海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

季鵬

摘要：通過(guò)對(duì)比分析海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的常用形式，發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題，研究和分析不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用條件以及施工工藝，并對(duì)海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型工作提供研究方法。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力機(jī);基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

由于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本較高，所以目前我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展較為緩慢，在眾多成本支出項(xiàng)目中，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本大約占據(jù)海上風(fēng)力機(jī)總成本的百分之二十五左右?，F(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)研究尚處于起步狀態(tài)，通過(guò)研究與分析海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探討常用的海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)海上風(fēng)力場(chǎng)的建設(shè)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)屬于一項(xiàng)十分復(fù)雜的項(xiàng)目工程，從論證到建成的過(guò)程中一般會(huì)涉及到現(xiàn)場(chǎng)勘察、設(shè)計(jì)、選型、設(shè)備的研制、采購(gòu)、設(shè)備與材料的運(yùn)輸、安裝、建設(shè)等過(guò)程，并且海上風(fēng)電場(chǎng)投入使用后還需運(yùn)行和維護(hù)，各個(gè)環(huán)節(jié)并不是相對(duì)獨(dú)立的，而是存在著緊密的聯(lián)系。其中，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在海上風(fēng)力場(chǎng)中主要發(fā)揮著支撐的作用，所消耗成本約占據(jù)海上風(fēng)力場(chǎng)總成本的約五分之一比例，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成本支出，是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本高的主要原因之一。要結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地的巖土形狀、海水深度、風(fēng)力情況、波流力等各種因素與數(shù)據(jù)值進(jìn)行風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)，實(shí)際施工建設(shè)方式也是影響成本之處的因素之一。所以要重視海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從多個(gè)角度出發(fā)控制成本支出，確保海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)質(zhì)量[1]。

海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基本類型主要分為四種，分別是重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、負(fù)壓桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型的屬性不同，且都有其配置方法與安裝方法。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)[2]。

二、海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討

（一）依照規(guī)范的設(shè)計(jì)方法

依據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的海水深度條件，結(jié)合穩(wěn)定性因素，控制強(qiáng)度和變形情況，對(duì)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺寸以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以某海上風(fēng)電場(chǎng)為例，在現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)過(guò)程中分析其底層結(jié)構(gòu)與巖性特征，選擇樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式。這一過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注塔頂?shù)淖畲笏轿灰瞥潭取俄斬Q向位移程度、承臺(tái)傾斜角等信息參數(shù)。反復(fù)計(jì)算以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤[3]。

（二）有限元整體建模方法

美國(guó)SIMULLA公司研發(fā)了一款功能強(qiáng)大的有限元軟件：ABAQUS，能夠分析非線性問(wèn)題以及線性問(wèn)題，將其應(yīng)用到海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，能有效降低工作難度。在建模過(guò)程中，結(jié)合地基、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，與吐得非線性影響，分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的受力性能及動(dòng)力特性，主要的建模過(guò)程有：土體本構(gòu)模型的構(gòu)建、樁土相互作用分析以及地基、基礎(chǔ)、塔架模型的建立等。海水底部的巖土材料主要有粒狀物體構(gòu)成，其摩擦力主要來(lái)自于顆粒之間的摩擦，在剪應(yīng)力與垂直作用力的作用下，顆粒之間發(fā)生滑移和破壞，根據(jù)摩擦發(fā)作計(jì)算顆粒之間可以承受的荷載能力。在近海地域內(nèi)建設(shè)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于該地段內(nèi)的土層基本為軟土地基，容易發(fā)生較大變形，所以在設(shè)計(jì)建模過(guò)程中，計(jì)算地基與土表面的接觸方程。研究地基、基礎(chǔ)與塔架之間的相互作用關(guān)系時(shí)，首先分析地應(yīng)力平衡，在模型中構(gòu)建與實(shí)際地應(yīng)力狀態(tài)相同的應(yīng)力狀態(tài)，然后是對(duì)樁基與土質(zhì)之間相互作用的分析，在地應(yīng)力平衡的基礎(chǔ)上，將風(fēng)機(jī)荷載、自重荷載、波浪荷載等分別計(jì)算并施加在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上。最后是建模和網(wǎng)格劃分工作。利用ABAQUS軟件準(zhǔn)確的得出受力數(shù)值、性能以及動(dòng)力特性相關(guān)要素，在建模的過(guò)程中結(jié)合不同物體之間的相互作用關(guān)系，與土的非線性影響因素，構(gòu)建接觸模型，完成風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，為以后的施工建設(shè)提供有效的保障[4]。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，并且，海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成本之處占據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)總成本的較大部分比例，所以要重視風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確的計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)之間的受力情況，并完成建模，這樣能夠?yàn)楹笃诘氖┕そㄔO(shè)提供指導(dǎo)，對(duì)于減少成本，提供建設(shè)質(zhì)量有重要的積極作用。結(jié)合海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的四種主要類型，根據(jù)施工地區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況與各方面數(shù)據(jù)信息，選擇合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工建設(shè)，利用ABAQUS軟件輔助設(shè)計(jì)和建模，提高海上風(fēng)力場(chǎng)的整體施工建設(shè)質(zhì)量。

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（作者單位：江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司）