SACS在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李文通，張 勇

國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，北京 100039

SACS在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李文通，張 勇

國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，北京 100039

目前，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大多為樁基，下部結(jié)構(gòu)大多為導(dǎo)管架型式。這種型式與海上固定平臺(tái)相同，承受的波流載荷以及海床地質(zhì)條件與海上固定平臺(tái)也相同，所以海洋工程設(shè)計(jì)軟件SACS在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。文章介紹了SACS軟件在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的建模優(yōu)勢(shì)以及分析優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用SASC設(shè)計(jì)了6MW海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)。SACS能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型文件的格式化、參數(shù)化，能夠針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理模擬特殊結(jié)構(gòu)部位；SACS能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程分析，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)載荷、波浪載荷以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷耦合疲勞分析。應(yīng)用SACS軟件進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一條高效的途徑。

海上風(fēng)機(jī)；樁基；導(dǎo)管架

目前，海上風(fēng)力發(fā)電正在蓬勃興起，海上風(fēng)力資源豐富，通常離岸10km的海上風(fēng)速要比沿岸陸上高出25%。據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所等機(jī)構(gòu)的研究，中國(guó)近海10m、20m和30m水深以內(nèi)的海域風(fēng)能資源分別約為1×108kW、3×108kW和4.9×108kW。

隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大多為樁基，下部結(jié)構(gòu)大多為導(dǎo)管架型式。這種型式與海上固定平臺(tái)相同，承受的波流載荷以及海床地質(zhì)條件與海上固定平臺(tái)也相同。由于SACS是海洋工程界廣泛應(yīng)用的、針對(duì)海上固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的專業(yè)軟件，所以SACS在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中逐步得到了應(yīng)用。但是，海上風(fēng)機(jī)承受的風(fēng)載荷要比海洋平臺(tái)復(fù)雜得多，這是SACS在海上風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用需要解決的一個(gè)新的技術(shù)問(wèn)題。

文章介紹了SACS軟件在海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的建模優(yōu)勢(shì)以及分析優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用SASC設(shè)計(jì)了6MW海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)。SACS能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型文件的格式化、參數(shù)化，能夠針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理模擬特殊結(jié)構(gòu)部位；SACS能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程分析，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)載荷、波浪載荷以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷耦合疲勞分析。應(yīng)用SACS軟件進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一條高效的途徑。

1 海上風(fēng)機(jī)組成

根據(jù)海上風(fēng)機(jī)相關(guān)規(guī)范，海上風(fēng)機(jī)主要有風(fēng)輪-機(jī)艙組件、塔架、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)和塔架共同構(gòu)成海上機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)將作用于支撐結(jié)構(gòu)上的載荷傳遞到海床中，下部結(jié)構(gòu)從海床向上延伸，連接基礎(chǔ)和塔架?；A(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受靜力的、循環(huán)的和瞬時(shí)的載荷而不使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生過(guò)大的變形和振動(dòng)。海上風(fēng)機(jī)組成如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)機(jī)部件

2 SACS在建模中的應(yīng)用

海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要由管單元和管節(jié)點(diǎn)組成，應(yīng)用SACS建立結(jié)構(gòu)模型十分方便。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、單元幾何尺寸和材料常數(shù)、約束條件以及風(fēng)、波、流載荷的定義能夠?qū)崿F(xiàn)格式化、參數(shù)化；能夠模擬海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)型式。主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 樁基和海底土壤之間的耦合關(guān)系

由于海床地質(zhì)條件的復(fù)雜性，要真實(shí)模擬海底土壤的非線性以及樁基和海底土壤之間的耦合關(guān)系十分困難。SACS應(yīng)用樁—土特性文件，包括樁側(cè)向載荷與位移關(guān)系（P-Y）曲線、軸向載荷與位移關(guān)系（t-z）曲線、樁尖承載力與位移關(guān)系（Q-Z）曲線，合理的解決了這個(gè)問(wèn)題，滿足了工程設(shè)計(jì)要求。如圖2所示。

圖2 樁-土關(guān)系

2.2 灌漿樁模擬

海上風(fēng)機(jī)樁基與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的連接一般是通過(guò)鋼樁與導(dǎo)管架腿灌漿結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)管架腿套在鋼樁上，樁與管架腿之間的環(huán)形部分灌注高強(qiáng)度連接材料。SACS應(yīng)用特定Concentric Tubular模型單元能夠很方便地模擬這種結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 灌漿樁

2.3 管節(jié)點(diǎn)偏移

SACS能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需要，自動(dòng)偏移管節(jié)點(diǎn)撐桿端部節(jié)點(diǎn)位置，一方面保證撐桿間的最小間隙，滿足施工要求；另一方面能夠使撐桿端部連接于弦桿外表面，達(dá)到模擬效果與管節(jié)點(diǎn)實(shí)際連接效果一致。

3 SACS在分析中的應(yīng)用

SASC能夠進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析、疲勞分析、地震分析、冰載荷分析、吊裝分析、運(yùn)輸分析、碰撞分析、腐蝕分析以及樁基承載能力分析等全過(guò)程分析。尤其是疲勞分析，SACS專門開發(fā)了Wind Turbine模塊，考慮了風(fēng)載荷、波浪載荷以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷的耦合效應(yīng)。

3.1 疲勞分析

針對(duì)風(fēng)載荷、波浪載荷以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷的耦合疲勞過(guò)程，SACS Wind Turbine模塊集成了SACS-BLADED聯(lián)合疲勞分析技術(shù)，比較理想地解決了這個(gè)難題。其基本原理是SACS建模后輸出模型文件，通過(guò)載荷計(jì)算軟件BLADED計(jì)算風(fēng)機(jī)載荷，然后輸出包含模型幾何信息、載荷數(shù)據(jù)和材料特性的文件；最后，集成在SACS Wind Turbine模塊中進(jìn)行樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的疲勞分析。具體分析流程如圖4所示。

圖4 疲勞分析流程

3.2 樁基承載能力分析

基于海底土壤的分層情況及土壤特性參數(shù)，SACS可以自動(dòng)分析樁基在特定貫入深度下的抗拉和抗拔能力，在保證樁基具備一定安全系數(shù)的情況下，確定樁基的貫入深度。參照相關(guān)規(guī)范，樁基承載能力安全系數(shù)最小可取1.5。

3.3 節(jié)點(diǎn)沖剪分析

海上風(fēng)機(jī)下部結(jié)構(gòu)大多為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，常年承受波浪沖擊，管節(jié)點(diǎn)是最容易發(fā)生沖剪破壞的部位。SACS除了可以分析應(yīng)力強(qiáng)度外，還具有分析管節(jié)點(diǎn)沖剪破壞的能力。沖剪能力分析對(duì)海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

3.4 二次彎矩效應(yīng)

對(duì)于海上風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由軸向壓力和支撐結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移聯(lián)合作用所產(chǎn)生力和力矩應(yīng)加以考慮，并按下式計(jì)入P-?效應(yīng)（二次彎矩效應(yīng)）。SACS能夠分析海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的P-?效應(yīng)。

?=δ/(1-P/PE)

式中：δ—結(jié)構(gòu)線彈性一階側(cè)向位移；

P—樁平均受壓載荷；

PE—樁彈性臨界力。

3.5 水動(dòng)力放大效應(yīng)

SACS能夠分析水動(dòng)力放大系數(shù)DAF。在分析海上風(fēng)機(jī)水動(dòng)力動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，水動(dòng)力放大效應(yīng)不可忽視。當(dāng)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基頻小于2.5s時(shí)，水動(dòng)力放大系數(shù)可由下式求得：

式中：ξ—阻尼比；

?—波頻與基頻的比值。

當(dāng)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基頻大于2.5s時(shí)，水動(dòng)力放大系數(shù)可由時(shí)域分析或頻域分析求得。

4 SACS應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用SACS軟件設(shè)計(jì)了某海上風(fēng)電場(chǎng)6MW海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。該海上風(fēng)電場(chǎng)水深在15m～20m之間，1年一遇波高6.2m，表層流速1m/s。

基礎(chǔ)為6樁，樁基貫入深度60m，樁圓周直徑20m，樁基與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總重約1000t。具體結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)承受的上部基本載荷見表1。

圖5 樁基和導(dǎo)管架型式

表1 上部基本載荷

應(yīng)用SACS軟件進(jìn)行了模態(tài)分析、極限強(qiáng)度分析及疲勞分析。

模態(tài)分析，風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)+導(dǎo)管架+塔筒+風(fēng)輪與機(jī)艙）1階固有頻率為0.282281Hz，風(fēng)機(jī)1P與3P旋轉(zhuǎn)頻率分別為0.118400Hz和0.355210Hz。1階固有頻率在1P與3P旋轉(zhuǎn)頻率之間10%安全裕度范圍之內(nèi)。

極限強(qiáng)度分析，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)桿件最大U.C值（U.C值=桿件實(shí)際應(yīng)力/桿件許用應(yīng)力，小于1為安全）為0.86，節(jié)點(diǎn)沖剪最大U.C值為0.883；樁基泥面處最大側(cè)向位移5.4cm，樁基承載能力安全系數(shù)為1.63。

疲勞分析，應(yīng)用SACS Wind Turbine模塊，計(jì)算了459個(gè)疲勞工況，疲勞壽命滿足20年使用要求。

5 結(jié)論

SACS軟件能夠滿足海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)建模以及設(shè)計(jì)分析的需要，尤其是在疲勞設(shè)計(jì)方面，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)載荷、波浪載荷以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷的耦合分析。應(yīng)用SACS軟件進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)樁基和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一條高效的途徑。

TK8

A

1674-6708（2015）150-0075-03