近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)監(jiān)測(cè)與動(dòng)力響應(yīng)分析

楊 鋒，高季章，張金接，曾 迪

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 工程抗震研究中心，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

風(fēng)電是可再生能源開發(fā)的主要組成部分，近幾年得到了較快的發(fā)展，我國(guó)東部沿海的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電網(wǎng)特點(diǎn)與歐洲類似，適于大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電，但該區(qū)域海床表層多是淤泥質(zhì)地層（深度＞10m），目前建設(shè)的近海風(fēng)機(jī)基本均采用樁基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[1]。近年來，我國(guó)研究人員對(duì)海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性與環(huán)境荷載下的響應(yīng)分析均開展了一定的研究。嚴(yán)根華等[2]考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同沖刷深度，進(jìn)行了土基海流耦合條件下的海上風(fēng)機(jī)塔柱支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究；劉志強(qiáng)[3]進(jìn)行了海上風(fēng)機(jī)三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)-塔架在風(fēng)荷載、冰荷載和地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)分析；陳法波[4]計(jì)算分析了風(fēng)、浪和地震等荷載下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)；陳小波[5]進(jìn)行了基于SPH理論的近海單樁風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系與波浪動(dòng)力相互作用研究。以上研究均從理論上進(jìn)行了計(jì)算分析，但缺乏現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，造成目前設(shè)計(jì)階段仍重點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力校核，難以基于動(dòng)力響應(yīng)分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并據(jù)此提出相應(yīng)的振動(dòng)控制措施。

為進(jìn)行環(huán)境荷載下風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)特性的深入研究，在江蘇響水近海2MW試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)、塔架不同位置安裝多套振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，進(jìn)行了長(zhǎng)期的樁基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)監(jiān)測(cè)。本文依據(jù)實(shí)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)與風(fēng)、浪等環(huán)境荷載的相關(guān)性，并與動(dòng)力有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析的可行性。

2 監(jiān)測(cè)儀器布置

針對(duì)動(dòng)力響應(yīng)分析工作，為獲取相關(guān)基礎(chǔ)資料，進(jìn)行了風(fēng)、浪和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系在波浪、風(fēng)荷載作用下振動(dòng)相對(duì)較小、頻率分布范圍大，因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器采用FBAES-T型高精度地震加速度計(jì)。

江蘇響水近海試驗(yàn)風(fēng)機(jī)采用八樁混凝土高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，根據(jù)基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)在鋼管樁基礎(chǔ)、塔架的不同關(guān)鍵位置共埋設(shè)了4支振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，其中在距離混凝土平臺(tái)底面0m、2m深的樁基內(nèi)分別安裝了1支，塔架內(nèi)安裝了2支（分別位于塔架底部和頂部），并采用無線傳輸實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)儀器的布設(shè)如圖1。

2.2 波浪觀測(cè)儀器采用“浪龍”儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)波浪觀測(cè)，可觀測(cè)波浪的波高、周期及波向等多個(gè)波浪參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)儀器的布設(shè)如圖2。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器安裝位置

圖2 現(xiàn)場(chǎng)“浪龍”儀器布設(shè)

2.3 測(cè)風(fēng)儀器響水近海試驗(yàn)風(fēng)機(jī)東南1km位置，建有1座70m高的海上測(cè)風(fēng)塔，在70m、60m等不同高度安裝有多套測(cè)風(fēng)儀器，本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的實(shí)時(shí)風(fēng)資源數(shù)據(jù)。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

響水試驗(yàn)風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)段為2011年3月—2012年8月，同期進(jìn)行了波浪和風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，本文選擇有代表性的時(shí)段進(jìn)行詳細(xì)、重點(diǎn)分析。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，選擇代表性時(shí)間段為2012年8月1—3日（“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)）和2011年7月26日—8月7日（較大陣風(fēng)）。

3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所有振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1，代表性時(shí)間段數(shù)據(jù)如圖3。觀測(cè)期內(nèi)ZD2、ZD3、ZD4位置的最大振動(dòng)峰值加速度均出現(xiàn)在2011年7月30日和2012年8月2日，在選擇的代表性時(shí)間段；ZD4位置的各方向振動(dòng)加速度最大，ZD1位置其次，ZD3和ZD2加速度相對(duì)最小，各位置Z方向的加速度相差不大。

表1 不同監(jiān)測(cè)部位觀測(cè)期內(nèi)的最大加速度

3.2 波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)參考風(fēng)機(jī)附近區(qū)域的實(shí)測(cè)完整年海浪的平均波高和最大波高變化統(tǒng)計(jì)（如表2）、平均周期和最大周期變化統(tǒng)計(jì)（如表3），結(jié)合風(fēng)機(jī)位置實(shí)測(cè)波浪資料，2012年8月2—3日“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)位置時(shí)的1h有效波高最大達(dá)3.22m，最大峰值波高達(dá)5.38m。

3.3 實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)代表性時(shí)間段的風(fēng)速變化如圖4所示，風(fēng)速在一段時(shí)間能變化較大，具有一定的特殊性（風(fēng)速大、均方差大），分別是較大的陣風(fēng)和臺(tái)風(fēng)時(shí)刻，為海上風(fēng)機(jī)必須考慮的工況。

3.4 振動(dòng)響應(yīng)與環(huán)境動(dòng)荷載相關(guān)性2011年7月26日—8月7日代表性連續(xù)時(shí)段內(nèi)最大振動(dòng)加速度出現(xiàn)在陣風(fēng)較大時(shí)刻，此時(shí)均方差為3.4，最大振動(dòng)加速度（Gxy）為0.256g，最大波浪浪高為2.88m；風(fēng)速、均方差與塔架頂部（ZD4位置）振動(dòng)加速度存在一定的相關(guān)性，均方差較大時(shí)，振動(dòng)加速度相對(duì)較大。風(fēng)機(jī)振動(dòng)、波浪數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速、均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果圖5。

圖3 代表性時(shí)間段的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)海浪波高變化

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)海浪周期變化

圖4 不同代表性時(shí)段的相關(guān)時(shí)刻70m高度實(shí)測(cè)風(fēng)速

2011年3月—2012年8月整體觀測(cè)時(shí)段內(nèi)不同方差、風(fēng)速對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度平均值如圖6。該圖顯示，實(shí)測(cè)風(fēng)速的均方差與塔架頂部振動(dòng)加速度存在明顯的相關(guān)關(guān)系，隨著均方差的增大，風(fēng)機(jī)塔架頂部的振動(dòng)加速度也相應(yīng)增加。

圖5 峰值加速度與風(fēng)速均方差、浪高相關(guān)性

圖6 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)均方差、風(fēng)速平均值與振動(dòng)加速度的關(guān)系

4 數(shù)值模擬

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)分析，獲得了一些基本規(guī)律，但都是定性的。結(jié)合江蘇響水試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，本文建立了動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算模型，模擬了不同工況的實(shí)測(cè)風(fēng)、浪脈動(dòng)時(shí)程曲線，進(jìn)行基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，討論建立動(dòng)力模型計(jì)算分析的可靠性。

4.1 風(fēng)、浪荷載模擬采用Kaimal風(fēng)速功率譜模型，順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載直接利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的10min風(fēng)速均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）、10min平均風(fēng)速進(jìn)行模擬計(jì)算，并采用實(shí)測(cè)的10min瞬時(shí)最大風(fēng)速、最小風(fēng)速（采樣頻率：0.5Hz）進(jìn)行修正。Kaimal功率譜模型的計(jì)算公式為[6]：

式中：L、V、σu分別為湍流長(zhǎng)度、測(cè)量高度的平均風(fēng)速和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差。

采用改進(jìn)BROTSCHNEIDER譜（B-M波浪譜），隨機(jī)波浪直接利用實(shí)測(cè)的有效波高、有效周期進(jìn)行模擬計(jì)算，并用實(shí)測(cè)的最大波高進(jìn)行校正。B-M波浪譜模型的計(jì)算公式為[7]：

式中：h、ω0分別為實(shí)測(cè)有效波高和有效周期。

表4 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)附近位置“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速

表5 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)位置“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)時(shí)刻的實(shí)測(cè)波浪

圖7 2012年8月2日“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)瞬時(shí)風(fēng)荷載和隨機(jī)波浪力的模擬時(shí)程曲線

模擬計(jì)算采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)，2012年8月2日的“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過試驗(yàn)風(fēng)機(jī)位置時(shí)的實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)如表4—5所示，脈動(dòng)時(shí)程模擬計(jì)算結(jié)果如圖7。

4.2 動(dòng)力有限元模型建立本文考慮土-樁-上部結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)采用“m法”，建立模型時(shí)，具體假設(shè)樁周圍的土作為一系列非耦合的彈簧連接在樁和遠(yuǎn)場(chǎng)土之間；彈簧的材料特性可以是線彈性的，也可以是非線性的，彈簧串聯(lián)或并聯(lián)施加在樁上；樁基模擬成一系列的離散單元，來模擬樁-土共同作用。以響水2MW試驗(yàn)風(fēng)機(jī)八樁混凝土高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為例，建立動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析模型，風(fēng)機(jī)的參數(shù)如表6所示[8]。

表6 響水2MW試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的參數(shù)

模型的具體參數(shù)為：鋼管樁直徑為1.40m（壁厚22mm），樁長(zhǎng)約為66.5m，底端高程為-64.00m，頂端高程1.80m；8根樁在承臺(tái)底部沿10m直徑的圓周均勻分布，斜度為7∶1，樁頂埋入承臺(tái)深度2.0m；承臺(tái)直徑14.00m，厚度3.0～4.5m，頂高程為4.30m。

4.3 風(fēng)浪聯(lián)合作用響應(yīng)分析選擇不同代表性時(shí)刻的實(shí)測(cè)風(fēng)和波浪數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行大風(fēng)浪、中風(fēng)浪、小風(fēng)浪及臺(tái)風(fēng)風(fēng)浪等不同工況的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。具體選擇的工況如表7所示。

表7 風(fēng)浪聯(lián)合作用工況的選取

圖8 波浪工況4作用下基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)不同位置的加速度時(shí)程

風(fēng)浪工況4作用下，試驗(yàn)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)儀器不同布置位置的動(dòng)力響應(yīng)如下圖8所示，各種不同工況的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)如表8所示，ZD2、ZD3、ZD4三個(gè)位置的有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性分析如圖9所示。

表8 不同風(fēng)浪工況下的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值 （單位：m/s）

圖9 ZD2、ZD3、ZD4三個(gè)位置的有限元計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值相關(guān)性分析

由以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析可見得出如下結(jié)論。

（1）ZD1位置儀器實(shí)測(cè)結(jié)果較計(jì)算分析結(jié)果明顯偏大，實(shí)測(cè)值為計(jì)算值的5～10倍，與該儀器距離2m的ZD2實(shí)測(cè)值也相差較大，且實(shí)測(cè)結(jié)果均為這一規(guī)律，主要原因在于：ZD1儀器安裝位置為現(xiàn)場(chǎng)波面的變化區(qū)域，波浪荷載直接作用在該位置樁基上，對(duì)樁基有明顯的拍擊作用，而本文計(jì)算時(shí)按脈動(dòng)荷載輸入隨機(jī)波浪荷載，未考慮波浪拍擊樁基造成的樁基礎(chǔ)振動(dòng)；同時(shí)，距離ZD1位置2m的ZD2觀測(cè)結(jié)果明顯減小，且與計(jì)算值接近，也說明ZD1的觀測(cè)結(jié)果主要為波浪拍擊樁基儀器位置產(chǎn)生的局部振動(dòng)。

（2）風(fēng)浪荷載聯(lián)合下，上部的ZD2、ZD3、ZD4三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)相差不大（同一量級(jí)），并具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.9，動(dòng)力有限元模擬計(jì)算結(jié)果較好反映了響水試驗(yàn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系不同工況的動(dòng)力響應(yīng)。

（3）計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的差異，主要原因在于：計(jì)算分析時(shí)未考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)組自身振動(dòng)的影響，可能造成部分高頻振動(dòng)缺失；計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載直接按照水平推力系數(shù)加載，風(fēng)荷載變化與振動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)性好，但實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，偏航、啟動(dòng)等過程相對(duì)風(fēng)速瞬時(shí)變化有延遲效應(yīng)，可能造成計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大或偏小。

5 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)體系的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度與實(shí)測(cè)風(fēng)速的均方差存在明顯的相關(guān)關(guān)系，隨著均方差的增大，風(fēng)機(jī)塔架頂部的振動(dòng)加速度也相應(yīng)增加；（2）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)、波浪荷載的時(shí)程曲線模擬，動(dòng)力有限元計(jì)算結(jié)果較好反映了響水試驗(yàn)風(fēng)機(jī)不同工況的動(dòng)力響應(yīng)，可用于該區(qū)域海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系的驗(yàn)證分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可為類似工程提供參考；（3）波浪荷載對(duì)基礎(chǔ)-塔架結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)也有一定的影響，特別是樁基位置，但本文采用波浪的加載方式與實(shí)際波浪對(duì)樁基的作用存在一定的差異，有待進(jìn)一步開展波浪荷載的加載方法研究。

[1]楊鋒，邢占清，等.近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式研究[J].水利水電技術(shù)，2009，40（9）：35-38.

[2]嚴(yán)根華，古華，等.土基流固耦合條件下海上風(fēng)電場(chǎng)塔架支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性初探[J].中國(guó)工程科學(xué)，2010，12（11）：49-52.

[3]劉志強(qiáng).海上風(fēng)力發(fā)電支撐體系在環(huán)境荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[4]陳法波.海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[5]陳小波.近海風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系環(huán)境荷載及動(dòng)力響應(yīng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.

[6]王耀南，孫春順，等.用實(shí)測(cè)風(fēng)速校正的短期風(fēng)速仿真研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（11）：94-100.

[7]竺艷蓉，謝峻，等.各種波浪譜在海洋工程中適用性的研究[J].海洋學(xué)報(bào)，1995，17（6）：126-131.

[8]周建華，張金接，邢占清.超靜孔隙水壓力影響的海上風(fēng)機(jī)樁基承載力高應(yīng)變檢測(cè)方法研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012，10（1）：17-22.