海上風電機組單樁支撐結構和基礎設計分析

摘? 要：單樁基礎是海上風電機組中的重要結構，單樁支撐結構基礎會對海上風電機組的應用造成直接影響?；诖?，該文從單樁基礎的特點入手，針對單樁支撐鋼結構基礎設計進行詳細分析，在對單樁基礎特的特點進行了詳細闡述基礎上，再對海上風電機中單樁支撐結構基礎設計進行了詳細分析，希望文中內容可以對海上風電機組質量的提高，以及相關工作人員能夠有所幫助。

關鍵詞：海上風電? 單樁基礎? 機組? 基礎設計

中圖分類號：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（c）-0035-03

Design and Analysis of Single Pile Supporting Structure and Foundation of Offshore Wind Turbine

GAO Haiyan

（China Energy Construction Group Guangxi Electric Power Design and Research Institute， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China）

Abstract： Single pile foundation is an important structure of offshore wind turbine， and single pile supporting structure foundation will directly affect the application of offshore wind turbine. Based on this， starting from the characteristics of single pile foundation， this paper analyzes the design of single pile supported steel structure foundation in detail. Based on the detailed description of the characteristics of single pile foundation， the design of single pile support structure foundation in offshore wind turbine is analyzed in detail. It is hoped that the content of this paper can improve the quality of offshore wind turbine and relevant staff can help.

Key Words： Offshore wind power; Single pile foundation; Unit; Foundation design

海上風電機組中采用的支撐結構有很多種，而單樁基礎是其中應用最廣泛的一種基礎結構形式，該結構在具體應用期間具有用鋼量少、支撐結構形式簡單等特點，這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)施工方便及經濟性兩方面。

1? 單樁基礎的特點

海上風電機組是由大直徑鋼管構成，是現(xiàn)階段海上風力發(fā)電機組中最常用的一項基礎結構，其重量主要集中在150～400 t，適合應用在淺水或中等水域，并且土相對較好的海上風電場項目，這種基礎類型的項目目前已經得到了廣泛應用，并且從實際應用情況來看也取得了不錯的應用效果。單樁基礎在海上風電機組中應用的優(yōu)點就是安裝簡單，而且不需要進行海床準備[1]。但是，該方式在應用期間也存在一定缺點，主要是移動困難，而且大直徑要在特殊打樁船開展海上作業(yè)，若安裝地點海床是巖石，這會提高鉆孔費用[2]。雖然單樁基礎應用期間存在一定缺點，但不能掩蓋其在應用期間存在的優(yōu)點，因此，可以在海上風電機機組中對其進行應用，為了確保其作用能夠得到合理發(fā)揮，要加強支撐結構和基礎分析。

2? 海上風電機中單樁支撐結構基礎設計

2.1 分析荷載

風電機組載荷是樁基礎承受機支撐結構的關鍵載荷。海上風機支撐結構設計是海洋工程領域中一項重要內容，而風機載荷計算式風機設計領域中一項重要內容，在實際設計期間，為了保證設計的合理性，要采用專業(yè)軟件對風機荷載情況進行計算。海洋結構工程師在實際作業(yè)期間，只關心支撐結構塔筒頂部截面，塔筒底部基準法蘭面載荷，這些數據內容通產都由海上風機制造商提供[3]。廠商依據選取規(guī)范，對特殊工況下的極限荷載值進行計算，主要包括極端、正常運行、地震、疲勞等不同類工況。單樁風電機組支撐結構在實際應用具有結構荷載傳遞的優(yōu)勢，其在應用期間，結構疲勞損傷預期明顯小，但該項內容也要引起相關人員重視。

海上風機電阻與陸地機組相比不同，前者長期處于海洋環(huán)境中，經常會受到大風、海流等各項因素影響，海洋環(huán)境荷載計算時，為了確保最終計算結果的準確性，要嚴格依據海洋工程標準和規(guī)范進行。在對海上風機支撐結構強度進行分析時，載荷是一項重要考慮因素，因此，在實際作業(yè)期間，相關工作人員要提高對該項工作的重視[4]。

2.2 分析動力特性

單樁結構在實際應用期間具有柔性大、剛度小特點，這就導致風電機組、支撐結構、樁基礎整體剛度偏小，這也會加大動態(tài)位移和自振周期。因此，可能會出現(xiàn)以下問題。

（1）同波浪中的某些頻率會發(fā)生共振，這會導致動力效應被顯著放大，也會增加結構響應。

（2）動態(tài)位移會顯著提升，無法滿足風電機組在應用期間，各種顯著要求。

2.2.1 動力特性受樁土約束影響

在對單樁支撐結構動力特性情況進行分析時，樁-土系統(tǒng)一般被模擬為梁-彈簧系統(tǒng)。單樁基礎在海底土層中應用，采取彈性梁理論完成相應的處理，而針對土壤剛度，在具體模擬上，要采用帶由剛度的彈簧完成相應的模擬，在實際分析期間，側向剛度彈簧會對動力特性造成直接影響。在計算側向剛度時，最常用的方式就是API RP 2A-WSD中的p-y方法，對該方法進行應用，施工中的細長入泥樁的直徑大小集中在0.6～2.0 m，單樁風電機支撐結構直徑大小要集中在4.0～6.0 m。

2.2.2 動力特性受沖刷的影響

樁基是海上風電場中一項重要結構，其在海岸附近，海流和潮汐變化會導致樁基中的土層時而在水面之下，時而在水面上，這種變化會導致樁基在具體應用期間經常會遭受海水侵蝕，這一情況的存在會使樁基附近的土壤全都被沖走，這會對表面土壤側向承載力和地基軸向承載力遭受較大影響，進而會對海上風電機組樁基的性能造成影響，情況嚴重時，會導致結構遭受破壞[5]。在具體設計期間，可以假設沖刷深度，國內外的許多研究規(guī)范都對沖刷深度給出了一個建議值，深度通常都設定為樁基的1.3～2.5倍之間。在海上風電機組建設期間采用單樁基礎結構，假定不同沖刷深度，通過去除樁基附近地表層土壤剛度方法，對樁基附近土壤沖刷效應進行模擬，從而完成深度對支撐結構動力特性影響情況的分析。

2.3 疲勞極限狀態(tài)分析

設計海上風機支撐結構是一項復雜工作，在實際設計期間需要考慮許多工況，疲勞工況是具體設計期間一項重要工況內容，其是支撐結構控制工況中的一項關鍵內容，因此，在設計實際期間，相關工作人員必須提高對該項內容的重視。

分析海上風機支撐結構疲勞情況時，不僅要對波浪荷載作用進行全面考慮，而且還要考慮風機機組荷載對結構造成的具體影響，因此，要將葉片、風機機組，以及支撐結構視作一個整體，進而完成對疲勞損傷和動力相應計算。但是，從實際情況來看，要想構建整體模型部現(xiàn)實的，主要是受商業(yè)保密，以及整體時域分析計算量大因素限制，這都導致設計時，定型和修改都面臨較大困難，難以實現(xiàn)。從現(xiàn)階段的情況來看，常用的做法就是將海上風電機組上部分循環(huán)載荷內容進行提取，分析支撐結構時，要做好相應內的容考慮與分析[6]。在項目工程具體施工期間，可以依據工程實際情況，構建與實際情況相符的專業(yè)數據接口，通過科學計算方法，耦合波浪疲勞載荷和風機疲勞載荷。

3? 工程實例分析

3.1 工程概況

某海上風電廠采用的單樁支撐采用的是長度為的56.5 m的圓形結構，鋼材料的屈服強度為354 MPa。對采用的樁基的情況進行全面分析，通過分析可以確定，樁基頂部的直徑大小為的5.0 m，樁基插入到的泥土的最深的深度達到了45.8 m，海上風電廠中采用的風電機組為4 M。

3.2 海上風電廠樁基結構的建模分析

通過對有限元軟件進行應用，完成對海上風電機組樁基結構的有限建模。一般來說，單樁風機支撐結構系統(tǒng)在建模期間需要考慮的內容主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）采用的風電機組和風機葉片的質量模型，其如果質量存在問題，勢必會對后續(xù)的分析、建設、應用造成不良影響;

（2）支撐結構采用的有限元模型;

（3）海上風電機組下部樁基礎，以及周圍土壤的相互作用，以及約束模型。

在對海上風電機具體情況進行全面分析的基礎上，設計單樁基礎結構，樁-土壤相互作用模型對于結構的設計和計算分析造成的影響都十分明顯。在計算地基的承載力大小，以及結構系統(tǒng)的動力特征時，要全面考慮計算效率，以及工程計算可以接受的精度等多項影響因素。因此，本次工程設計期間，一共采取了三種樁-土壤模型。第一種：在樁基周圍土體構建一個與實際情況相符的實體模型，通過對建立土地的應用，完成對樁基的合理約束。第二種：對土地約束進行簡化，使其轉變?yōu)榈姆蔷€性彈簧，滿足應用需求。第三種：將與風管機和塔筒相等效的彈簧約束模型加入到設計中，進而完成對自動頻率大小的精準計算。

4? 結語

海上風電機組單樁支撐結構和基礎設計期間，要對工程情況進行詳細分析，對國外先進經驗進行適當借鑒，采取合理方式，完成相應設計，進而保證單樁支撐結構和基礎設計的合理性，確保海上風電機組運行的穩(wěn)定性與合理性，降低事故發(fā)生幾率。

參考文獻

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[2] 李穎，鐘茗秋，黃祥聲，朱義蘇，陳川.濕熱沿海海上風電機組環(huán)境適應性測試評價分析[J].環(huán)境技術，2020，38（01）：50-56.

[3] 劉皓明，趙敏，田煒，楊蘇翔，許波峰，袁曉玲.風、浪對海上風電機組振動特性的影響及控制策略[J].電力自動化設備，2020，40（01）：46-51+58.

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[6] 王波.國產首臺8 MW海上風電機組在福清興化灣風場成功完成吊裝[J].能源研究與信息，2020，36（02）：116.

作者簡介：高海燕（1987—）女，漢族，湖北安陸人，碩士研究生，工程師，研究方向為水工結構及風電場土建結構設計。