波流作用下海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)靜力分析

劉 爽，束加慶，吳兆和，顧曉慶

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用占工程總投資的40%左右，因此合理的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式及詳細(xì)的受力分析是降低海上風(fēng)電項(xiàng)目工程成本的有效手段。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建模

1.1 海洋水文

根據(jù)波浪設(shè)計(jì)專題報(bào)告，某場(chǎng)區(qū)多年平均海平面高度為0.28m，最大水深約為49m；設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位分別為2.76m、-2.26m，50年一遇極端高水位和極端低水位分別為4.26m、-3.46m；50年一遇的H1%波高為9.39m，對(duì)應(yīng)周期為18.9s，波浪的主浪向?yàn)镋NE。海水表面流速為1.081m/s，底部流速為0.514m/s。

1.2 基礎(chǔ)型式比選

目前，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可分為樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，不同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式的適用水深范圍如表1所示。

表1 不同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式適用水深范圍 單位：m

根據(jù)水文條件中最大水深，可判斷該工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可為導(dǎo)管架基礎(chǔ)或浮式基礎(chǔ)，而浮式基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)階段，因此該工程采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式。導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般由4根雙斜布置主導(dǎo)管與斜撐組成，主導(dǎo)管下部與鋼管樁灌漿連接，上部與風(fēng)機(jī)塔筒法蘭連接，導(dǎo)管架同時(shí)起到基礎(chǔ)調(diào)平的作用。

1.3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)建模

根據(jù)海洋水文條件，初步布置導(dǎo)管架總高65m，底部尺寸為21m×21m，頂部尺寸為10m×10m。主導(dǎo)管雙向斜率為10∶1，主導(dǎo)管直徑為2m，管壁厚度為35mm，節(jié)點(diǎn)處局部加強(qiáng)壁厚取50mm。4根斜撐鋼管直徑為1m，管壁厚度為20mm。導(dǎo)管架下伸腿柱與鋼管樁相連，柱上部直徑為2m，下部直徑為2.5m，管壁厚度均為50mm。鋼管樁總長(zhǎng)40m，外直徑為2.5m，上部10m壁厚25mm，下部30m壁厚15mm，樁土作用可通過(guò)P-Y、T-Z、Q-Z曲線表示。導(dǎo)管架材料為DH36鋼材。根據(jù)廠家資料，風(fēng)機(jī)的輪轂高度為75m，建立導(dǎo)管架模型如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架模型圖

2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)受力分析

2.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)模態(tài)分析

采用SACS軟件對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，首先根據(jù)樁土相互作用及外部荷載生成樁土超單元文件，然后將超單元文件施加為主導(dǎo)管底部剛度，再對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行模態(tài)分析。

該工程最大水深約為49m，50年一遇的H1%波高約為9.39m，對(duì)應(yīng)周期為18.9s。根據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10105—2018）中波浪理論適用范圍的描述，可選擇STOKES5階波或流函數(shù)作為波函數(shù)，該工程選擇流函數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)管架的前5階振型如圖2所示。從圖2可以看出，第一、二階為塔筒X、Y方向平動(dòng)，第三、四階為導(dǎo)管架X、Y方向平動(dòng)，第五階為導(dǎo)管架轉(zhuǎn)動(dòng)，前五階的自振頻率分別為0.4103Hz、0.4104Hz、0.6344Hz、0.6345Hz，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，建立的導(dǎo)管架模型剛度很大且分布均勻。同時(shí)，為了避免風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)整體的固有頻率宜避開(kāi)風(fēng)電機(jī)組由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率范圍，此過(guò)程需與風(fēng)電機(jī)組廠家交互復(fù)核、深度優(yōu)化。

圖2 導(dǎo)管架前4階振型圖

2.2 波流荷載下導(dǎo)管架受力分析

根據(jù)海洋水文報(bào)告，對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在波流作用下進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10105—2018）要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最大允許豎向位移為100mm，最大允許水平傾角為4.36‰。波流荷載下導(dǎo)管架位移云圖如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果和圖3可得，該工程導(dǎo)管架最大豎向位移為3.32mm，泥面處水平傾角約為3.97‰，滿足規(guī)范要求。

圖3 波流荷載下導(dǎo)管架位移云圖

波流荷載下導(dǎo)管架應(yīng)力云圖、UC值云圖分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大軸力為34MPa，最大UC值為0.506，發(fā)生在最下層斜撐底部以及主導(dǎo)管底部位置，因此后期設(shè)計(jì)時(shí)，如需考慮加強(qiáng)導(dǎo)管架斜撐強(qiáng)度，可以加大此部位的斜撐直徑后壁厚。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該導(dǎo)管架強(qiáng)度滿足靜力設(shè)計(jì)要求。

圖4 波流荷載下導(dǎo)管架應(yīng)力云圖

圖5 波流荷載下導(dǎo)管架UC值云圖

3 結(jié)論

（1）根據(jù)海洋水文條件，初步設(shè)計(jì)建議采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，在波浪荷載下導(dǎo)管架的剛度、強(qiáng)度計(jì)算滿足規(guī)范要求。

（2）導(dǎo)管架的最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在最下層斜撐底部以及主導(dǎo)管底部位置，該處是后期加強(qiáng)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的重點(diǎn)區(qū)域。