基于系統(tǒng)振動性能的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)入土深度研究

文 | 楊曉強，黃富濤，張星波，劉勵學(xué)，郝利忠，憲凱

從上個世紀90年代起，歐洲人已經(jīng)開始著手海上風(fēng)電的研究工作，截止2013年歐洲海上風(fēng)電的裝機容量已達6500MW，在技術(shù)上已經(jīng)相對成熟。國內(nèi)的海上風(fēng)電起步較晚，目前僅建成一個真正意義上的海上風(fēng)電項目，即上海東大橋海上風(fēng)電場，經(jīng)驗積累及技術(shù)研究比較少。

海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電最大的不同在于基礎(chǔ)的不同，基礎(chǔ)成本約占整個海上風(fēng)電場投資的25%，因此降低基礎(chǔ)成本有利于提高整個風(fēng)電場的經(jīng)濟性，推動海上風(fēng)電的發(fā)展。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單、加工制造及運輸方便，適用于大批量生產(chǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲已經(jīng)為海上風(fēng)電設(shè)計、施工了將近2000臺基礎(chǔ)，其中70%為單樁基礎(chǔ)。國內(nèi)上海東大橋海上風(fēng)電項目為高樁承臺式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)現(xiàn)場作業(yè)時間長、工作量大、成本高。

目前國內(nèi)海上風(fēng)電處于起步階段，單樁基礎(chǔ)的實際設(shè)計經(jīng)驗也很少。單樁基礎(chǔ)的設(shè)計主要需要考慮以下幾個方面：確定基礎(chǔ)頂部設(shè)計高程；確定包含單樁基礎(chǔ)的風(fēng)電機組系統(tǒng)的振動頻率；確定單樁基礎(chǔ)的壁厚和外徑；確定單樁基礎(chǔ)的入土深度；單樁基礎(chǔ)的屈曲穩(wěn)定性計算；單樁基礎(chǔ)的疲勞壽命計算；單樁基礎(chǔ)的極限強度計算。

包含單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機組系統(tǒng)的振動性能是基礎(chǔ)設(shè)計中需要考慮的最關(guān)鍵因素之一，在進行基礎(chǔ)設(shè)計時首先需要確定系統(tǒng)的固有頻率，尤其是系統(tǒng)的第一階振動頻率對基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。本文對概念設(shè)計階段國內(nèi)某海上風(fēng)電場機組系統(tǒng)的振動特性進行研究，并確定了該海上風(fēng)電場4MW風(fēng)電機組單樁基礎(chǔ)的入土深度范圍，為單樁基礎(chǔ)的進一步設(shè)計提供依據(jù)。

某海上風(fēng)電項目單樁基礎(chǔ)入土深度范圍確定

海上風(fēng)電機組系統(tǒng)的激勵源主要為波浪和風(fēng)，風(fēng)作用于葉片上使葉輪旋轉(zhuǎn)，因此風(fēng)的激勵頻率轉(zhuǎn)化為葉輪的額定旋轉(zhuǎn)頻率。在進行系統(tǒng)的振動性能分析時，需要提供必要的海洋水文資料和風(fēng)電機組正常發(fā)電時葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率范圍，以避開波浪和風(fēng)的激勵。

海上風(fēng)電機組系統(tǒng)由葉輪、機艙、塔筒、單樁基礎(chǔ)等部件組成,因此在進行系統(tǒng)的振動性能分析時，需要風(fēng)電機組廠家提供反映整機質(zhì)量分布和剛度分布的必要參數(shù)。

同時由于單樁基礎(chǔ)插入到海床一定深度，海床的剛度對整個系統(tǒng)的頻率也會產(chǎn)生顯著的影響，因此在進行系統(tǒng)的振動性能分析時，需要提供風(fēng)電機組點位海床的地勘資料，考慮海床的剛度。

（一）確定避開頻率范圍

按照IEC400－3規(guī)范的要求，基礎(chǔ)設(shè)計時需要避開的波浪激勵源頻率主要為疲勞波浪載荷的頻率。根據(jù)該項目的海洋水文資料，疲勞波浪載荷的頻率主要集中在0.1HZ－0.25HZ之間，如圖1所示，其中藍色曲線為波浪載荷的頻譜曲線。

對于風(fēng)載荷的激勵頻率，由于風(fēng)驅(qū)動葉輪進行旋轉(zhuǎn)，需要避開正常發(fā)電頻率（風(fēng)電機組設(shè)計時，正常發(fā)電頻率稱為1P），此外每個葉片的掃掠頻率也需要避開，一般風(fēng)電機組有3個葉片，因此需要避開1P和3P數(shù)值。該項目的風(fēng)電機組為某整機廠家的4MW海上風(fēng)電機組，該風(fēng)電機組1P的范圍為0.114－0.21HZ，則3P的范圍為0.342－0.63HZ，如圖1中的1P、3P所示。

圖1 系統(tǒng)第一階設(shè)計頻率范圍

綜合考慮波浪和風(fēng)的激勵頻率范圍，選取該海上風(fēng)電項目包含單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機組系統(tǒng)的一階固有頻率設(shè)計值位于0.28HZ－0.32HZ之間，如圖1所示。

（二）確定風(fēng)電機組系統(tǒng)輸入?yún)?shù)

海上風(fēng)電機組的振動性能分析，需要考慮葉輪的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量，機艙的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量，塔筒的質(zhì)量分布和剛度分布，單樁基礎(chǔ)的質(zhì)量分布和剛度分布。葉輪、機艙和塔筒的參數(shù)由整機廠家提供，單樁基礎(chǔ)的參數(shù)由基礎(chǔ)設(shè)計單位提供。

在進行風(fēng)電機組系統(tǒng)振動性能分析時，葉輪和機艙可以分別作為單獨的部件考慮，分別考慮這兩個部件的質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量；也可以作為一個整體，綜合考慮葉輪和機艙的質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。這兩種不同的簡化方法對系統(tǒng)頻率的影響非常小，都能滿足工程要求。

該項目采用的風(fēng)電機組為某廠家4MW海上風(fēng)電機組，葉輪－機艙系統(tǒng)作為一個整體考慮，葉輪－機艙系統(tǒng)的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量如表1所示。

塔筒為細長筒狀結(jié)構(gòu)，為風(fēng)電機組系統(tǒng)頻率的主要影響因素，需要明確各筒節(jié)的外徑、壁厚以及法蘭重量等參數(shù)。該項目塔筒高度為80m，底部直徑為5.2m，頂部直徑為3m，總重量為280t，各段塔筒的外徑、壁厚和長度等參數(shù)由風(fēng)電機組整機廠家提供。

概念設(shè)計階段假設(shè)單樁基礎(chǔ)的外徑與塔筒底部的外徑相同，即為5.2m，假設(shè)為均勻壁厚，壁厚一般為外徑的1/100，即厚度為52mm。單樁基礎(chǔ)的長度通過過渡段頂部高程和單樁底部高程確定：過渡段頂部高程即為過渡段工作平臺的高程，工作平臺高程的設(shè)計原則是確保在海上風(fēng)電機組壽命期內(nèi)，極限波浪打不到平臺，即確保極限浪高和平臺之間有一定的高度差，該高程通過GL規(guī)范中規(guī)定了平臺地面高程的設(shè)計方法，如公式（1）所示，公式中的相關(guān)參數(shù)通過該海上風(fēng)電項目的海洋水文資料獲得；單樁基礎(chǔ)底部高程通過假定入土深度的方法獲得，對于該海上風(fēng)電項目假定入土深度為62m。

表1 葉輪-機艙參數(shù)

式中：Zplatform為工作平臺的高程

LAT為最低潮位

ΔZtide為潮汐變化范圍

ΔZsurge為涌浪變化范圍

ΔZair為工作平臺底部與極限浪高之間的距離

ξ*為極限浪高

根據(jù)所提供的海床以下80m高程的地勘資料，海床以下15m土壤極易發(fā)生液化，因此計算時不考慮這部分土壤的屬性，僅對海床以下15m－80m的土壤進行建模。地勘資料中給出了土壤的壓縮模量，粘聚力和摩擦角，根據(jù)經(jīng)驗土壤的變形模量取壓縮模量的2倍，砂性土泊松比取0.3，粘性土泊松比取0.45。

（三）風(fēng)電機組系統(tǒng)振動性能計算

風(fēng)電機組系統(tǒng)振動性能分析一般采用有限元法進行計算，有限元方法是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、風(fēng)力發(fā)電、巖土工程、工程機械、電子等工程領(lǐng)域的一種計算方法，其核心思想是將連續(xù)體離散化。現(xiàn)階段ANSYS、ABAQUS、MSC等商業(yè)有限元軟件已經(jīng)很成熟，并且在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本項目采用ANSYS有限元分析軟件進行分析計算，ANSYS軟件是在風(fēng)電行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的有限元軟件。

系統(tǒng)的振動頻率主要受結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的影響。根據(jù)風(fēng)電機組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)振動頻率分析需要考慮葉輪的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量、機艙的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量、塔筒的剛度和質(zhì)量分布、單樁基礎(chǔ)的質(zhì)量和剛度分布以及海床的剛度。

本項目根據(jù)整機廠家提供的資料，葉輪-機艙系統(tǒng)被看作一個質(zhì)量點，僅考慮質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)振動頻率的影響。采用ANSYS軟件的MASS21單元進行模擬，該單元為質(zhì)量單元，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位置即為MASS21單元的坐標位置，該單元還能夠考慮結(jié)構(gòu)相對于某個坐標系的轉(zhuǎn)動慣量。

風(fēng)電機組塔筒為細長薄壁件結(jié)構(gòu)，對整個系統(tǒng)的振動性能影響很大，需要進行詳細的建模。根據(jù)塔筒結(jié)構(gòu)的幾何特性，可以采用梁單元模擬筒體；法蘭壁厚較厚，連接處不能直接簡化成梁單元模擬，需要進行等效處理，將法蘭簡化為質(zhì)量點，連接法蘭簡化為與法蘭頸等壁厚的梁單元。梁單元利用ANSYS軟件的BEAM188單元模擬，該軟件提供了常用梁單元的截面庫，可以根據(jù)塔筒截面形狀直接定義，法蘭質(zhì)量采用MASS21單元模擬。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與塔筒類似，概念設(shè)計階段假定為均勻壁厚的筒體，采用ANSYS軟件的BEAM188單元模擬。

海床為實體結(jié)構(gòu)，土壤模型為圓柱體，土體直徑一般為10倍單樁基礎(chǔ)直徑。采用ANSYS軟件的SOLID45單元模擬，該單元為8節(jié)點實體單元模擬，材料屬性采用ANSYS軟件的D－P模型模擬。

單樁基礎(chǔ)梁單元與海床實體單元之間采用MPC184單元進行連接，該單元為多點約束單元（MPC），可用于梁單元和實體單元之間的連接。所取海床模型的底面及圓柱體側(cè)面采用位移約束，約束節(jié)點的三個方向自由度。圖2、圖3所示為ANSYS軟件中創(chuàng)建的某海上風(fēng)電機組系統(tǒng)有限元模型圖，其中單元數(shù)量為16588，節(jié)點數(shù)量為17344。

利用ANSYS軟件的模態(tài)分析功能進行計算，圖4所示為入土深度為62m時，單樁基礎(chǔ)的一階頻率及振型圖。

如前所述，該海上風(fēng)電機組系統(tǒng)允許的第一階振動頻率范圍為0.28 HZ －0.32HZ?；诩俣ū诤?、假定入土深度的風(fēng)電機組系統(tǒng)的第一階頻率為0.332HZ，該頻率數(shù)值大于允許頻率的最大值，因此需要減小系統(tǒng)的第一階振動頻率。由于風(fēng)電機組的葉輪、機艙及塔筒等參數(shù)為固定值，在這里只能通過調(diào)整單樁基礎(chǔ)參數(shù)的方法，使系統(tǒng)的固有頻率滿足設(shè)計要求。

單樁基礎(chǔ)的外徑、壁厚及入土深度等參數(shù)對系統(tǒng)的固有頻率有影響。概念設(shè)計階段單樁基礎(chǔ)為圓筒狀結(jié)構(gòu)，單樁基礎(chǔ)的外徑需要與塔筒的外徑匹配，因此外徑大小不能調(diào)整。外徑不變的情況下調(diào)整壁厚對系統(tǒng)固有頻率的影響很小，壁厚的調(diào)整一般在詳細設(shè)計階段，根據(jù)單樁基礎(chǔ)的極限強度和疲勞強度計算結(jié)果進行調(diào)整，因此現(xiàn)階段壁厚不宜調(diào)整。入土深度對系統(tǒng)固有頻率的影響比較顯著，增大入土深度提高海上風(fēng)電機組系統(tǒng)的固有頻率，減小入土深度降低系統(tǒng)的固有頻率。由于系統(tǒng)設(shè)計頻率較大，因此需要減小單樁基礎(chǔ)的入土深度，以便于調(diào)整系統(tǒng)頻率使其滿足設(shè)計要求。

將單樁基礎(chǔ)的入土深度減少2m，即為60m，進行風(fēng)電機組系統(tǒng)的固有頻率計算，第一階振動頻率為0.331HZ，仍不滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)頻率及振型如圖5所示。

將該單樁基礎(chǔ)的入土深度從60m依次遞減至32m，每遞減2m進行一次系統(tǒng)振動頻率計算，不同入土深度對應(yīng)的系統(tǒng)第一階振動頻率如表2所示。

從表2可以看出，系統(tǒng)的第一階振動頻率隨著入土深度的減小逐漸降低。入土深度介于40m－48m之間時，系統(tǒng)的第一階振動頻率滿足設(shè)計要求。為了更好的反映單樁基礎(chǔ)振動頻率隨入土深度的變化，將表1中的數(shù)據(jù)進行處理得到如圖4所示曲線。

圖2 ANSYS風(fēng)電機組系統(tǒng)模型

圖3 ANSYS風(fēng)電機組系統(tǒng)模型

圖4 入土深度為62m的系統(tǒng)頻率及振型

圖5 入土深度為60m的系統(tǒng)頻率及振型

表2 入土深度-系統(tǒng)第一階振動頻率

從圖6可以看出，入土深度從62m遞減到32m時，頻率的變化有一個明顯的拐點。當入土深度從62m遞減到46m時，隨著入土深度的減小系統(tǒng)的第一階振動頻率呈線性變化，且頻率變化較小。入土深度46m為頻率變化的明顯拐點，入土深度從46m遞減到40m時，隨著入土深度的減小系統(tǒng)的第一階振動頻率基本呈線性變化，且頻率變化較大。當入土深度從40m遞減到32m時，隨著入土深度的減小系統(tǒng)的第一階振動頻率呈拋物線性變化，且頻率變化很大。

圖6 頻率隨入土深度變化曲線

結(jié)語

國內(nèi)海上風(fēng)電處于起步階段，海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計是海上風(fēng)電場建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，迫切需要開發(fā)出適合國內(nèi)海況、海床地質(zhì)條件、加工制造及施工等條件的安全經(jīng)濟基礎(chǔ)形式。

本文就單樁基礎(chǔ)設(shè)計中的最關(guān)鍵問題系統(tǒng)振動頻率的計算進行深入探討，并計算了國內(nèi)某海上風(fēng)電場基于單樁基礎(chǔ)的風(fēng)電機組系統(tǒng)不同入土深度所對應(yīng)的第一階振動頻率，對入土深度對海上風(fēng)電機組系統(tǒng)第一階振動頻率的影響進行了深入探討，希望對單樁基礎(chǔ)的設(shè)計能有一定的幫助作用。