淺談導(dǎo)管架式海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

劉志偉

摘要：風(fēng)能是清潔性能源，具有可再生性以及獨(dú)特的優(yōu)越性，隨著社會(huì)和科技的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了海上風(fēng)能的開(kāi)發(fā)以及利用。在海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的背景下，我國(guó)對(duì)新型能源的需求量在不斷增加，從而促使海上風(fēng)機(jī)發(fā)展成海洋工程結(jié)構(gòu)物，目前，我國(guó)已經(jīng)建成的具有代表性的海上風(fēng)電場(chǎng)有山東的榮成項(xiàng)目、上海的東海大橋項(xiàng)目等。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架式；海上風(fēng)電；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

風(fēng)能是一種清潔性能源，具有可再生性、可利用性、長(zhǎng)期性、周期性等特點(diǎn)。風(fēng)能與煤炭、石油等化石能源的特性不同，不存在能源勘探、能源挖掘、能源加工等問(wèn)題，在其使用過(guò)程中，不會(huì)因?yàn)槭褂昧康脑黾佣鴾p少，其中風(fēng)能的應(yīng)用主要是風(fēng)力機(jī)發(fā)電，而海上風(fēng)力機(jī)會(huì)受到海洋環(huán)境以及樁基結(jié)構(gòu)的影響。

一、海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

目前，針對(duì)海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)階段，降低海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)投資是海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)和利用的關(guān)鍵，其中經(jīng)濟(jì)投資中成本占比最大的是風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本，而這部分也直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，因此，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研發(fā)成本低、可靠穩(wěn)定性高，能夠保證海上風(fēng)電場(chǎng)的順利建設(shè)[2]。在海上風(fēng)電場(chǎng)的利用和發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)對(duì)海上固定式平臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加工和衍變，形成了我國(guó)現(xiàn)有的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，根據(jù)海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的不同，以及海水深度、海水環(huán)境、建設(shè)投資的不同，可以將海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式分為以下四種：

①重力式基礎(chǔ)：是指海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需要依靠其自身的重力來(lái)維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度性，常見(jiàn)的型式是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。如圖1所示

②樁承式基礎(chǔ)

樁承式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力模式和建筑工程中傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)類似，由樁側(cè)與樁周土接觸面產(chǎn)生的法向土壓力承擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平向荷載，由樁端與土體接觸的法向力以及樁側(cè)與樁周土接觸產(chǎn)生的側(cè)向力來(lái)承載結(jié)構(gòu)的豎向荷載。樁承式基礎(chǔ)分類

按材料分：鋼管樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)；按結(jié)構(gòu)形式分：?jiǎn)螛痘A(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和群樁承臺(tái)基礎(chǔ)。如圖2所示

③浮式基礎(chǔ)：是指利用系泊或者錨桿在海底進(jìn)行位置的固定，通過(guò)三力的平衡來(lái)維持海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其中三力是指自身重力、系纜回復(fù)力、結(jié)構(gòu)浮力，并且還能夠精準(zhǔn)控制海流影響產(chǎn)生的搖晃角度。如圖3所示

二、導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一種，其概念是由海上固定式導(dǎo)管架平臺(tái)衍生而來(lái)，常見(jiàn)的型式結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)空間框架式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如桿徑小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大以及受海流波浪的影響作用小，這些結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)也使得導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在大型風(fēng)機(jī)上以及深海領(lǐng)域內(nèi)，并且逐步由導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)向深海方向發(fā)展。打入海底深層；然后，在進(jìn)行風(fēng)機(jī)的安裝，這樣可以降低海上高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)率[1]。

三、導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力分析

相關(guān)部門(mén)以及設(shè)計(jì)人員在對(duì)導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí)，要嚴(yán)格按照API規(guī)范中對(duì)樁基承載力的規(guī)定，以現(xiàn)有的土壤資料來(lái)計(jì)算出土壤相關(guān)曲線，利用SACS程序軟件來(lái)模擬樁-土的非線性作用，同時(shí)利用seainp程序軟件來(lái)校核和計(jì)算導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的靜力。此外，結(jié)合導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉降量和樁基承載力等數(shù)據(jù)，對(duì)不同工作情況下的桿件應(yīng)力、樁應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力進(jìn)行分析，根據(jù)樁基承載力的安全系數(shù)大小以及UC值的大小，來(lái)判斷導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否符合規(guī)范中的相關(guān)要求，同時(shí)還要找出導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)工況，并且危險(xiǎn)工況多分布于結(jié)構(gòu)的0°或90°的方向上，由此可知，對(duì)導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同工況進(jìn)行校核工作是非常重要的[1]。

四、導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性會(huì)受到風(fēng)浪、海流的反復(fù)作用影響，其中容易產(chǎn)生疲勞損害的部位是管節(jié)點(diǎn)，并且這個(gè)部位也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損害，因此，相關(guān)部門(mén)或者相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以利用SACS程序軟件進(jìn)行分析，注重結(jié)合導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式和海洋環(huán)境條件，來(lái)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果和P-M譜，來(lái)選擇處于不同頻率范圍內(nèi)的波浪，通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)譜分析，來(lái)得到不同角度下的結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)曲線，然后，結(jié)合波向的分布概率以及波高波周期的聯(lián)合分布概率，能夠?qū)⒉ɡ溯d荷按照實(shí)際的情況施加在風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，從而能夠在全方位波浪載荷作用下，分析該結(jié)構(gòu)的波譜疲勞損傷效應(yīng)，并且能夠在此基礎(chǔ)上，來(lái)計(jì)算出管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷度和疲勞壽命[4]。

五、結(jié)語(yǔ)

在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的創(chuàng)新背景下，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核、疲勞分析也是相關(guān)部門(mén)進(jìn)行海洋工程結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分。利用SACS程序等專業(yè)軟件，結(jié)合API規(guī)范，在了解土壤條件、海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析和疲勞分析，提高導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的安全性、可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳晶.導(dǎo)管架式海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析[D].天津大學(xué)，2014.

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[4]李煒，李華軍，鄭永明等.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2011（03）：70-76.

（作者單位：江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司）