海上風(fēng)電大尺度筒型基礎(chǔ)分艙優(yōu)化設(shè)計

丁紅巖,朱　巖

(天津大學(xué)a. 水利工程仿真與安全國家重點實驗室；b. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室；c. 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

海上風(fēng)電大尺度筒型基礎(chǔ)分艙優(yōu)化設(shè)計

丁紅巖a,b,c,朱巖c

(天津大學(xué)a. 水利工程仿真與安全國家重點實驗室；b. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室；c. 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

摘要：以世界第一臺可整體安裝的風(fēng)機結(jié)構(gòu)“CBF-3-150”為對象，通過氣浮理論和MOSES軟件分析不同分艙形式下大尺度筒型基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性參數(shù)，認為對大尺度筒型基礎(chǔ)進行分艙可以明顯提高結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性; 分艙大小會影響大尺度筒型基礎(chǔ)的初穩(wěn)性高和面積比；在內(nèi)艙半徑相同的條件下，四邊形和六邊形內(nèi)艙分艙形式較之于有相同分艙數(shù)的圓形內(nèi)艙分艙更優(yōu)；對于該大尺度筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建議采用外接圓半徑為7.5 m的正六邊形分艙形式。

關(guān)鍵詞：大尺度筒型基礎(chǔ)；分艙；MOSES；初穩(wěn)性高；面積比K；氣浮結(jié)構(gòu)

相對于單樁基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)，作為風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)的大尺度筒型基礎(chǔ)具有節(jié)省施工安裝費用、便于運輸、可重復(fù)利用的特點。因而關(guān)于氣浮筒型基礎(chǔ)的研究在國內(nèi)外也相應(yīng)成為熱點。在國外，近年來對于筒型基礎(chǔ)研究集中于筒型基礎(chǔ)在各種荷載作用下極限響應(yīng)分析[1-10]。隨著海上風(fēng)電場的整體浮運安裝施工技術(shù)的優(yōu)越性使得風(fēng)機的整體浮運及精細調(diào)平技術(shù)越來越受到關(guān)注。對于單個筒型基礎(chǔ)氣浮結(jié)構(gòu)，當其重心高于浮心，結(jié)構(gòu)就不能穩(wěn)定的漂浮。為了使單個浮筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的漂浮，可以采用將同時合并多個單筒成一個浮筒系統(tǒng)，來增加浮筒的復(fù)原能力。作為風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)的大尺度筒型基礎(chǔ)可通過分艙來達到相同的目的。合理的分艙可以提高筒型基礎(chǔ)氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性[11]，并且是有利于施工下沉[12]和精細調(diào)平的。筒型基礎(chǔ)的尺寸、分艙的尺寸和布置、拖航中的波浪條件等因素都是影響分艙的主要因素。因此，對大尺度筒型基礎(chǔ)的分艙進行優(yōu)化設(shè)計來滿足實際要求是很有必要的，然而，相關(guān)研究較少。

以世界第一臺可整體安裝的風(fēng)機結(jié)構(gòu)“CBF-3-150”為對象，通過氣浮理論研究分析不同分艙形式下大尺度筒型基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性參數(shù)，在既滿足浮運拖航穩(wěn)性又滿足拖航就位后精細調(diào)平條件下進行分艙的優(yōu)化設(shè)計。氣浮拖航過程需要考慮的最重要的問題是拖航作業(yè)的安全可靠性，拖航過程中穩(wěn)性是拖航安全性的最重要因素。為對實際拖航過程提供參考，將主要根據(jù)筒型基礎(chǔ)的完整穩(wěn)性曲線進行分艙的優(yōu)化設(shè)計及驗證。

1理論

1.1設(shè)置分艙增強氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性原理

由于單浮筒其浮穩(wěn)性無法得到保持，這時可以采用將多個單筒捆成一個整體來保持整個浮筒系統(tǒng)的浮穩(wěn)性。對單個浮筒進行分艙便是采用了這種思想，當將單筒通過在其內(nèi)部設(shè)置分艙，此時單筒便可視為由多個單筒組成的多浮筒系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)受到微小干擾后將不會散失其浮穩(wěn)性。分艙會在一定程度上增強氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性，其原理如圖1所示。

圖1　分艙抗傾示意圖

氣浮筒內(nèi)分艙后, 當結(jié)構(gòu)在干擾力作用下發(fā)生傾覆時,各艙格中的氣-水面位置將不同，氣浮力作用點也會產(chǎn)生位移，此時氣浮力和重力構(gòu)成扶正力矩, 就可使結(jié)構(gòu)保持氣浮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

1.2分艙氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性分析

對于單個氣浮筒體，設(shè)筒高為H、直徑為D，氣柱頂面中心距筒外靜水面的垂直距離為h，筒內(nèi)氣水界面距離靜水面的距離為hw，筒內(nèi)氣壓強度p和hw的關(guān)系為

(1)

式中：γ——是海水的重度；

hp0——水柱高度(海平面上的標準大氣壓力)。

單體浮筒的氣浮力Fb：

(2)

由圖1可見，浮心作用點位于氣浮筒的軸線上，距離靜水面的垂直距離為hw/2，據(jù)此可得浮心作用點B在相應(yīng)坐標系中的坐標(xb,yb,zb)。

假設(shè)氣浮單筒的總質(zhì)量力為G，該力將由N個分艙共同承擔(dān)，對應(yīng)各個分艙的水平面積設(shè)為Ai，建立整體浮態(tài)三維坐標系(OXYZ)B，取靜水平面為XOY平面，背離水面向上作為Z軸為正的正方向。設(shè)(xbi,ybi)為每個分艙艙室在水面上的截面形心坐標，進行計算可以得到氣浮筒整體結(jié)構(gòu)在位于xoy平面上的的搖擺中心點坐標(xc,yc)。

(3)

式中：N——分艙的個數(shù)，

Ai——第i個分艙的面積；

k——氣浮力折減系數(shù)；

(xbi,ybi)——第i個分艙的截面形心坐標。

同時在在靜水平面上建立新的平面坐標系x′o′y′，其原點為(xc,yc)，擾動力矩下筒型基礎(chǔ)將繞x′和y′軸搖擺?？筛鶕?jù)計算確定搖擺的穩(wěn)心半徑ρx和ρy。

(4)

式中：V——與氣浮結(jié)構(gòu)重量G相等的排水體積；

Ix——繞x軸截面慣性矩；

Iy——繞繞x軸截面慣性矩y軸截面慣性矩。

(5)

由此可以計算氣浮結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)性高ax和ay，根據(jù)初穩(wěn)性高可以初步確定氣浮體在水中受到干擾時具有的穩(wěn)定性，當ax和ay大于0時，氣浮體穩(wěn)定，ax和ay小于0時，氣浮體不穩(wěn)定。ax和ay計算公式如下。

(6)

式中：zg——氣浮結(jié)構(gòu)重心點G的坐標；

zb——氣浮結(jié)構(gòu)浮心點B的坐標。

1.3分艙氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性判斷

氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性，不能單一由初穩(wěn)性高決定，參考相應(yīng)規(guī)范，增加面積比K作為分艙氣浮結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)性的判斷條件。但由于世界各國規(guī)范對于同一種結(jié)構(gòu)關(guān)于完整穩(wěn)性各參數(shù)的要求規(guī)定值的規(guī)定并不一樣，難以選取一個具體的規(guī)范。因而參考世界各國相對主要船級社關(guān)于立柱穩(wěn)定式海上結(jié)構(gòu)物的完整穩(wěn)性的要求，見表1，并要求數(shù)值模擬計算結(jié)果滿足所有規(guī)范所規(guī)定的允許值?？偨Y(jié)各規(guī)范，分別取0.3和1.3作為初穩(wěn)性高和面積比的最小值。

(7)

A、B、C的意義參見圖2，圖中橫坐標ζ為平臺的傾斜角，縱坐標為力矩，ζ1為進水角，ζ2為第2交點角。

圖2　完整穩(wěn)性曲線

規(guī)范CCSDNVBVABS初穩(wěn)性高GM/m≥0.15≥1.0≥0.3(臨時狀態(tài))≥0.3≥0面積比K自存狀態(tài)≥1.3≥1.3≥1.3≥1.3其他狀態(tài)≥1.3≥1.3≥1.3≥1.3

2計算模型

實際結(jié)構(gòu)筒直徑為30 m, 筒高度為7.0 m，自重均為2 021 t，坐標原點取在結(jié)構(gòu)底部圓平面圓心處，重心位置均為(0,0,8.42)。圖3為各分艙形式的平面布置圖，不同半徑下的艙室布置計算組合見表2。

圖3　分艙示意

半徑/m正四邊形分艙圓形分艙(5艙)正六邊形分艙圓形分艙(7艙)15.0√×√×12.5√√√√10.0√√√√7.5√√√√5.0√√√√

注：1.內(nèi)艙室為正多邊形布置時，所述半徑為外接圓的半徑，艙室為圓形布置時，所述半徑就是圓本身的半徑；

2.表中√表示組合存在，×表示組合不存在。

3數(shù)據(jù)分析

3.1浮穩(wěn)性分析

大尺度筒型基礎(chǔ)在吃水深度4 m時，具有不同分艙形式的筒型基礎(chǔ)的初穩(wěn)性高和面積比K隨半徑變化的變化見圖4、5?？梢钥闯觯哂邢嗤獠織l件的筒型基礎(chǔ)，具有以下特點。

圖4　不同半徑下初穩(wěn)性高

圖5　不同半徑下面積比

1) 4種分艙布置形式下的結(jié)構(gòu)初穩(wěn)性高都隨著內(nèi)艙半徑的增加而降低。

2) 在相同的吃水深度下，四邊形分艙形式和六邊形分艙形式的初穩(wěn)性高都比分艙數(shù)相同的圓形分艙形式的初穩(wěn)性高。

3) 當內(nèi)艙分艙半徑小于11.61 m時，六邊形分艙形式下的初穩(wěn)性高大于四邊形分艙形式下的初穩(wěn)性高，當分艙半徑大于11.61 m時，則剛好相反。同樣，對于面積比K，此時相交點對應(yīng)半徑值為11.83。交點橫坐標值非常接近?；究梢哉J為在同一點發(fā)生轉(zhuǎn)化，表明2種穩(wěn)性參數(shù)確定氣浮結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的一致性。

4) 面積比K隨著半徑的增加而降低，變化趨勢同初穩(wěn)性高變化的趨勢基本一致。

5) 內(nèi)艙半徑從5.0 m按照2.5 m的幅度增加變化到15.0 m的過程中，四邊形分艙的K值先有1個增值為0.11，然后持續(xù)降低，降幅依次為3.21%、14.85%、36.57%。這一趨勢同樣可見于其他布置形式，5分艙數(shù)圓形分艙呈現(xiàn)為3.00%、17.45%、47.18%，六邊形分艙則為0.71%、9.01%、28.94%、63.14%，而對于7分艙數(shù)圓形分艙的降幅依次為2.64%、16.56%、46.50%。

6) 內(nèi)艙半徑從5.0 m到10.0 m變化過程中的降幅明顯的小于從10.0 m增加到15.0 m時的降幅，說明盡管內(nèi)艙半徑的降低會相對提高K值，但提高的空間有限。

7) 分別對比分析圓形分艙形式和正多邊形分艙形式的初穩(wěn)性高和K值，發(fā)現(xiàn)分艙數(shù)的增加在一定范圍內(nèi)提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且其提高值與內(nèi)艙半徑的增加呈負相關(guān)。

3.2優(yōu)化分析

通過上述比較應(yīng)優(yōu)先選用正多邊形分艙形式。因而對正多邊形分艙形式進行更深入的優(yōu)化比較，在考慮氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性的基礎(chǔ)上考慮精細調(diào)平的要求，相應(yīng)見表3。

表3　正多邊形分艙初穩(wěn)性高及邊艙面積與

注：n為正多邊形的邊數(shù)；Ai為相應(yīng)分艙形式邊艙的xy平面沿z軸的投影面積，A0為相應(yīng)分艙形式內(nèi)艙的xy平面沿z軸的投影面積。

由表3可見，隨著分艙數(shù)的增加，初穩(wěn)性高相應(yīng)增加，按表中正多邊形n值所示變化，增幅依次為19.04%、25.85%、29.26%、30.34%、32.82%、33.12%，增幅值差越來越小，說明隨著n值得增加，初穩(wěn)性高的提高有限。同時可以看出隨著n的增大，Ai/A0值相應(yīng)減小，由精細調(diào)平的施工要求可知，各分艙面積比值越接近1，精細調(diào)平越容易進行。由于n值得增大對于初穩(wěn)性高的提高在n>8之后并不明顯，故同時為滿足精細調(diào)平的施工性應(yīng)優(yōu)先選用正四邊形及正六邊形的分艙形式。

經(jīng)分析比較得到，可以確定滿足綜合施工要求的最優(yōu)分艙形式為內(nèi)艙半徑為7.5 m的正六邊形分艙。

4筒型基礎(chǔ)設(shè)計實例

為驗證選定的分艙形式的可行性，以世界第一臺可整體安裝的風(fēng)機結(jié)構(gòu)“CBF-3-150”為對象，結(jié)合氣浮理論計算及海洋浮式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Moses對具有該分艙形式的原型結(jié)構(gòu)進行完整穩(wěn)性驗證及拖航過程中的動力響應(yīng)驗證。

4.1完整穩(wěn)性驗證

筒型基礎(chǔ)數(shù)值模型的整體坐標為笛卡爾坐標系，模型的原點建立于筒型基礎(chǔ)底部圓形平面的圓心位置，x軸為拖航行駛方向，z軸背離海平面指向天空，y軸根據(jù)右手定則確定。根據(jù)實際工程，對模型基本參數(shù)進行設(shè)置，確定模型總質(zhì)量為2 021 t，質(zhì)量形心為(0,0,8.42)，結(jié)合理論計算和MOSES計算在吃水為4、4.5和5 m時的初穩(wěn)性高和完整穩(wěn)性曲線，并對大傾角穩(wěn)性衡準進行校核，見表4。

表4　初穩(wěn)性高　m

由表4可見，理論得到初穩(wěn)性高和MOSES計算得到的對應(yīng)吃水下的初穩(wěn)性高相差不大。較之于理論計算的計算結(jié)果，由MOSES計算得到的值更大，在相應(yīng)吃水下的增幅依次為1.05%、1.27%、1.21%，增幅值較小，基本可以忽略，因而可以通過MOSES對大尺度筒型基礎(chǔ)進行浮穩(wěn)性分析。

在圖6～8分別為筒型基礎(chǔ)模型在不同吃水下，筒型基礎(chǔ)橫搖角0°～30°下的風(fēng)傾力臂、復(fù)原力臂和K的完整穩(wěn)性曲線。

圖6　4.0 m吃水完整穩(wěn)性

圖7　4.5 m吃水完整穩(wěn)性

圖8　5.0 m吃水完整穩(wěn)性

可見，復(fù)原力臂曲線在不同吃水下都高于風(fēng)傾力臂曲線，說明在所示橫搖角范圍內(nèi)，筒型基礎(chǔ)均能保持穩(wěn)定不散失穩(wěn)性。雖然復(fù)原力臂值與風(fēng)傾力臂值隨著橫搖角的增加均有不同程度的減小，但是風(fēng)傾力臂的減小程度較為明顯，表現(xiàn)為面積比的值不斷增加。同時，對比圖6～8，可以發(fā)現(xiàn)各曲線在不同的吃水下變化趨勢相同，且筒型基礎(chǔ)吃水的增大使復(fù)原力臂、風(fēng)傾力臂和K相應(yīng)減小。但根據(jù)完整曲線的變化無法確定該氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性是否滿足大傾角穩(wěn)性要求。因而為綜合判斷筒型基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性需對大傾角穩(wěn)性衡準進行校核，其在不同吃水下的計算值見表5。

表5　大傾角穩(wěn)性衡準

從表5可以看出，不同吃水下穩(wěn)性恒準值均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，都大于1.4。對布置該種最優(yōu)分艙形的筒型基礎(chǔ)進行實際拖航是可行的。

4.2拖航過程中的動力響應(yīng)驗證

現(xiàn)場拖航中筒型基礎(chǔ)吃水5.0 m，現(xiàn)場風(fēng)速為15 m/s，拖航速度2 m/s，波浪條件為波高1 m，波周期7 s。采用MOSES軟件計算所得到的實際拖航中拖纜的張力以及拖航過程中的垂蕩、橫蕩和縱蕩加速度時程曲線見圖9～12。

圖9　拖纜力時程曲線

圖10　垂蕩加速度運動時程

圖11　橫蕩加速度運動時程

圖12　縱蕩加速度運動時程

由圖10可見，拖纜力呈現(xiàn)比較規(guī)則的正弦曲線變化，穩(wěn)定階段的最大拖纜力為610 kN,由圖11～12可見，垂蕩加速度運動的最大幅值發(fā)生在筒型基礎(chǔ)拖航的初始階段，為0.1 m/s2；由于初始階段波浪突然作用于基礎(chǔ)上，橫蕩加速度呈不穩(wěn)定的變化，而在拖航的穩(wěn)定階段，橫蕩加速度以0.04 m/s2的振幅垂直于拖航方向振蕩；縱蕩加速度初始階段較小，拖航穩(wěn)定階段最大加速度為0.15 m/s2，綜上所述，結(jié)構(gòu)在拖航過程中各向加速度的幅值和振蕩幅度都很小，拖航是安全的。

上述結(jié)果表明布置成半徑為7.5 m的正六邊形內(nèi)艙形式能同時滿足完整穩(wěn)性及拖航要求，并能夠夠滿足實際工程需要。

5結(jié)論

1) 分艙的形式及數(shù)量會影響大尺度筒型基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性，浮穩(wěn)性各項重要參數(shù)(初穩(wěn)性高、面積比K、穩(wěn)性衡準數(shù)和抗傾覆力矩)的值會隨著分艙內(nèi)艙半徑的增加而不斷下降。

2) 分艙數(shù)的提高會相應(yīng)增加大尺度筒型基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性，合理的分艙形式能進一步提高該基礎(chǔ)的浮穩(wěn)性。

3) 在內(nèi)艙半徑相同的條件下，圓形分艙形式的各項浮穩(wěn)性參數(shù)相對小于四邊形和六邊形分艙形式的浮穩(wěn)性參數(shù)；

4) 滿足施工安裝要求及相應(yīng)工況下拖航穩(wěn)性的要求的該大尺度筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)分艙形式為半徑為7.5 m的正六邊形內(nèi)艙形式。

參考文獻

[1] BARARI A, IBSEN L B. Undrained response of bucket foundations to moment loading[J]. Applied ocean research, 2012,36:12-21.

[2] KIM S R. Evaluation of vertical and horizontal bearing capacities of bucket foundations in clay[J]. Ocean engineering, 2012,52:75-82.

[3] YUN G J, MACONOCHIE A, OLIPHANT J, et al. Undrained capacity of surface footings subjected to combined VHT loading[C].The Nineteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2009.

[4] 別社安,時鐘民.氣浮結(jié)構(gòu)的靜浮態(tài)分析[J].中國港灣建設(shè),2000(6):18-23.

[5] 沈國光,項偉征.關(guān)于氣浮筒群結(jié)構(gòu)的靜穩(wěn)性[J].海洋工程,2002,20(1):80-83.

[6] 丁紅巖,黃旭,張浦陽,等.筒型基礎(chǔ)平臺氣浮拖航的影響因素分析[J].工程力學(xué),2012,29(10):193-198.

[7] 丁紅巖,劉建輝.筒型基礎(chǔ)海洋平臺拖航研究-波浪影響分析[J].船舶力學(xué),2009(1):19-26.

[8] 張浦陽,丁紅巖,樂叢歡,等.海上風(fēng)電大尺度復(fù)合筒型基礎(chǔ)拖航特性分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(英文版),2013,29(3):300-304.

[9] 范慶來,欒茂田.VHT荷載空間內(nèi)海上風(fēng)機桶形基礎(chǔ)破壞包絡(luò)面特性分析[J].土木工程學(xué)報,2010,43(4):113-118.

[10] 樂叢歡,丁紅巖,張浦陽.分艙板對海上風(fēng)機混凝土筒型基礎(chǔ)承載模式的影響[J].工程力學(xué),2013,30(4):429-434.

[11] 別社安,任增金,李增志.結(jié)構(gòu)氣浮的力學(xué)特性研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2004,21(1):68-71.

[12] 練繼建,陳飛,楊旭,等.海上風(fēng)機復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平[J].天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2014,47(11):987-993.

Optimal Subdivision Design of Large-scaled Bucket Foundation of the Offshore Wind Power Plant

DING Hong-yana,b,c, ZHU Yanc

(a. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety;b. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education;c. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China)

Abstract:Taking CBF-3-150, the world's first structure of wind turbines with overall installation for example, the stability parameters of large-scale bucket foundation with different styles of subdivision are studied by the air-floating theory and analytic software MOSES to get the optimal designs of subdivision. It is shown that the floating stability of large-scale bucket foundation can be significantly improved by the subdivision in the bucket; the scale of the subdivision has an impact on the meta-centric height and area ratio K, and under the condition of the radius is the same, the amplitude of quadrilateral and hexagonal subdivision are greater than that of round subdivision which have the same subdivisions. The proposed style of subdivision of this large-scaled bucket foundation is regular hexagon, the circumscribe radius of which is 7.5m.

Key words:large-scaled bucket foundation; subdivision; MOSES; meta-centric height; area ratio K; air-floating structure

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.032

收稿日期：2015-12-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51379142、51309179)

第一作者簡介：丁紅巖( 1963—)，男，博士，教授 E-mail:dhy_td@163.com

中圖分類號：U661.2；P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0140-06

修回日期：2015-12-22

研究方向:海洋結(jié)構(gòu)工程