海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

劉建平，何江飛

（1.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710032;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

0 引言

隨著傳統(tǒng)火電行業(yè)發(fā)展的停滯，新能源的崛起必將是全球大勢(shì)所趨。火電行業(yè)的污染和煤炭資源的緊缺，使得清潔能源成為全球能源領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，特別是風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)逐漸成為清潔能源領(lǐng)域的焦點(diǎn)[1－2]。海上風(fēng)電基礎(chǔ)常用的結(jié)構(gòu)形式有高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和大直徑單樁基礎(chǔ)等。其中，大直徑單樁基礎(chǔ)[3]和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，而導(dǎo)管架基礎(chǔ)應(yīng)用相對(duì)較少，主要適合水位較深的海域。海上風(fēng)電基礎(chǔ)承受的主要荷載有基礎(chǔ)自重、風(fēng)機(jī)荷載、波浪荷載以及船舶靠泊、防撞等。其中風(fēng)機(jī)荷載為主要控制荷載，波浪荷載次之。

以下首先介紹海洋水文環(huán)境和工程地質(zhì)條件，然后通過(guò)ANSYS有限元軟件進(jìn)行高樁承臺(tái)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的數(shù)值模擬。針對(duì)樁土的相互作用，采用 p－y， t－z和 q－z曲線進(jìn)行模擬[4－7]，針對(duì)淺水區(qū)和深水區(qū)提供不同的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案，并給出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)論和工程建議。研究成果對(duì)高樁承臺(tái)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工具有一定的參考價(jià)值。

1 海洋水文及地質(zhì)情況

1.1 海洋水文

根據(jù)波浪設(shè)計(jì)專題報(bào)告可得，設(shè)計(jì)高潮位為3.30 m， 設(shè)計(jì)低潮位為－2.94 m， 極端高潮位為4.61 m（50 年一遇）， 極端低潮位為－4.08 m（50 年一遇）。50年一遇的H1%波高約為10.70 m，50年一遇對(duì)應(yīng)的波周期為 13.4～17.2 s， 此范圍內(nèi)的最大水深約為35.0 m。根據(jù)水文資料，波浪的主浪向?yàn)镹NE。海水表面流速為2.35 m/s，底部流速為1.60 m/s， 中部流速為 1.96 m/s。

1.2 地質(zhì)參數(shù)

某鉆孔的地質(zhì)參數(shù)分布如表1所示。其中，⑥－1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖大部分風(fēng)化為砂土狀，局部可見(jiàn)少量黃褐色鐵銹斑跡。⑥－2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖礦物風(fēng)化程度較高，節(jié)理裂隙較發(fā)育，碎塊、碎石狀為主，部分為短柱狀，長(zhǎng)3～10 cm，敲擊易碎。

表1 土層分布

2 高樁承臺(tái)建模計(jì)算

2.1 基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)淺水區(qū)域，水深約為16 m，工程初步設(shè)計(jì)擬采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。承臺(tái)采用現(xiàn)澆C50高性能海工混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)直徑16.0 m。承臺(tái)頂高程為 8.30 m， 底高程為 3.30 m（設(shè)計(jì)高水位）， 承臺(tái)厚度5.0 m。塔筒連接段頂標(biāo)高12.80 m，直徑5.042 m，深入承臺(tái)4.0 m。承臺(tái)立模或者采用整體鋼套箱圍堰模板后，澆筑C50高性能海工混凝土。塔筒底部法蘭盤(pán)通過(guò)超高強(qiáng)螺栓錨固于承臺(tái)內(nèi)部（設(shè)置相應(yīng)的環(huán)形墊圈，使得受力均勻并增加錨固作用），以保證上部塔筒與承臺(tái)的固端連接。

現(xiàn)階段方案采用8根直徑為2.1 m的斜樁鋼管樁，斜率為5:1，壁厚為32 mm，樁頂高程＋6.40 m， 樁端高程－58.00 m， 樁基長(zhǎng) 66.60 m（斜長(zhǎng)），根據(jù)地質(zhì)情況，選擇持力層為⑥－1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，8根鋼管樁在承臺(tái)底部沿11.2 m直徑的圓周均勻分布。鋼管樁樁芯填充C35混凝土，填充頂標(biāo)高為＋3.3 m， 填充底標(biāo)高為－45.0 m。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS計(jì)算，承臺(tái)混凝土采用實(shí)體單元SOLID95模擬，與承臺(tái)連接的塔筒連接段和管樁段用實(shí)體單元SOLID186模擬[8－9]。承臺(tái)與鋼管之間的連接采用接觸單元TARGE170和CONTA174單元模擬，接觸單元的摩擦系數(shù)取0.40。水中和泥面以下的樁身分別采用管單元PIPE59和PIPE16模擬計(jì)算，鋼管樁與土層作用分別采用彈簧COMBINE14單元和COMBINE39單元模擬，其水平向彈簧的剛度系數(shù)計(jì)算根據(jù)p－y法確定，豎向彈簧剛度系數(shù)根據(jù)t－z和 q－z曲線確定。

2.3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 樁基承載力驗(yàn)算

對(duì)樁基抗壓、抗拔進(jìn)行分析，計(jì)算得到極端工況下樁基最大下壓力為12 990 kN，最大上拔力為8 467 kN。根據(jù)規(guī)范[10]計(jì)算得到土體抗壓、抗拔承載力分別為17 316 kN和8 735 kN，故滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)ANSYS建模計(jì)算，樁基抗壓計(jì)算和抗拔計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 樁基抗壓計(jì)算結(jié)果（MPa）

圖2 樁基抗拔計(jì)算結(jié)果（MPa）

2.3.2 應(yīng)力驗(yàn)算

對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，承臺(tái)混凝土除局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力超限外，最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)在承臺(tái)上表面基礎(chǔ)環(huán)附近，最大拉應(yīng)力為13.7 MPa，最大壓應(yīng)力27.6 MPa。由于文中建模暫未考慮承臺(tái)內(nèi)的鋼筋作用，后續(xù)可通過(guò)配筋計(jì)算，增設(shè)鋼筋，確?；炷脸信_(tái)不會(huì)發(fā)生拉壓破壞。樁身最大等效主應(yīng)力為124 MPa，滿足規(guī)范[10]要求。經(jīng)過(guò)ANSYS建模計(jì)算，承臺(tái)拉應(yīng)力和樁身Mises應(yīng)力見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 承臺(tái)拉應(yīng)力結(jié)果（MPa）

圖4 樁身Mises應(yīng)力（MPa）

2.3.3 變形驗(yàn)算

對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計(jì)算，得到基礎(chǔ)頂最大水平位移為25.0 mm，基礎(chǔ)頂最大轉(zhuǎn)角為2.2‰，樁基泥面最大水平位移為6.8 mm，樁基泥面最大轉(zhuǎn)角為1.7‰，最大沉降量為9.6 mm，均滿足規(guī)范[10]要求。經(jīng)過(guò)ANSYS建模計(jì)算，基礎(chǔ)變形和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 基礎(chǔ)變形（m）

圖6 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角（rad）

2.3.4 模態(tài)分析

對(duì)葉片＋輪轂＋機(jī)艙＋塔架＋基礎(chǔ)＋地基系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，獲得了風(fēng)機(jī)整機(jī)頻率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其一階自振頻率為0.34 Hz，滿足廠家0.31～0.36 Hz的設(shè)計(jì)要求。 經(jīng)過(guò) ANSYS 建模計(jì)算，整機(jī)第一階振型和整機(jī)第三階振型見(jiàn)圖7、圖8。

2.3.5 計(jì)算小結(jié)

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明，除承臺(tái)混凝土拉壓應(yīng)力外，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算均滿足規(guī)范要求，但這可以通過(guò)承臺(tái)配筋、加強(qiáng)過(guò)渡段和鋼樁樁頂連接等相關(guān)手段予以解決。

3 導(dǎo)管架建模計(jì)算

3.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

圖7 整機(jī)第一階振型（Hz）

圖8 整機(jī)第三階振型（Hz）

表2 高樁承臺(tái)計(jì)算結(jié)果

深水區(qū)域水深約40 m，工程初步設(shè)計(jì)采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。初擬定四樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式為：由4根雙斜豎向主導(dǎo)管和3層斜撐導(dǎo)管組成，均采用圓形鋼管焊接而成，斜撐導(dǎo)管均為X型連接形式。導(dǎo)管架頂部為過(guò)渡轉(zhuǎn)換段，過(guò)渡轉(zhuǎn)換段連接導(dǎo)管架與風(fēng)機(jī)塔筒，過(guò)渡段由豎向主鋼管、主斜撐導(dǎo)管和水平聯(lián)系桿件、甲板組成。導(dǎo)管架4根主導(dǎo)管底端設(shè)置下伸腿柱，下伸腿柱插入鋼管樁內(nèi)，通過(guò)灌漿形式與樁基相連接。

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的水平受力較大，為了增強(qiáng)導(dǎo)管架的整體水平剛度，導(dǎo)管架初步考慮主導(dǎo)管采用雙斜布置方式，斜率約8:1，導(dǎo)管架頂部尺寸為 14.0 m×14.0 m， 底部尺寸為 26.0 m×26.0 m，主導(dǎo)管直徑1.6 m，管壁厚度32 mm，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)，管壁厚度40 mm。導(dǎo)管架4個(gè)側(cè)面的斜撐導(dǎo)管直徑為0.9 m，管壁厚度25 mm。導(dǎo)管架底部設(shè)置下伸腿柱，下伸腿柱與導(dǎo)管架之間通過(guò)焊接鋼板進(jìn)行連接，下伸腿柱外直徑2.5 m，管壁厚度50 mm，導(dǎo)管架材料為DH36鋼材[11]。

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，風(fēng)機(jī)塔筒部分采用pipe16管單元，過(guò)渡段、斜撐以及平臺(tái)甲板均采用shell43殼單元模擬，平臺(tái)梁采用beam4單元，導(dǎo)管架水面以上采用pipe16單元，水面以下采用pipe59單元，樁采用pipe16單元，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及法蘭、附屬構(gòu)件的質(zhì)量采用mass21單元施加。樁周圍土的約束力采用彈簧單元COMBINE39施加。

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性能夠反映出結(jié)構(gòu)的剛度分布，故針對(duì)該四樁導(dǎo)管架進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性分析，得到導(dǎo)管架的前十階自振周期如圖9所示，其中導(dǎo)管架的前三階振型模態(tài)如圖10—12所示。利用ANSYS有限元軟件建立整體模型分析，得到導(dǎo)管架前三階自振頻率分別為 0.3 728 Hz，0.372 9 Hz和1.062 7 Hz，第一階和第二階模態(tài)均為X方向的振型，第三階振型為X—Y方向振型；從導(dǎo)管架的自振模態(tài)分析可以看出導(dǎo)管架的剛度很大，而且分布均勻。由于風(fēng)電機(jī)組葉輪、機(jī)組和塔架等上部結(jié)構(gòu)一般為廠家的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此一般只能通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)的剛度使得風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的自振頻率避開(kāi)1P和3P頻率以免發(fā)生共振。目前風(fēng)機(jī)廠家要求整機(jī)頻率控制在 0.31～0.36 Hz， 而該導(dǎo)管架的剛度偏大，頻率偏高，需要與風(fēng)機(jī)廠家聯(lián)合設(shè)計(jì)，通過(guò)降低基礎(chǔ)剛度或者降低風(fēng)機(jī)塔筒剛度來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，將整機(jī)頻率控制在 0.31～0.36 Hz， 避免發(fā)生共振導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 風(fēng)機(jī)荷載下結(jié)構(gòu)受力分析

西門子 SWT－4.0－130 風(fēng)機(jī)的輪轂高度為89.5 m，根據(jù)廠家資料，極端條件下風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的豎向力為4 550 kN，水平力為2 090 kN，彎矩為169 600 kN·m，扭矩為 10 920 kN·m，在風(fēng)機(jī)極限荷載條件下對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行建模計(jì)算。

圖9 導(dǎo)管架前十階自振頻率

圖10 第一階模態(tài)（Hz）

圖11 第二階模態(tài)（Hz）

利用ANSYS軟件建立整體模型，分析得到導(dǎo)管架基礎(chǔ)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖13所示。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機(jī)極端荷載下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大豎向位移可達(dá)9.92 mm，導(dǎo)管架最大水平位移可達(dá)92.0 mm，水平傾角約為3.65‰。根據(jù)規(guī)范要求[12]，最大豎向位移允許值為100 mm，最大水平傾角為5.0‰。經(jīng)計(jì)算，該導(dǎo)管架剛度計(jì)算滿足規(guī)范要求。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機(jī)極端荷載下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)加勁環(huán)上局部最大應(yīng)力達(dá)到276 MPa，經(jīng)計(jì)算，該導(dǎo)管架強(qiáng)度計(jì)算滿足規(guī)范要求[13]。從應(yīng)力云圖上可以看出，在支撐管和過(guò)渡段，加勁板與過(guò)渡段相交處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此后續(xù)需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。

圖12 第三階模態(tài)（Hz）

圖13 風(fēng)機(jī)荷載下等效位移云圖立面圖（m）

圖13 風(fēng)機(jī)荷載下等效位移云圖立面圖（m）

3.3 波浪荷載下結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)波浪設(shè)計(jì)專題報(bào)告，可得到C區(qū)深水區(qū)域，50年一遇的H1%波高約為10.7 m，50年一遇對(duì)應(yīng)的波周期為 13.4～17.2 s， 此范圍內(nèi)的最大水深約為35.0 m，選擇STOKES 5階波作為波函數(shù)。根據(jù)水文資料，波浪的主浪向?yàn)镹NE，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模，首先進(jìn)行最不利相位角的搜索，得出最不利的相位角。然后在最不利相位角下計(jì)算結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)荷載和波浪荷載下的應(yīng)力分布和位移分布，暫取波的周期T=13.4 s進(jìn)行初步計(jì)算。

利用ANSYS軟件建立整體模型進(jìn)行分析，得到當(dāng)波浪角取45°時(shí)，不同相位角下結(jié)構(gòu)底部的反力分布見(jiàn)圖14。從圖中可以看出，當(dāng)波浪相位角為58°時(shí)，結(jié)構(gòu)底部的反力總和達(dá)到最大值2 375.5 kN。因此，經(jīng)過(guò)不同相位角的搜索計(jì)算，可知當(dāng)波浪角為45°時(shí)，其波浪相位角為58°時(shí)，結(jié)構(gòu)在波浪荷載下受力最為不利。圖15—16表示相位角為58°時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力等效云圖和位移等效云圖，從圖中可以看出，在此相位角下，結(jié)構(gòu)的最大水平位移可達(dá)到5.1 cm，最大應(yīng)力可達(dá)到85.3 MPa。波浪荷載和風(fēng)機(jī)荷載計(jì)算完畢后，需按照規(guī)范[13]要求進(jìn)行組合，得到組合工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。

圖14 不同相位角下風(fēng)機(jī)反力分布

圖15 相位角58°下結(jié)構(gòu)等效位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

圖16 相位角58°下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

結(jié)合某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，針對(duì)淺水區(qū)域，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)采用8根鋼管斜樁和圓形混凝土承臺(tái)方案，經(jīng)計(jì)算其頻率滿足風(fēng)機(jī)廠家要求，該高樁承臺(tái)基礎(chǔ)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求，方案安全合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；針對(duì)深水區(qū)域，初步設(shè)計(jì)階段建議采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，在風(fēng)機(jī)荷載和波浪荷載下導(dǎo)管架的位移和應(yīng)力計(jì)算滿足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)2種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的計(jì)算分析，為海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工提供了理論依據(jù)和參考資料。

鑒于工程部分區(qū)域的地質(zhì)情況為基巖面較淺，覆蓋層較薄，基巖巖性較好，因此大直徑單樁嵌巖基礎(chǔ)是否能作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)將是下一步研究的重點(diǎn)。大直徑單樁基礎(chǔ)相對(duì)于高樁承臺(tái)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)，具有加工簡(jiǎn)單、施工周期短、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。接下來(lái)將對(duì)大直徑單樁嵌巖基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值分析，將其與高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比，得出最優(yōu)的基礎(chǔ)型式，為此工程后續(xù)施工提供計(jì)算資料。