海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全壽命期靜動力特性有限元分析

李 穎，喻旭明，王 濱，朱彬彬，張 杰

(1.浙江科技學院中德工程師學院，浙江杭州310023；2.中國廣核新能源控股有限公司東南分公司，浙江杭州310015；3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；4.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024)

0 引 言

我國海洋能資源十分豐富，具備開發(fā)建設(shè)海上風電的良好條件[1]，開發(fā)利用海上風能資源可以提高能源自給能力、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)“十二五”可再生能源規(guī)劃，風電將繼續(xù)獲得大力發(fā)展，規(guī)劃到2020年我國海上風電裝機3 000萬kW[2]。

海上風機多樁基礎(chǔ)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受風、風機、浪、流和地震等諸多隨機荷載作用，且受到環(huán)境腐蝕、海床沖刷、基礎(chǔ)動力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和疲勞裂紋擴展的威脅。以往的研究主要集中在基于一種或兩種控制標準開展的極端工況下單一荷載方向的結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)分析，且未考慮風機全壽命期內(nèi)力變化。另外，要保證海上風電機組的安全運行也需要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足一定的控制指標，如基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角、基頻等。因此，非常有必要開展基于多重控制標準的海上風機多樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜海洋環(huán)境荷載聯(lián)合作用下的全壽命期靜動力分析研究。

本文以江蘇某海上風電項目為依托，基于靜力分析、模態(tài)分析、地震分析等方法，研究了海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)各特定階段的靜動力性能，并分析了風機結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)復(fù)雜荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性與可靠性。

1 灌漿連接段建模理論

海上風機基礎(chǔ)的灌漿連接部分一直是當前研究的難點。當進行結(jié)構(gòu)整體靜動力響應(yīng)分析時，灌漿連接段部分的建模可以根據(jù)國內(nèi)外普遍采用的簡化方法，即將這一部分的灌漿材料、套管與樁按剛度等效處理：

(EI)等效=(E1I1)套管+(E2I2)灌漿材料+(E3I3)樁

(1)

式中，(EI)等效為結(jié)構(gòu)樁基灌漿連接段經(jīng)等效處理后的剛度；(E1I1)套管、(E2I2)灌漿材料、(E3I3)樁分別為套管、灌漿材料和樁的剛度。

表1 風機荷載

2 海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

本文所選江蘇某海上風機結(jié)構(gòu)采用三樁導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。三樁沿直徑24 m的圓周均勻分布，樁徑2.35 m，樁長61.0 m，壁厚26 mm，入土深度55 m。鋼管樁與鋼套管的環(huán)形空間內(nèi)通過高強灌漿材料連接。主筒體直徑為變直徑4.7～3.0 m，主筒體與樁頂套管之間通過上部斜撐鋼管與下部水平橫撐連接。

本文采用有限元軟件ANSYS進行計算，薄壁鋼結(jié)構(gòu)采用管單元Pipe59及二階殼單元Shell63分別進行模擬，混凝土、灌漿材料采用Solid65單元進行模擬，下部樁土相互作用采用P-y法模擬。采用P-y曲線計算時，鋼管樁與土體相互作用采用非線性彈簧單元模擬，根據(jù)地質(zhì)資料提供的土的摩擦角、不排水剪強度等參數(shù)，結(jié)合《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法—荷載抗力系數(shù)設(shè)計法》[3]中土的P-y、t-z、Q-z曲線計算方法，將其轉(zhuǎn)化為土的非線性約束彈簧。圖1為該風機結(jié)構(gòu)三樁導管架基礎(chǔ)有限元模型。

圖1 三樁導管架基礎(chǔ)有限元模型示意

2.1 靜力分析

風機的設(shè)計壽命一般為25年，綜合考慮基礎(chǔ)沖刷淘蝕、海洋生物生長、腐蝕與疲勞裂紋擴展等主要因素，將整個結(jié)構(gòu)壽命期劃分為特定的4個階段進行分析，即服役起始、服役10年、服役20年、服役期止，其結(jié)構(gòu)特點分別是①服役起始階段是海床面未發(fā)生沖刷、海洋生物未生長、鋼材未發(fā)生腐蝕及疲勞裂紋；②服役10年階段是鋼材的腐蝕及疲勞損傷相對較小，但基礎(chǔ)沖刷淘蝕及海洋生物生長均已穩(wěn)定；③服役20年階段是鋼材的腐蝕及疲勞損傷均有一定程度的累積；④服役期止階段是規(guī)范要求支撐結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性等多種指標仍需滿足一定的控制標準。

海上風機基礎(chǔ)常年受到風、波浪、海流和冰的共同作用，所受荷載條件比陸上風機更為復(fù)雜，在進行海上風機基礎(chǔ)設(shè)計時如何合理組合結(jié)構(gòu)所受載荷是關(guān)鍵?？蓪⒔M合工況分為極限工況和正常運行工況。當風機輪轂中心距離塔筒底部80 m時，作用于塔架底端的海上風機荷載值見表1，風機荷載坐標軸見圖2。

圖2 風機荷載坐標示意

圖3 海上風機結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)力和位移變化

結(jié)構(gòu)所承受的最大作用力與規(guī)范限值的比值均應(yīng)小于1，因此本文中風機結(jié)構(gòu)內(nèi)力均為最大作用力與規(guī)范允許值的比值。圖3為運行工況荷載條件下海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)力和位移變化，其中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移控制標準參考規(guī)范[4-7]。經(jīng)過查表整理，靜力工況下此風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許值、單樁抗壓承載力允許值、單樁抗拔承載力允許值、斜撐轉(zhuǎn)角允許值分別為250 MPa、14 723.3 kN、7 868.3 kN、0.004 rad。隨著風機服役年限增長，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基礎(chǔ)位移與轉(zhuǎn)角、單樁受拔最大作用力逐漸變大，單樁受壓最大作用力逐漸減小。在風機全壽命期內(nèi)，各項指標變化不大，并且滿足規(guī)范允許值要求。

2.2 模態(tài)分析

海上風機結(jié)構(gòu)承受的主要荷載是風和波浪，其具有明顯的動力特性，海上高聳的風機結(jié)構(gòu)體系在這些動力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動力特性，而這些動力效應(yīng)總是趨向于增加應(yīng)力數(shù)值并損害結(jié)構(gòu)的長期承載能力。因此，“風機-塔架-基礎(chǔ)-地基”系統(tǒng)是一個相互作用高度耦合的動力系統(tǒng)，需對結(jié)構(gòu)模型進行動力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動力特性和響應(yīng)。

本文采用有限元法對風電機組基礎(chǔ)進行模態(tài)分析，對照葉片轉(zhuǎn)動、塔筒自振頻率以及波浪頻率，以避免系統(tǒng)發(fā)生共振的可能性。通過模態(tài)分析，評價基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足海上風電機組動力特性的設(shè)計要求。頻率校核時，上部塔架采用梁單元Beam189建立，機艙、葉輪等采用質(zhì)量單元mass21模擬，以質(zhì)量塊的形式施加。

圖4為海上風機整體結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)的一階固有頻率變化，可以看出，結(jié)構(gòu)一階頻率從服役起始的0.353 33 Hz降低至服役期止的0.349 77 Hz，變化幅度不大，仍然在整機頻率允許范圍0.268～0.394 Hz內(nèi)，沒有產(chǎn)生共振的危險。隨著時間的增加，結(jié)構(gòu)剛度在持續(xù)下降，會導致海上風機在全壽命期內(nèi)具有產(chǎn)生較大塑性變形的風險，從而出現(xiàn)裂縫甚至破壞。

圖4 海上風機整體結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)的一階固有頻率變化

2.3 地震工況下內(nèi)力分析

本文根據(jù)地震相關(guān)資料，參考GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]，采用相關(guān)地震反應(yīng)譜模擬計算地震作用。地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)按1.0采用，特征周期取0.9 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，水平地震影響系數(shù)按規(guī)范要求取0.20。在計算地震工況下各振型內(nèi)力后，采用CQC方法進行振型組合，由于地震的隨機性和地震方向的不確定性，地震輸入考慮了X、Y、Z3個方向，方向組合系數(shù)取值分別為1.0、1.0、0.5。

圖5 地震工況下海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

地震工況下，此風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許值、單樁抗壓承載力允許值、單樁抗拔承載力允許值分別為312.5 MPa、18 404.2 kN和9 720.4 kN。圖5為地震工況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同時期時的內(nèi)力。結(jié)果表明，地震作用下全壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)單樁承載能力有所降低，但仍然不超過允許范圍內(nèi)。

2.4 海生物附著厚度敏感性分析

海生物生長是影響海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性能的一項重要因素，海生物的生長將改變海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和表面狀態(tài)，導致水動力荷載的增加，并改變支撐結(jié)構(gòu)的動力特性，從而影響結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和疲勞損傷。海生物生長附著范圍為海平面附近至泥面附近，生長較為迅速，生長厚度在風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建成后一年即相對穩(wěn)定。江蘇海域已建工程的海生物附著厚度一般為50 mm，此時海生物的生長保持一種動態(tài)平衡的狀態(tài)。

為保證海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全，本文對服役期止的風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海生物附著厚度的敏感性進行研究，厚度分別取50、100 mm。計算時導管架結(jié)構(gòu)海平面以下的結(jié)構(gòu)外徑分別增加50、100 mm，進行靜力分析和模態(tài)分析。圖6分別為不同海生物厚度時風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和固有頻率變化，可以看出，海生物生長對風機基礎(chǔ)影響較小，由于海生物附著，導致風機基礎(chǔ)自重增大和水動力荷載增加，使得靜力分析各項指標均有所增加。模態(tài)分析結(jié)果表明海生物生長對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振特性敏感性較低，基本不構(gòu)成影響。

圖6 不同海生物厚度時風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和固有頻率變化

3 結(jié) 論

本文對江蘇某海上風機三樁導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分別進行了靜力分析、模態(tài)分析與地震分析，得出以下結(jié)論：①靜力工況下，隨著海上風機服役年限的增長，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基礎(chǔ)變形、單樁受拔最大作用力逐漸變大，單樁受壓最大作用力、基礎(chǔ)整機頻率逐漸減??；②全壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，承載能力有所降低，但仍然可以在場區(qū)發(fā)生地震的情況下安全工作；③海生物附著導致風機基礎(chǔ)自重增大和水動力荷載增加，使得靜力分析各項指標均有所增加，但海生物生長對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振特性基本不構(gòu)成影響。

參考文獻：

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