海上風電機組單樁支撐結構和基礎設計研究

曹春潼

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇南通 226007）

0 引言

隨著國內海上風電行業(yè)的發(fā)展，各種不同形式的支撐結構被應用于海上風電機組的下部基礎上[1]。根據目前的項目實施經驗，單樁基礎被認為是近海風電機組眾多支撐結構型式中非常具有競爭力的一種。單樁支撐結構型式簡單、用鋼量較少，其可將風電機組載荷和環(huán)境載荷直接通過鋼管樁傳遞到土壤基礎中，使載荷傳遞更加明確，且避免了多根桿件連接造成的復雜節(jié)點和疲勞問題。此外，隨著海上打樁技術的發(fā)展，取消過渡段的直接海上打樁安裝方式縮短了單樁支撐結構形式風機的海上安裝工期。這些優(yōu)勢都體現出了單樁支撐結構的經濟性。

但是，隨著海上風場向更深的水域拓展，同時上部風力發(fā)電機的規(guī)模越來越大，這些都給單樁支撐結構的設計帶來很多困難和挑戰(zhàn)。單樁支撐結構冗余度較多樁承臺和三腳架結構要差，而且結構剛度更易落在風電機組運行的1P和3P頻率之間，也就是引起支撐結構和風電機組的共振頻率。此外，單樁支撐結構的樁基礎多采用大直徑鋼管樁，使用目前的工程做法，樁土相互作用存在較大誤差[2]。因此，有必要對單樁支撐結構樁基型式的設計和分析方法進行進一步的研究，以應對單樁支撐結構應用于更深水域及上部風電機組更重的場合

本文以某海上4 MW風電機組的單樁支撐結構和基礎設計為例，探討了單樁支撐結構的設計分析方法。

1 單樁支撐結構及基礎設計

單樁基礎由焊接鋼管組成，樁與塔筒之間的連接可以是焊接法蘭連接，也可以是套管法蘭連接[1]。在設計階段，需要對支撐結構可能遭受的各種載荷工況進行極限強度分析、動力特性分析、連接疲勞強度分析和地震極限強度分析等，需要對樁基礎進行地基承載力分析和樁強度分析等。

1.1 載荷分析

風電機組載荷是支撐結構及樁基礎承受的最主要的載荷，這是海上風電機組結構設計同其他海上固定結構物（如導管架平臺）的最主要區(qū)別之一。海上風機支撐結構設計屬于海洋工程領域，而風機載荷計算屬于風機設計領域，應由專業(yè)軟件（如GH Bladed）計算。海洋結構工程師所關心的只是支撐結構塔筒頂部截面或者塔筒底部基準法蘭面的載荷，這些數據一般由海上風機制造商提供。廠商則會參照所選取的規(guī)范，計算一些工況下的極限載荷，其中包括極端工況、正常運行工況、疲勞工況和地震工況。有關文獻的研究分析表明[3]：疲勞工況是海上三腳架形式的風電機組支撐結構設計的控制工況。單樁風電機組支撐結構由于結構載荷傳遞的優(yōu)勢，其結構疲勞損傷預期明顯較小，但仍需得到足夠的重視。疲勞載荷包括風電機組在役期間的循環(huán)載荷和海洋環(huán)境（主要是波浪）作用在單樁支撐結構上的循環(huán)載荷。

由于海上風電機組處于海洋環(huán)境中，會受到風、波浪、海流載荷，海洋環(huán)境載荷可以按照海洋工程規(guī)范和標準進行計算[2]。在分析海上風機支撐結構的結構強度（尤其是極限狀態(tài)強度）時，載荷組合是一個非常重要的考慮因素。一些規(guī)范給出了極限狀態(tài)下載荷組合原則，如IEC61400-3、DNV-OS-J101 Sec.4 F700[4]等。

1.2 動力特性分析

海上風電機組支撐結構塔筒細長、高聳，且風電機組處于塔筒頂部。單樁結構剛度較小、柔性較大，導致風電機組-支撐結構-樁基礎整體剛度小，其自振周期和動態(tài)位移都會顯著增大。如此，一來易與波浪某些頻率發(fā)生共振，動力放大效應明顯，使結構響應增大；二來動態(tài)位移明顯增大，不能滿足風電機組的工作限制要求。因此，動力特性分析是海上風電機組支撐結構和樁基礎設計的重要分析內容[3]。雖然塔筒設計也是影響動力特性的重要因素，但由于其一般由風機制造商負責設計，因而不在本文研究范圍內。

1.2.1 樁土約束對動力特性的影響

大量的工程實踐和研究表明：海底土層對樁約束會對風電機組-支撐結構-樁基礎系統(tǒng)的動力特性產生非常大的影響。

在分析單樁支撐結構的動力特性時，樁-土系統(tǒng)一般被模擬為梁-彈簧系統(tǒng)。海底土層中的單樁基礎使用各向同性的梁理論處理，而土壤剛度則使用帶有剛度的彈簧模擬[5]。其中，分析側向剛度彈簧對動力特性的影響最為重要。對于側向剛度的計算，業(yè)界最常用的做法是使用海上結構物設計規(guī)范API RP 2A-WSD[6]中的p-y方法，這種方法一般用于0.6 m～2.0 m直徑的細長入泥樁，而單樁風電機組支撐結構的樁直徑一般在4.0 m到6.0 m之間，對此，歐洲一些研究人員做了很多研究，如Jens Wiemann[7]利用彎曲微分方程方法研究了樁徑對土壤-樁剛度的影響，K. Lesny[8]研究了大直徑單樁在側向載荷作用下的表現[2]。

1.2.2 沖刷對動力特性影響

海上風電場的樁基位于海岸附近，潮汐變化及海流導致樁基土層時而高于水面，時而低于水面。這種海水的循環(huán)波動會在樁基附近造成較大的侵蝕作用，導致樁基附近的土壤被沖刷，從而影響地基軸向承載力和表層土壤的側向承載能力，進而影響整個風電機組-支撐結構-樁基礎的動力特性。

設計階段，可行的做法是假設一定的沖涮深度，國內外已經有很多這方面的研究，許多規(guī)范中也對沖涮深度給出了建議值，該深度一般被假定為 1.3倍到2.5倍的樁基礎直徑。

本文根據目標工程單樁基礎的結構，假定了不同沖刷深度，采用將樁基附近的表層土壤剛度移除的辦法來模擬樁基附近土壤的沖刷效應，從而研究該深度對整個支撐結構動力特性（自振周期）的影響。

1.3 疲勞極限狀態(tài)

疲勞工況是海上風機支撐結構設計中一個非常重要的工況，其往往是是支撐結構的控制工況，因此在設計中必須加以重視。

在進行海上風機支撐結構疲勞分析時，不能只考慮波浪載荷的作用，還必須考慮風機機組荷載對結構造成的影響，這就要求把風機機組、葉片和支撐結構作為一個整體來計算動力響應和疲勞損傷。然而，想要建立風機機組、葉片和支撐結構的整體模型是不現實的，一是因為商業(yè)保密問題，二是因為整體時域分析的計算工作量巨大，對于設計階段的定型和修改來說都不現實。

現在普遍的做法是提取上部發(fā)電機組的循環(huán)載荷，在支撐結構分析中加以考慮。實際工程中，可建立合適的專業(yè)數據接口，并采用合理的計算方法對風機疲勞載荷和波浪疲勞載荷進行耦合。

風電機組的巨大葉片會在與風的相互作用過程中產生很大的阻尼，即氣動阻尼。在發(fā)電工況下，當風電機組連同葉片向前擺動時（逆風向），葉與空氣的相對風速增加，增大了塔頂載荷，從而減小了風電機組的運動。當風電機組連同葉片向后擺動時，情況正好相反，塔頂的載荷減小，風電機組的運動同樣也會減少。可以看出：氣動阻尼只對由塔頂載荷引起的結構的整體擺動有影響。目前的結構動力分析采用的是模態(tài)疊加法，所以在計算中應考慮氣動阻尼對結構整體擺動模態(tài)的影響。

單樁支撐結構具有柔性大的特點，在計算循環(huán)載荷效應即循環(huán)應力幅時，由于支撐結構的動力效應顯著，所以應將應力幅值納入考慮范圍之內。

2 工程實例

2.1 項目概況

本文以某風電場單樁支撐結構設計為例進行相關計算。該單樁支撐結構使用長57 m的圓筒形結構，其材料為屈服強度為355 MPa的鋼；樁基頂部直徑5 m；樁基入泥深度46 m；風電機組為4 MW機型；風電場場址最大水深5.6 m；下部土壤以砂土質為主。

2.2 風電機組-支撐結構-樁基礎系統(tǒng)建模

本文使用 ABAQUS有限元軟件對風電機組-支撐結構-樁基礎系統(tǒng)撐結構進行有限元建模。單樁風機支撐結構系統(tǒng)的模型一般需要考慮3個方面：1）風電機組和風機葉片的質量模型；2）支撐結構的有限元模型；3）下部樁基礎及其周圍土壤的約束和相互作用模型。

在單樁基礎結構的設計中，樁-土壤相互作用模型對結構設計和計算分析影響最為顯著。分析計算地基的承載力和結構系統(tǒng)的詳細動力特性時，需要考慮計算效率和工程計算能夠接受的精度等因素，因此，本次設計分析使用了3種樁-土壤模型：1）將樁基周圍的土體建立實體模型，以建立土體對樁基的約束；2）將土體約束簡化為非線性彈簧；3）加入上部塔筒和風機的等效彈簧約束模型，以計算自振頻率。

風機、塔筒及樁基的坐標系示意圖及有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 風機、塔筒及樁基坐標系關系示意圖

圖2 風機、塔筒及樁基有限元模型

2.3 最終極限狀態(tài)分析

最終極限狀態(tài)對應支撐結構的最大承載抗力。針對單樁支撐結構及基礎的失效模式，需要分析校核支撐結構強度和穩(wěn)定性、樁基礎結構強度和承載力以及支撐結構位移。最終極限狀態(tài)分析結果見表1。

表1 最終極限狀態(tài)分析結果表

2.4 風電機組-支撐結構-樁基礎動力特性分析

本文共進行了 3種不同約束情況的模態(tài)分析，如圖3所示，圖3a）為只有塔筒及風機部分的模型，在塔筒底部設置固定約束；圖3b）為添加樁基之后，只做底部約束；圖3c）為將土壤約束簡化為非線性彈簧約束。

圖3 不同約束的模型示意圖

經計算，圖3中3種約束前10階自振頻率如表2所示。

從表2可以看出：約束a）的頻率最大，約束c）其次，約束b）的頻率最小。這是因為約束a）可以等效為以下情況：在塔筒與樁基相連接的模型中，將樁基部分全部做固定約束。所以，在同等長度的模型下，a）的約束最強，因此頻率最大；約束 b）如同在樁基除底端部分外其余全無約束，因此約束最弱，頻率最??；約束c）在樁基海床面以下用非線性彈簧約束，其約束力介于固定約束和無約束之間，因此其頻率也處于兩者之間。

表2 樁基各約束情況下前10階自振頻率（Hz）

使用假定沖刷深度的方式來計算沖刷效應對自振頻率和陣型的影響。將樁基附近的表層土壤移除來模擬樁基附近土壤的沖刷效應。在本算例中，分別模擬沖刷深度為0.5倍樁身直徑、1倍直徑及1.5倍直徑。前10階自振頻率如表3所示。

從表 3可以看出：法蘭面固定約束為最強約束，其值為自振頻率的上限值；僅樁端固定約束為最弱約束，其值為自振頻率的下限值；其余以非線性彈簧約束的模型其自振頻率均在這二者之間；隨著沖刷深度增加，土壤對樁基的約束作用逐漸變弱，因此風機的自振頻率逐漸減小。

2.5 疲勞極限狀態(tài)

算例單獨計算波浪、風作用在支撐結構上的循環(huán)載荷損傷及風電機組循環(huán)載荷疲勞損傷，之后線性疊加疲勞損傷，計算支撐結構總損傷。風電機組生產商根據 IEC61400-3[8]規(guī)定的工況統(tǒng)計出壽命期內（一般為20年）風電機組應力幅值和相應的循環(huán)次數，并給出塔筒頂部截面或者支撐結構法蘭面處的應力幅值和相應的循環(huán)次數。支撐結構設計者根據該數據選用適當的 S-N曲線，計算出單樁結構薄弱環(huán)節(jié)，如變截面的累積疲勞損傷。

本算例中計算的4 MW風電機組疲勞累積損傷見表4。

表3 樁基各沖刷深度下前10階自振頻率對比表（Hz）

表4 樁基ZK02疲勞壽命

波浪對支撐結構造成的疲勞損傷采用譜分析方法，某一波浪海況下的熱點應力頻率傳遞函數和響應譜如圖4所示。

圖4 波浪頻率傳遞函數及響應譜

計算得到單樁支撐結構薄弱環(huán)節(jié)，選取風電機組造成疲勞損傷最大的支撐結構變截面處焊縫，計算波浪載荷累積疲勞損傷為0.06。

從上述結果可以看出：對于近海地區(qū)水深較淺的單樁風電機組支撐結構而言，波浪作用在結構上的循環(huán)載荷造成的疲勞損傷遠小于由上部風電機組循環(huán)載荷造成的損傷，風電機組循環(huán)載荷造成的損傷是結構疲勞破壞的主要原因。

3 結論與展望

本文在總結當前國內海上風電機組單樁支撐結構設計經驗和國內外規(guī)范推薦做法的基礎上，結合單樁支撐結構設計分析中的遇到的典型問題，論述了單樁支撐結構及樁基礎設計中的關鍵和難點。

1）單樁支撐結構設計中，在前期應該對場址土壤條件進行盡可能詳細的勘查，減少土壤地質條件采樣不確定性對設計的不利影響。

2）在前期設計階段，應對土壤剛度敏感性進行分析，以便設計和優(yōu)化結構尺寸（直徑、壁厚）等參數，并調整入泥深度，以達到既能避開風電機組激勵頻率，又能使支撐結構經濟合理的目的。

3）對于近海地區(qū)水深較淺的單樁風電機組支撐結構而言，風電機組循環(huán)載荷造成的損傷是結構疲勞破壞的主要原因。但是隨著應用水深的增加及波浪海況條件的提高，波浪循環(huán)載荷造成的疲勞載荷有可能顯著增加，并且結構對波浪循環(huán)載荷的動力效應也會變得顯著。

4）隨著未來單樁支撐結構在國內應用水深的不斷增加，應確保風電機組循環(huán)載荷統(tǒng)計方法的合理性，并注意循環(huán)載荷幅值計算時的結構動力放大效應。

5）文章在計算支撐結構疲勞循環(huán)載荷時，采用了單獨計算不同種類（風電機組、波浪）載荷疲勞損傷，而后進行線性累積的方式，對波浪循環(huán)載荷在疲勞損傷中占比非常小的項目有適用性。但是隨著應用水深的增加及波浪海況條件的提高，波浪載荷同上部風電機組載荷共同作用的問題將會變得越來越顯著，還需要在今后的研究工作中繼續(xù)研究其聯合概率分布、疲勞載荷聯合方法及耦合方式。