海上風(fēng)電套籠受力性能分析

郭 建， 張芝明， 郝學(xué)思， 羅先啟

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122； 2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 311122；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

隨著新能源時代的到來，為緩解全球環(huán)境問題，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為能源供應(yīng)的重要手段之一.目前陸地風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)飽和，可用于建設(shè)風(fēng)電裝置的陸地空間也所剩無幾.相比于陸地風(fēng)電，海上風(fēng)電有較好的風(fēng)能儲備，風(fēng)速較大且穩(wěn)定，更靠近沿海的供電中心，未來市場空間廣闊.同時,我國的海域面積廣闊，海上風(fēng)電將是我國未來發(fā)展的主要方向[1-3].2021年，全球海上風(fēng)電新增并網(wǎng)容量達到21.1 GW，中國是貢獻增量最多的國家，海上風(fēng)電將為我國經(jīng)濟發(fā)展提供綠色能源，也將為高質(zhì)量發(fā)展注入綠色動力，加速現(xiàn)代化強國建設(shè)[4-5].

海上風(fēng)機的基礎(chǔ)有多種形式，其中單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡單，整個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制作全部在工廠加工完成，可有效防止環(huán)境引起的加工質(zhì)量下降，施工成本低，經(jīng)濟可靠，從而得到了最為廣泛的應(yīng)用[6].由于海洋中的環(huán)境荷載復(fù)雜多變，為方便后期運維以及附屬構(gòu)件的安裝，通常在單樁基礎(chǔ)外安裝套籠附屬構(gòu)件.套籠構(gòu)件主要包括外平臺、靠船構(gòu)件、電纜管以及犧牲陽極構(gòu)件等.海上風(fēng)機承受的荷載主要為水平方向的風(fēng)荷載和波流荷載，在二者的共同作用下，套籠通常會與所附塔筒發(fā)生接觸，產(chǎn)生接觸應(yīng)力以及變形，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生一定影響.

在海上風(fēng)電領(lǐng)域，眾多學(xué)者針對樁基與土體的相互作用進行了一系列相關(guān)研究，并取得了一定的成果.孔德森等[7]將波浪、洋流及風(fēng)荷載等效成雙向?qū)ΨQ循環(huán)荷載，研究了水平循環(huán)荷載作用下不同因素對樁身水平位移、剪力和彎矩的影響規(guī)律.劉紅軍等[8]對海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)在不同樁頂位移條件下的樁體內(nèi)力變形以及土體變形進行了研究，分析了水平荷載作用下海上風(fēng)機單樁基與土的相互作用.lamo等[9]研究了采用單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機的土-結(jié)構(gòu)相互作用對動力特性的影響.付鵬等[10]研究了兩種形式波浪荷載耦合作用下風(fēng)機樁基礎(chǔ)與土的相互作用.張小玲等[11]根據(jù)Turkstra準則將風(fēng)浪流荷載進行疊加組合，分析了風(fēng)浪流共同作用下海上風(fēng)電基礎(chǔ)與海床的動力響應(yīng)以及不同荷載的影響規(guī)律.然而對于海上風(fēng)電塔筒與套籠相互作用的研究則未見報道.

套籠在施工與后期運維中，通過連接件與塔筒結(jié)合為一個整體，在外界荷載的作用下產(chǎn)生一系列相互作用.該過程中塔筒自身的受力特性必然會受到影響，進而影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性.以江蘇如東H4#海上風(fēng)電工程為基礎(chǔ)，利用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立數(shù)值模型，通過改變荷載條件研究套籠對塔筒應(yīng)力變化規(guī)律等的影響，分析計算結(jié)果可為實際工程應(yīng)用提供一定的參考.

1 研究背景

1.1 工程概況

江蘇如東H4#海上風(fēng)電場位于南通市如東海域，在洋口港水域港界北側(cè)，河豚沙西部，場區(qū)中心離岸距離 33 km，海底泥面高程為-18.6 m～0 m(85高程)，海底地形起伏明顯.風(fēng)電場形狀呈梯形，東西方向長約13 km，南北方向平均寬約5 km，風(fēng)電場涉海面積64 km2，規(guī)劃裝機容量400 MW.

項目采用樁式基礎(chǔ)并附加集成式套籠附屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，該構(gòu)件主要包括內(nèi)平臺、外平臺、圈梁、支撐豎桿、靠船構(gòu)件、電纜管以及犧牲陽極部件(圖1).該結(jié)構(gòu)形式簡單、功能完善，且現(xiàn)場施工安裝便捷，在陸地組裝成形后直接運送到樁基處吊裝安裝即可.

圖1 集成式套籠附屬構(gòu)件

套籠的主體結(jié)構(gòu)由多層圈梁間隔一定距離并通過支撐豎桿進行固定，構(gòu)成圓柱形的籠狀結(jié)構(gòu)，具體的構(gòu)件尺寸根據(jù)不同的工程條件進行變化.籠狀結(jié)構(gòu)的上端設(shè)置內(nèi)平臺與外平臺，為后期工作人員進行后續(xù)施工以及設(shè)備維修提供空間. 在結(jié)構(gòu)側(cè)面通常設(shè)置靠船結(jié)構(gòu)與電纜管.其中，靠船構(gòu)件由多塊頂板和直爬梯組成，為工作人員提供了船舶停靠風(fēng)機登錄外平臺的通道.而電纜管一般呈“J”型，為內(nèi)部穿過的海纜提供保護作用，與外部環(huán)境隔開.

1.2 集成式套籠附屬構(gòu)件施工工藝

集成式套籠附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)單重為50～90 t，利用起重船進行安裝，起重船起重負荷完全滿足要求.套籠豎向放置于運輸船甲板面進行綁扎固定后運輸至現(xiàn)場.由于海上現(xiàn)場涌浪大，套籠高度高，套籠上平臺搖晃幅度大，且套籠上平臺內(nèi)側(cè)無圍擋，施工人員上至套籠上平臺進行掛扣操作非常危險，現(xiàn)配置高于套籠的鋼絲繩，在后方制作現(xiàn)場便將套籠吊裝索具掛扣完成，吊裝鋼絲繩一端擱置于運輸船甲板，海上現(xiàn)場吊裝施工人員直接在運輸船甲板掛鉤即可，安全有保障.集成式套籠吊裝吊索具清單見表1.

表1 集成式套籠安裝吊索具清單

集成式套籠海上安裝現(xiàn)場見圖2，具體流程如下：

圖2 集成式套籠海上安裝現(xiàn)場圖

(ⅰ)運輸靠泊，施工人員在運輸船甲板掛扣，浮吊起吊集成式附屬構(gòu)件套籠；(ⅱ)浮吊旋轉(zhuǎn)吊臂將集成式附屬構(gòu)件套籠吊至樁基礎(chǔ)頂部.緩慢放鉤防止發(fā)生摩擦或磕碰等，避免造成附屬構(gòu)件及樁基保護層的損傷.同時通過纜風(fēng)繩旋轉(zhuǎn)集成式附屬構(gòu)件的方向，使其安裝方向與樁基礎(chǔ)方向一致；(ⅲ)附屬構(gòu)件安裝完成后，檢查基礎(chǔ)防腐涂層的損傷情況，若有損傷，則按規(guī)定進行修補.

2 計算模型

2.1 邊界條件

(ⅰ)鋼管樁底部.鋼管樁底部用彈簧模擬樁土作用，末端為固定約束，即

FA=-kA(u-u0),

(1)

u=0，z=0.

(2)

(ⅱ)鋼管樁頂部.鋼管樁頂部施加沿x軸方向的固定水平荷載，即

Fx=F0，z=h.

(3)

2.2 模型部件與物理參數(shù)

以江蘇如東H4#海上風(fēng)機項目為工程背景，模型參數(shù)取自項目中的實際資料，利用有限元軟件COMSOL Multiphysics構(gòu)建計算模型.模型分為套籠和塔筒兩個主要部分.其中，塔筒為空心鋼管樁，套籠為采用統(tǒng)一厚度鋼材組裝而成的鋼架結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)件包括外平臺、多層圈梁、支撐鋼管及電纜管等，各部件具體物理參數(shù)見表2.鋼管樁及套籠所用鋼材均為各向同性線彈性材料.

表2 各部件物理參數(shù)

對建立好的模型進行網(wǎng)格劃分，采用自由三角形網(wǎng)格劃分模式，劃分結(jié)果見圖3，該有限元模型共計47 131個單元，24 467個節(jié)點.

圖3 套籠與塔筒有限元模型

在實際情況中，樁基與套籠需承受風(fēng)荷載、波浪荷載與波流荷載的共同作用，受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的.考慮所建立的計算模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文將受力狀態(tài)作簡化，研究在一個集中荷載作用于塔筒頂部的情況下塔筒與套籠之間的接觸應(yīng)力以及相應(yīng)的變形，為設(shè)計提供一定參考.由于模型較為復(fù)雜，動態(tài)模擬可能會出現(xiàn)找不到解的情況，因此，設(shè)定穩(wěn)態(tài)求解器進行研究，在解決無解問題的同時，也提高了計算效率.

3 計算結(jié)果分析與討論

3.1 套籠對塔筒內(nèi)力的影響

圖4為不同荷載下塔筒彎矩隨高度變化的曲線.由圖4可知塔筒彎矩隨著荷載的增大而增大，不同荷載作用下整體的變化規(guī)律相似，最大彎矩產(chǎn)生在高度20 m附近，最大值約為480 kN·m.隨著荷載的增大，塔筒最大彎矩基本呈線性增長，荷載每增大500 kN，塔筒最大彎矩增大約120 kN·m.

圖4 不同荷載作用下塔筒彎矩隨深度變化曲線

圖5為塔筒Mises應(yīng)力云圖.由圖5可知，隨著荷載的增大，塔筒上端與套籠接觸部位的應(yīng)力明顯增大，當荷載達到2 000 kN時，最大應(yīng)力達到32 MPa，塔筒兩端應(yīng)力較小，最小值約為0.3 MPa.

圖5 不同荷載作用下塔筒Mises應(yīng)力云圖

進一步研究沿路徑Mises應(yīng)力的變化.取受拉側(cè)塔筒頂端到底部的豎直方向路徑，圖6為不同荷載作用下海上風(fēng)電塔筒沿路徑Mises應(yīng)力隨高度的變化曲線.由圖6可知，在不同荷載作用下，應(yīng)力隨高度的變化規(guī)律基本一致，首先表面應(yīng)力在塔筒底部出現(xiàn)一個較大值，其后隨著高度的增加而減小，在靠近上部塔筒與套籠接觸部位時，表面應(yīng)力出現(xiàn)上升的趨勢，最大應(yīng)力產(chǎn)生于最上層套籠與塔筒的接觸部位，這主要是由于此部分塔筒的變形趨勢最大而套籠約束了其位移.

圖6 沿路徑塔筒Mises應(yīng)力隨深度變化曲線

結(jié)合圖5、圖6可知，塔筒最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置與最大彎矩出現(xiàn)的位置基本吻合，且變化規(guī)律也一致.隨著荷載的增大，塔筒的應(yīng)力也呈現(xiàn)出增大的趨勢.當在塔筒頂端施加的荷載為500 kN時，最大應(yīng)力為0.64 kPa，當荷載達到2 000 kN時，最大應(yīng)力為2.58 MPa，約為加載500 kN時的4倍.綜合分析得出最上層套籠與塔筒的接觸位置為彎矩和應(yīng)力較大的區(qū)域，因此根據(jù)本研究，在實際工程應(yīng)用中需要多加關(guān)注該部分結(jié)構(gòu)的建設(shè).

3.2 套籠對塔筒變形的影響

研究中的水平荷載作用于塔筒頂端，主要產(chǎn)生水平方向的撓曲變形，塔筒沿高度水平位移的變化曲線見圖7.由圖7可知，不同加載下塔筒位移變化規(guī)律基本一致，隨著高度的增加，塔筒位移呈線性增長趨勢，在荷載2 000 kN時，塔筒頂端最大水平位移為0.1 cm.在不同加載條件下，觀察到各曲線均在高度20 m附近存在一段水平直線，該區(qū)段為模型中頂部套籠與塔筒的接觸部位，套籠的存在約束了該部分塔筒的位移趨勢，該部分接觸也最為緊密，因而彎矩與應(yīng)力也最大，這與前文中的分析一致.

圖7 塔筒位移變化曲線

3.3 套籠對塔筒特征頻率的影響

利用COMSOL中的特征頻率研究得出結(jié)構(gòu)的固有頻率，結(jié)合相關(guān)資料可以分析結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生共振從而威脅到整體結(jié)構(gòu)的安全.COMSOL中內(nèi)置多種求解器，本研究采用MUMPS求解器進行求解，MUMPS可以利用單臺機器上的所有處理器內(nèi)核，所有直接求解器都需要使用大量的RAM，但MUMPS可以在核外儲存解，這意味著它們能夠?qū)⒉糠謫栴}卸載到硬盤上.在海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的研究中，低階模態(tài)的影響占主導(dǎo)地位，因此往往更關(guān)心結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài).表3為計算得到的塔筒前6階固有頻率，對應(yīng)的振型見圖8.

圖8 塔筒振型

如東H4#項目所處海域的波浪測站全年有效波高均值為0.83 m，最大值為5.50 m；平均周期均值為3.5 s，最大值為9.2 s.得出波浪頻率為0.285 Hz，根據(jù)表3可知塔筒的一階固有頻率為28.006 Hz，遠高于波浪頻率，因此結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生共振.

表3 塔筒固有頻率

4 結(jié)論

利用COMSOL有限元分析軟件，以江蘇如東項目為背景建立了套籠與塔筒的有限元計算模型，通過模擬作用于結(jié)構(gòu)頂端的不同水平荷載，分析比較了套籠對塔筒內(nèi)力、變形以及特征頻率的影響.主要得出以下結(jié)論.

(ⅰ)不同荷載作用下塔筒表面應(yīng)力隨深度的增大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且最大應(yīng)力與加載大小成正向比例關(guān)系.塔筒彎矩與Mises應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在頂層套籠與塔筒的接觸部位.當外荷載達到2 000 kN時，塔筒表面最大應(yīng)力為2.58 MPa，因此在正常工況下可以保證結(jié)構(gòu)的安全使用.

(ⅱ)荷載作用下塔筒位移曲線呈線性增長變化，在高度20 m附近存在水平階段，與彎矩和Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)區(qū)域重合.當荷載達到2 000 kN時，塔筒最大位移為0.1 cm，處于結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi).

(ⅲ)通過模態(tài)分析可以確定套籠作用下塔筒的固有頻率得以提高，使其在外界荷載作用下更不易與波浪產(chǎn)生共振.

(ⅳ)套籠的存在使得塔筒在承受荷載時僅在塔筒頂部小范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且應(yīng)力峰值也處于安全范圍內(nèi).因此，套籠不但可以方便施工與后期運維，而且對塔筒受力特性也有所改善.