負(fù)壓桶型基礎(chǔ)及桶周土體有限元模型及網(wǎng)格，用于下述靜力分析;(b)為在(a)模型基礎(chǔ)上補(bǔ)充上部塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片等之后的整體結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格，用于下述動(dòng)力分析。桶基、土體均采用實(shí)體單元(solid)模擬，并在交界面上設(shè)置接觸單元;土體本構(gòu)模型遵循D-P準(zhǔn)則。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 靜力分析

靜力分析重點(diǎn)針對(duì)桶基進(jìn)行，建立圖3(a)所示的有限元模型并劃分網(wǎng)格。其中，采用0.5～30.0 MN范圍內(nèi)的九級(jí)靜荷載，并施加在桶基頂(與泥面同高程)以上2 m位置。荷載-位移及荷載-轉(zhuǎn)角曲線如圖4、5所示?？梢姡右砗蟮耐盎轿灰频玫接行Э刂?，降低的幅度隨水平載荷的增加而增大。各荷載作用下，位移、轉(zhuǎn)角降低幅度如圖6所示?？梢?，伴隨荷載的增加，穩(wěn)定翼對(duì)于降低單樁的水平位移、轉(zhuǎn)角的作用愈加明顯。

這里取30 MN作用時(shí)桶基水平位移、應(yīng)力云圖見圖7、8。從桶基應(yīng)力云圖可見，加裝穩(wěn)定翼后，桶基最大應(yīng)力提高，且加翼負(fù)壓桶基的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載作用方向正前方一片穩(wěn)定翼與桶基連接處的上緣(49.7 MPa)，這也是上述對(duì)穩(wěn)定翼上緣進(jìn)行坡度化處理(設(shè)置θ2)的原因。

圖4 H0-X0曲線Fig.4 H0-X0curve

圖 5 H0-θY0 曲線Fig.5 H0-θY0curve

圖6 降低幅度Fig.6 Decreasing amplitude

圖7 桶基X方向水平位移Fig.7 X-Displacement of bucket

圖8 桶基應(yīng)力Fig.8 Stress of bucket

2.3 動(dòng)力分析

動(dòng)力分析采用圖3(b)的整體結(jié)構(gòu)模型。本例假定平均海平面為0高程，泥面高程為-24.9 m，法蘭高程5 m，塔筒頂部高程87 m。以模態(tài)分析為基礎(chǔ)，包括諧響應(yīng)分析、沖擊荷載作用下的瞬態(tài)分析、波浪譜分析。其中，動(dòng)力荷載均假定作用在3 m高程位置。

1)模態(tài)分析

提取結(jié)構(gòu)前3階自振頻率如表1所示。表1中1階、2階、3階自振頻率分別為結(jié)構(gòu)整體YZ平面內(nèi)平搖、XZ平面內(nèi)平搖和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，加翼后，結(jié)構(gòu)整體固有頻率略有提高，尤其對(duì)1、2階振型所對(duì)應(yīng)的自振頻率的提高幅度較大。

2)諧響應(yīng)分析

復(fù)雜荷載作用時(shí)的情況可通過Fourier變換近似成簡(jiǎn)諧荷載的求和形式，在系統(tǒng)線性的假定條件下，單自由度體系承受簡(jiǎn)諧荷載時(shí)的特性可以方便地推廣到任意荷載條件下單自由度系統(tǒng)的情況，研究簡(jiǎn)諧荷載的情況是開展其它荷載情況的基礎(chǔ)［8-9］。

施加水平向(X方向)簡(jiǎn)諧荷載作用。提取法蘭處水平方向(X方向)位移響應(yīng)如圖9所示?？梢?，X方向位移響應(yīng)峰值與結(jié)構(gòu)1階自振頻率對(duì)應(yīng);加翼后位移響應(yīng)峰值顯著降低。

3)瞬態(tài)分析——沖擊荷載作用

假定結(jié)構(gòu)受圖10所示的X方向沖擊荷載作用，提取法蘭及塔筒頂部的X方向位移響應(yīng)如圖11所示，最大位移響應(yīng)列于表2。

表1 模態(tài)分析Tab.1 Mode analysis

表2 計(jì)算結(jié)果(沖擊荷載)Tab.2 Calculation results(impact load)

圖9 位移響應(yīng)(簡(jiǎn)諧荷載)Fig.9 Displacement response(harmonic disk load)

圖10 沖擊荷載時(shí)程曲線Fig.10 Time history of impact load

圖11 位移響應(yīng)(沖擊荷載)Fig.11 Displacement response(impact load)

圖12 波浪力譜Fig.12 Wave load spectrum

可見，從響應(yīng)曲線趨勢(shì)角度觀察:對(duì)于距離沖擊位置較近的法蘭處而言，緊隨沖擊荷載開始作用的t=2時(shí)刻開始出現(xiàn)峰值(t=2.1)，而對(duì)于距離沖擊位置較遠(yuǎn)的塔筒頂部而言，其位移響應(yīng)峰值發(fā)生時(shí)刻有所滯后(t=2.3)，這是符合實(shí)際的;從響應(yīng)曲線峰值大小角度觀察，加翼后單樁的位移響應(yīng)顯著降低。

4)波浪譜分析

假定結(jié)構(gòu)受到圖12所示波浪譜作用，作用方向?yàn)閄方向，法蘭及塔筒頂處X方向位移響應(yīng)如圖13所示?？梢?，0～1 Hz范圍內(nèi)，響應(yīng)曲線出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的峰值，且分別與波浪譜頻率及結(jié)構(gòu)1階自振頻率對(duì)應(yīng)，兩者之間的差異決定了結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性;從響應(yīng)曲線峰值觀察，加翼后桶基的位移響應(yīng)得到顯著降低。

圖13 位移響應(yīng)(波浪荷載)Fig.13 Displacement response(wave load)

3 結(jié)語(yǔ)

以充分利用淺層土的土抗力為設(shè)計(jì)思路，對(duì)一種加裝穩(wěn)定翼的海上風(fēng)電負(fù)壓桶型基礎(chǔ)進(jìn)行了研究，對(duì)其構(gòu)造、效果及實(shí)施方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過有限元仿真，從靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)角度對(duì)穩(wěn)定翼的設(shè)置效果進(jìn)行了驗(yàn)證。加翼負(fù)壓桶型基礎(chǔ)有益效果總結(jié)如下:

1)充分發(fā)揮近地表淺層樁前土的抗力，增強(qiáng)桶基水平承載性能;

2)達(dá)到與無穩(wěn)定翼普通負(fù)壓桶基礎(chǔ)同等的承載性能時(shí)，加翼負(fù)壓桶基的負(fù)壓桶尺寸得以減小，相應(yīng)的材料、施工成本得以降低;

3)不會(huì)影響負(fù)壓沉貫施工，且由于沉樁后穩(wěn)定翼位于海床泥面以下，因此不會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的安裝等產(chǎn)生影響。加翼對(duì)結(jié)構(gòu)整體固有頻率影響較小(略有提高)。

［1］李 煒，鄭永明，周 永.海上風(fēng)電基礎(chǔ)ANSYS數(shù)值模擬［J］.水運(yùn)工程，2010(8):125-128.

［2］Kuo Y-S，Achmus M，Kao C-S.Practical design considerations of monopile foundations with respect to scour［C］∥Global Wind Power.2008:104.

［3］李 煒，鄭永明，周 永.近海風(fēng)電基礎(chǔ)樁土作用3D有限元模擬［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(8):162-164.

［4］LI Wei.Study on the fuzziness in fatigue life estimation of the foundation of offshore wind turbine［J］.Advanced Materials Research，2011(243-249):4741-4745.

［5］李 煒，李華軍，鄭永明，等.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大直徑鋼管樁水平靜載荷試驗(yàn)數(shù)值仿真［J］.水利水電科技進(jìn)展，2011，31(4):69-72.

［6］黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.海洋工程，2009，27(2):130-134.

［7］王 靖，許 濤.海上桶形基礎(chǔ)采油平臺(tái)綜合分析［J］.海洋技術(shù)，2003(3):27-28.

［8］張樞文.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2007.

［9］李 煒，李華軍，鄭永明，等.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2011(3):70-76.

Study on a new type of suction bucket foundation with wings for offshore wind turbine

LI Wei
(Huadong Engineering Corporation of HYDROCHINA，Hangzhou 310014，China)

Suction bucket foundation for offshore wind turbine is investigated.A new type of suction bucket foundation with steelwings，named the wing-bucket foundation，is studied to improve its horizontal bearing capacity and dynamic response character.A group of wings are set outside the suction bucket;and the shallow earth reaction in front of the bucket is taken into full play.The finite element model of bucket and soil using solid element is founded.Static analysis and dynamical analysis including mode analysis，transient analysis and spectrum analysis are carried out by a typical example of a single-suction bucket foundation.It is revealed that the horizontal bearing capacity of suction bucket foundation is enhanced with the setting of wings，that the horizontal deflection and dynamic response are reduced，and that the lower-order natural frequencies are increased appreciably.

offshore wind turbine;suction bucket;wing;dynamic response

P752

A

1005-9865(2012)01-0145-06

2011-04-06

中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院院立項(xiàng)課題(KY2010-02-19，KY2011-02-07-02)

李 煒(1981-)，男，山東淄博人，工程師，博士后，從事海上風(fēng)電基礎(chǔ)樁土作用及結(jié)構(gòu)疲勞方面的研究。E-mail:li—w@ecidi.com