王 偉 楊 敏 王瑞祥

(1.上海同濟(jì)啟明星科技發(fā)展有限公司，上海， 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件FDOW開發(fā)與應(yīng)用

王 偉1， 2楊 敏2王瑞祥1

(1.上海同濟(jì)啟明星科技發(fā)展有限公司，上海， 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，且設(shè)計(jì)鏈長(zhǎng)、包含的子項(xiàng)目繁多，而應(yīng)用現(xiàn)有的海工設(shè)計(jì)軟件和有限元通用分析軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)局限性大，因此開發(fā)專有的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件非常必要。首先給出了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流程和主要內(nèi)容，進(jìn)而論述了設(shè)計(jì)軟件應(yīng)具有的主要功能以滿足設(shè)計(jì)計(jì)算需求，包括荷載計(jì)算、荷載組合、樁基分析、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析、其他輔助項(xiàng)設(shè)計(jì)以及成果輸出功能等。接下來(lái)介紹軟件核心模塊的開發(fā)，包括可視化模塊、集成一體化模塊、基礎(chǔ)方案模塊、配置與計(jì)算模塊等，然后給出軟件計(jì)算分析的主要原理和計(jì)算方法，最后結(jié)合一項(xiàng)工程實(shí)例簡(jiǎn)要給出了應(yīng)用海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件FDOW的計(jì)算成果。

海上風(fēng)機(jī)； 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)； 軟件； 樁； 承載力； 疲勞

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.02

引言

根據(jù)《國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃(2014～2020年)》，到2020年我國(guó)累計(jì)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2億kW，其中海上風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到3 000萬(wàn)kW。根據(jù)國(guó)際新能源網(wǎng)數(shù)據(jù)，截至2015年底我國(guó)已建成海上風(fēng)電項(xiàng)目裝機(jī)容量共計(jì)101.5萬(wàn)kW。兩相對(duì)比可知，為了實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)，“十三五”期間我國(guó)海上風(fēng)電將具有廣闊的發(fā)展空間。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)工程是海上風(fēng)電工程的重要組成部分，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涉及到海洋工程、港口工程、結(jié)構(gòu)工程和巖土工程，且與風(fēng)機(jī)運(yùn)維控制與受荷密切相關(guān)，屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域。進(jìn)而使得海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅包含的設(shè)計(jì)項(xiàng)目多，而且實(shí)施的難度和復(fù)雜性均較大，因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中采用軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析是非常必要的。

在專有的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件出現(xiàn)之前，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中常采用兩類軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，一類為海工軟件，另一類為有限元通用分析軟件。[1]

海工軟件是針對(duì)海上平臺(tái)設(shè)計(jì)而開發(fā)，但海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度特點(diǎn)和受荷特性與海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)受荷模式迥異，二者既有相似的地方，又有很大的差異。盲目地采用海工軟件來(lái)進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，在很多方面將帶來(lái)較大的計(jì)算誤差甚至錯(cuò)誤，諸如模態(tài)分析、灌漿節(jié)點(diǎn)分析等。這一嚴(yán)重的問(wèn)題在一部分基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中被忽視了，因此工程中潛伏著不同程度的危險(xiǎn)性。

任何事物都有兩面性，有限元通用分析軟件通用性較強(qiáng)，但在專業(yè)性方面勢(shì)必存在較大的局限性。首先，難以模擬一些環(huán)境荷載作用，僅能夠分析簡(jiǎn)單的波浪理論方法，諸如流函數(shù)等波浪方法無(wú)法模擬，對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng)這些簡(jiǎn)單的波浪理論諸如線性波等往往不適用； 其次，無(wú)法進(jìn)行多種荷載工況的組合分析，根據(jù)水位、環(huán)境荷載和風(fēng)機(jī)荷載特性在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算工況一般可達(dá)數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)，除非經(jīng)過(guò)專門的二次開發(fā)，有限元通用軟件難以實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)要求； 再次，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整套基礎(chǔ)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的計(jì)算分析，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅包含結(jié)構(gòu)分析，還包括樁基承載力計(jì)算、防沖刷、防腐蝕、靠船防撞設(shè)計(jì)等等，有限元通用軟件僅能完成部分項(xiàng)目計(jì)算，不具備計(jì)算分析的完整性。

為了解決上述兩類軟件存在的問(wèn)題，基于作者在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的相關(guān)研究成果[2]和參與的多項(xiàng)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，歷經(jīng)四年多時(shí)間開發(fā)了我國(guó)首款海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件FDOW。該軟件不僅通過(guò)了我國(guó)專業(yè)機(jī)構(gòu)的鑒定評(píng)測(cè)，而且廣泛應(yīng)用于我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)工程的預(yù)可研、可研和施工圖等不同階段設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)流程

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與風(fēng)電場(chǎng)所在海域環(huán)境條件、地質(zhì)特點(diǎn)、基礎(chǔ)類型和風(fēng)機(jī)機(jī)型等密切相關(guān)。但從總體上進(jìn)行歸納，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)仍然遵循如圖1所示的設(shè)計(jì)流程。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程

在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)收集相關(guān)基本資料，包括風(fēng)機(jī)資料、工程地質(zhì)資料、水文氣象資料以及鄰近航道與通航船舶情況等?；举Y料應(yīng)達(dá)到相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，并滿足不同設(shè)計(jì)階段的深度需要。風(fēng)機(jī)資料包括機(jī)型、塔筒、機(jī)艙和輪轂、正常運(yùn)行荷載、極端工況荷載、等效疲勞載荷或載荷譜。地質(zhì)資料包括區(qū)域地質(zhì)、不良地質(zhì)作用、地形地貌、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、樁基設(shè)計(jì)參數(shù)、地震資料與巖土體腐蝕性評(píng)價(jià)等。環(huán)境資料包括氣象資料和海洋水文資料，諸如風(fēng)速、潮位、波浪、海冰、海流、水溫、鹽度、海床沖淤等。

對(duì)基本資料進(jìn)行分析后，根據(jù)場(chǎng)區(qū)所在海域的水位、波高以及可能涉及的風(fēng)暴增水確定工作平臺(tái)高程，然后確定比選的基礎(chǔ)類型，根據(jù)所采用的基礎(chǔ)形式初步擬定各自對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。每一種基礎(chǔ)類型都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，海上風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案多采用三到四種基礎(chǔ)類型進(jìn)行比選確定，常用的基礎(chǔ)形式包括大直徑單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、三腳架(多腳架)基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、低樁承臺(tái)基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等。其中低樁承臺(tái)基礎(chǔ)用于灘涂風(fēng)電場(chǎng)和潮間帶風(fēng)電場(chǎng)。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案擬定后便可進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算分析可分為三大類，第一類為靜力復(fù)核，第二類為模態(tài)共振判定，第三類為疲勞驗(yàn)算。靜力復(fù)核主要包括樁基礎(chǔ)承載力計(jì)算與驗(yàn)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算、鋼筋混凝土承臺(tái)的抗沖切和抗剪驗(yàn)算、承臺(tái)彎矩計(jì)算和配筋、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫計(jì)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平變形和沉降計(jì)算以及地震工況下對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容。共振判定首先分析包括樁土作用、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)塔筒、機(jī)艙和輪轂等組成的整機(jī)模態(tài)分析[3， 4]，得到整機(jī)的各階模態(tài)，然后判別各階頻率是否避開風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和葉片通過(guò)頻率分布帶5%以上的安全空間。疲勞驗(yàn)算時(shí)根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)類型計(jì)算在風(fēng)機(jī)疲勞荷載、波浪作用、海冰作用以及上述組合疲勞作用下的疲勞損傷度，根據(jù)結(jié)構(gòu)各部位所處的環(huán)境特點(diǎn)和可檢修情況采用特定的安全系數(shù)來(lái)判定疲勞壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。上述三類計(jì)算是按照步驟遞次推進(jìn)的，當(dāng)某一項(xiàng)驗(yàn)算不能通過(guò)時(shí)，應(yīng)返回重新調(diào)整基礎(chǔ)方案，直至滿足當(dāng)前驗(yàn)算項(xiàng)目，方能進(jìn)入下一類計(jì)算項(xiàng)目。

在完成上述三類主要項(xiàng)目的計(jì)算并通過(guò)驗(yàn)算后，接著需要完成與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的其余各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算，包括靠船防撞設(shè)計(jì)、灌漿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、防沖刷設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)，最后是監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)?？看雷苍O(shè)計(jì)既包括檢修或工作船舶靠泊設(shè)計(jì)，又包括基礎(chǔ)臨近航道側(cè)時(shí)為保護(hù)基礎(chǔ)而設(shè)置的防撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。灌漿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中樁基與結(jié)構(gòu)部分、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與過(guò)渡段的灌漿連接，包括強(qiáng)度、承載力分析和疲勞分析。防沖刷設(shè)計(jì)包括沖坑深度、沖坑范圍和沖刷歷時(shí)計(jì)算，還包括防沖刷措施的設(shè)計(jì)。防腐蝕設(shè)計(jì)針對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材質(zhì)不同而設(shè)置不同的涂層防腐蝕措施、犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)措施設(shè)計(jì)，還包含海洋腐蝕環(huán)境分區(qū)、腐蝕裕量計(jì)算。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)通過(guò)選取一定數(shù)量的基礎(chǔ)布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，制定監(jiān)測(cè)的內(nèi)容、頻率和數(shù)據(jù)收集與處理方式，一般包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)、傾角監(jiān)測(cè)、位移與沉降監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等，必要時(shí)也可進(jìn)行沖刷監(jiān)測(cè)。

當(dāng)完成上述各步驟后，進(jìn)而可形成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)成果，包括基礎(chǔ)設(shè)計(jì)專題報(bào)告、圖紙、計(jì)算書和工程量統(tǒng)計(jì)。工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果供造價(jià)分析之用以便進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)工程經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和機(jī)型擇優(yōu)選擇。

2 主要功能

2.1 荷載計(jì)算

風(fēng)機(jī)荷載是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的主控荷載之一，風(fēng)機(jī)廠家提供的荷載一般多為極端工況和正常工況下一系列工況的代表性荷載，盲目地選擇一種荷載進(jìn)行計(jì)算在設(shè)計(jì)中往往是不完備的，軟件提供了最多五種風(fēng)機(jī)荷載共同計(jì)算的功能。

波浪荷載也是主控荷載之一，波浪荷載計(jì)算前應(yīng)首先確定波浪理論方法，以便確定波面形態(tài)、不同波剖面位置處的速度和加速度分布。波浪計(jì)算方法與水深和波浪要素相關(guān)，不同方法有不同的適用范圍。軟件提供了線性波、斯托克斯5階波、流函數(shù)方法[5]，同時(shí)提供了各波浪方法的適用性檢查功能。根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物斷面尺寸與波長(zhǎng)關(guān)系，波浪荷載分為小直徑結(jié)構(gòu)物波浪力和大直徑結(jié)構(gòu)物波浪力兩類。軟件提供了小直徑結(jié)構(gòu)物波浪力計(jì)算功能，對(duì)于水深較淺的近海風(fēng)場(chǎng)或潮間帶風(fēng)場(chǎng)，軟件提供了兩種破波力計(jì)算功能，分別為海港水文規(guī)范方法和德國(guó)GL規(guī)范方法。軟件也提供了大體積結(jié)構(gòu)物波浪力計(jì)算功能，包括三種形式，分別為沉底大直徑結(jié)構(gòu)物、懸浮大直徑結(jié)構(gòu)物和上覆大直徑結(jié)構(gòu)物水平波浪力、波浪浮托力計(jì)算。

對(duì)于我國(guó)渤海灣、遼東灣和膠州灣海區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，海冰荷載也是主控荷載之一，海冰荷載包括固定冰荷載和流冰荷載，軟件提供了兩種計(jì)算方法，分別為海洋平臺(tái)規(guī)范方法和港口荷載規(guī)范方法。當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)置抗冰錐時(shí)，軟件提供了正錐體和倒錐體等錐形結(jié)構(gòu)物的水平向和豎向冰荷載計(jì)算功能。

海流荷載與海流沿豎向的分布模型相關(guān)，軟件提供了兩種海流分布模式，分別為均勻分布和不均勻分布模式。在波長(zhǎng)范圍內(nèi)波面形態(tài)有波峰和波谷，水面并非平面形態(tài)，海流荷載計(jì)算中軟件自動(dòng)根據(jù)波面不同相位的形態(tài)來(lái)對(duì)波剖面進(jìn)行拉伸或壓縮修正。

海風(fēng)荷載指水面以上至風(fēng)機(jī)塔筒底端之間范圍內(nèi)風(fēng)荷載。海風(fēng)荷載計(jì)算首先需要確定基本風(fēng)壓，軟件中可根據(jù)風(fēng)速自動(dòng)求解基本風(fēng)壓，還可考慮海陸風(fēng)壓修正。風(fēng)荷載計(jì)算中還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)物的體型、風(fēng)壓沿高度的變化和脈動(dòng)風(fēng)荷載。

軟件提供了兩種靠泊撞擊力計(jì)算方法，分別為失控船筏撞擊力和漂流物撞擊力?？梢怨浪銠z修船舶靠泊撞擊力，詳細(xì)的靠泊荷載可在軟件的靠船防撞設(shè)計(jì)項(xiàng)中計(jì)算。

地震作用并非荷載，為了表達(dá)方便放在此處一并進(jìn)行說(shuō)明。軟件自動(dòng)根據(jù)場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組、場(chǎng)地類別和結(jié)構(gòu)自振周期確定設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)的振型分解反應(yīng)譜法來(lái)進(jìn)行地震作用計(jì)算，同時(shí)可考慮地震動(dòng)水壓力作用。

軟件根據(jù)工作平臺(tái)尺寸和活荷載標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)計(jì)算平臺(tái)活荷載，還可根據(jù)不同設(shè)計(jì)水位自動(dòng)計(jì)算自重和浮力。當(dāng)考慮海生物在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的附著影響時(shí)，軟件自動(dòng)計(jì)算海生物附著引起的結(jié)構(gòu)自重變化和環(huán)境荷載變化。

2.2 荷載組合

無(wú)論是風(fēng)機(jī)荷載還是環(huán)境荷載，其作用方位均是變化的。軟件中既可以考慮風(fēng)機(jī)荷載與環(huán)境荷載同向，也可以考慮二者存在固定夾角的作用方式。為了確定最不利荷載作用方位，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和15°搜索角自動(dòng)搜索最不利作用方向。在一個(gè)波浪周期范圍內(nèi)，不同相位對(duì)應(yīng)的波浪荷載也不同，軟件自動(dòng)根據(jù)1°搜索角搜索最不利的波浪相位角。

荷載組合中對(duì)于非主控荷載國(guó)內(nèi)多采用組合系數(shù)方法來(lái)組合，國(guó)外多采用不同重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的組合模式，針對(duì)波浪力和海冰荷載軟件同時(shí)提供了組合系數(shù)與重現(xiàn)期兩種組合模式，可供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行國(guó)內(nèi)外不同組合方式的對(duì)比。波流荷載疊加既可以將波浪荷載與海流荷載進(jìn)行力矢量疊加，也可以將波浪與水流速度先行疊加速度矢量再計(jì)算荷載，此時(shí)對(duì)應(yīng)著速度矢量疊加模式，軟件提供了這兩類處理模式。

當(dāng)采用國(guó)內(nèi)常用的組合系數(shù)方式時(shí)，針對(duì)樁基承載力驗(yàn)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算、地震工況計(jì)算、結(jié)構(gòu)水平變形計(jì)算、沉降計(jì)算、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫計(jì)算軟件提供了組合系數(shù)設(shè)置表和分項(xiàng)系數(shù)設(shè)置表，可供設(shè)計(jì)人員靈活配置計(jì)算。

2.3 樁基分析

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中樁基承受水平、豎向承壓和抗拔等作用。軟件提供了非地震工況和地震工況下樁基承載力計(jì)算功能，也提供了樁基水平變形和沉降計(jì)算功能，不僅可以分析直樁、還可以分析斜樁。

樁基水平受荷分析方面，軟件提供了6種分析方法，分別為m法、NL法、p-y曲線法、考慮循環(huán)荷載效應(yīng)的p-y曲線法、大直徑單樁分析方法和自定義p-y曲線法等，可以分析粘土、砂土、軟巖和硬巖等不同特性的巖土層中水平受荷樁。

樁基豎向承載力計(jì)算中，可以考慮樁端開口分割數(shù)影響，并提供了樁端土塞效應(yīng)估算功能，還可考慮負(fù)摩阻力作用。樁基豎向承載力和抗拔承載力中提供了嵌巖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算功能，包括嵌巖芯柱連接段的承載力和配筋計(jì)算功能。

2.4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

軟件提供了非地震工況和地震工況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算和強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算功能。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力計(jì)算、拉壓彎剪扭作用下的強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)計(jì)算等； 對(duì)于鋼筋混凝土承臺(tái)可進(jìn)行承臺(tái)抗剪、抗沖切、承臺(tái)配筋和裂縫計(jì)算。

根據(jù)風(fēng)機(jī)塔筒尺寸、附件分布、機(jī)艙和輪轂質(zhì)量分布、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置和樁基布置形成整體計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，提供前9階振型的頻率、周期和各階位移。

結(jié)構(gòu)疲勞分析方面軟件提供了風(fēng)致疲勞計(jì)算、浪致疲勞計(jì)算和風(fēng)波組合疲勞計(jì)算功能。風(fēng)致疲勞計(jì)算中既可以采用風(fēng)機(jī)等效疲勞荷載，又可以采用疲勞載荷譜計(jì)算。可以考慮應(yīng)力均值對(duì)疲勞作用幅值的修正，諸如Goodman方法和Gerber方法，也可不考慮修正。浪致疲勞分析中提供了兩種波浪譜，分別為PM譜和Jonswap譜。

2.5 其他項(xiàng)設(shè)計(jì)

灌漿連接設(shè)計(jì)是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，軟件提供了單樁基礎(chǔ)中錐形灌漿節(jié)點(diǎn)、圓柱型帶抗剪鍵灌漿節(jié)點(diǎn)、先樁模式灌漿節(jié)點(diǎn)和后樁模式灌漿節(jié)點(diǎn)等四類節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算功能，可自動(dòng)檢查灌漿節(jié)點(diǎn)設(shè)置是否合理，可驗(yàn)算灌漿節(jié)點(diǎn)灌漿體名義應(yīng)力、承載力和抗剪鍵承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，還可根據(jù)灌漿體S-N曲線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)風(fēng)致和浪致疲勞分析。

在防沖刷設(shè)計(jì)方面，提供了5種臨界流速計(jì)算方法和5種沖坑深度計(jì)算方法，可計(jì)算水流作用、波浪作用和波流共同作用下沖坑深度、沖坑半徑、沖刷完成歷時(shí)的計(jì)算[6]，并提供了多種防沖刷布置措施。

在防腐蝕設(shè)計(jì)方面，提供了防腐蝕環(huán)境分區(qū)和腐蝕裕量自動(dòng)計(jì)算功能，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)分別給出了8種和9種可選的涂層備選措施，對(duì)于水下區(qū)、泥下區(qū)鋼結(jié)構(gòu)提供了犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)計(jì)算功能。

在靠船防撞設(shè)計(jì)方面，根據(jù)船舶體型參數(shù)、環(huán)境條件和護(hù)弦特性提供了系纜力、擠靠力、靠泊撞擊力、橫浪撞擊力等荷載計(jì)算功能，對(duì)于基礎(chǔ)的防撞防護(hù)結(jié)構(gòu)提供了專門的承載力、強(qiáng)度穩(wěn)定性和防腐蝕設(shè)計(jì)計(jì)算功能。

軟件提供了工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，可按照混凝土和鋼結(jié)構(gòu)分類統(tǒng)計(jì)工程量，也可按照風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)總工程量。

2.6 設(shè)計(jì)成果輸出

軟件中設(shè)計(jì)成果分為兩類，一類為計(jì)算書，另一類為方案圖紙。計(jì)算書供查看和存檔使用，方案圖紙按照1： 1比例繪制，配有俯視圖、剖視圖和文字說(shuō)明。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 可視化

對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，除單樁基礎(chǔ)外其他形式基礎(chǔ)并非軸對(duì)稱的連續(xù)分布，因此采用三維模型分析是必要的。三維可視化應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求，其一為三維圖形的顯示，其二為三維圖形的操作。

軟件界面的左側(cè)劃分為視圖區(qū)，用以輸出基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型，通過(guò)分割條與軟件工作區(qū)相區(qū)分。圖形顯示分為兩類，第一類為基礎(chǔ)建模時(shí)的實(shí)時(shí)顯示，第二類為計(jì)算結(jié)果查看時(shí)的云圖顯示等。圖形可視化編程中應(yīng)定義風(fēng)機(jī)、基礎(chǔ)、土層、海水和云圖等基本圖元。風(fēng)機(jī)圖元細(xì)分為機(jī)艙、葉片、輪轂、塔筒等； 基礎(chǔ)圖元細(xì)分為承臺(tái)、承臺(tái)柱、鋼結(jié)構(gòu)桿件、樁基、嵌巖段等； 土層圖元細(xì)分為土層分割線、土層編號(hào)、層底高程等； 云圖細(xì)分為量值與著色算法、著色、云圖尺度標(biāo)識(shí)等。

圖形操作用于定義模型視圖隨用戶操作反饋的響應(yīng)，包括視圖的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)和視圖恢復(fù)等。

隱性價(jià)值更需要用心去挖掘。比如拿專題紀(jì)錄片來(lái)說(shuō)，作品絕大多數(shù)局限于從個(gè)人角度去審視，盡管我們覺(jué)得它的信息價(jià)值較高，或者說(shuō)由于從中可窺見(jiàn)中國(guó)紀(jì)錄片發(fā)展軌跡因此具有憑證價(jià)值，某些片斷可作為當(dāng)時(shí)社會(huì)生活原生態(tài)的一種記錄。又如解放前老百姓的衣食住行等。在判斷素材價(jià)值時(shí)還應(yīng)注意到主題、畫面、解說(shuō)詞之間的關(guān)系。

3.2 集成一體化

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涵蓋多個(gè)學(xué)科，設(shè)計(jì)人員在短期內(nèi)熟悉相關(guān)學(xué)科亦不現(xiàn)實(shí)，從風(fēng)機(jī)報(bào)告、巖土工程勘察報(bào)告和水文分析報(bào)告中選擇設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)往往較為困難，而采用分類集成的軟件設(shè)計(jì)方法是一種有效的解決方法。

將上述3種報(bào)告分別映射為軟件的3個(gè)選項(xiàng)卡，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)在風(fēng)機(jī)參數(shù)選項(xiàng)卡中輸入，工程勘察報(bào)告參數(shù)在地質(zhì)資料選項(xiàng)卡中輸入，海洋水文參數(shù)在環(huán)境資料選項(xiàng)卡中輸入。

上述三類參數(shù)包含的變量眾多，在每一類選項(xiàng)卡中均采用了一體化設(shè)計(jì)模式，即按照軟件要求的輸入項(xiàng)分別從相應(yīng)的報(bào)告中選擇對(duì)應(yīng)的參量值輸入即可，完成軟件要求的全部輸入項(xiàng)也即抓取了報(bào)告中設(shè)計(jì)所需的全部有效信息。

此外采用化零為整的方式將灌漿連接設(shè)計(jì)、防沖刷設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)、靠船防撞設(shè)計(jì)和工程量統(tǒng)計(jì)等集成到軟件的輔助設(shè)計(jì)選項(xiàng)卡中來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 基礎(chǔ)方案模塊

基礎(chǔ)方案擬定在軟件的基礎(chǔ)參數(shù)選項(xiàng)卡中完成?？紤]到基礎(chǔ)方案比選時(shí)所依據(jù)的風(fēng)機(jī)、地質(zhì)和水文資料均相同，理想的解決方案是不需要重復(fù)輸入上述資料即可實(shí)現(xiàn)各種基礎(chǔ)形式計(jì)算分析，為此在該選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)中采用了重疊影像方式，即在一個(gè)輸入文件中可以完成多種基礎(chǔ)方案的計(jì)算，且各基礎(chǔ)形式之間互不影響。

基礎(chǔ)方案的輸入分為通用項(xiàng)和專有項(xiàng)，通用項(xiàng)適合各種基礎(chǔ)形式，包括平臺(tái)高程確定、工作平臺(tái)設(shè)計(jì)、抗冰錐設(shè)計(jì)、鋼材S-N曲線定義等。專有項(xiàng)輸入與特定的基礎(chǔ)形式相關(guān)，從總體上可分為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分和樁基部分等兩項(xiàng)，參見(jiàn)表1。

表1 軟件中各基礎(chǔ)形式對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)組成

基礎(chǔ)類型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樁基單樁基礎(chǔ)過(guò)渡段樁、灌芯多腳架基礎(chǔ)多腳架、套筒、連桿樁、灌芯、嵌巖樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)導(dǎo)管架、過(guò)渡段平臺(tái)、套筒或插入段樁、灌芯、嵌巖樁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)承臺(tái)、承臺(tái)柱樁、灌芯、嵌巖樁低樁承臺(tái)基礎(chǔ)承臺(tái)、承臺(tái)柱鋼管樁、鉆孔樁、PHC樁

3.4 配置與計(jì)算

對(duì)于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的一些計(jì)算方法，一方面國(guó)內(nèi)外處理方式存在較大差異，另一方面相關(guān)分析技術(shù)并未完全成熟。為此軟件提供了多種平行計(jì)算方法和靈活設(shè)置的組合方式供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行對(duì)比分析之用，這些配置在軟件的計(jì)算參數(shù)選項(xiàng)卡中實(shí)現(xiàn)。由于在計(jì)算之前需要配置的模式或參數(shù)較多，軟件設(shè)計(jì)中將其分為5大類，如圖2所示，分別為結(jié)構(gòu)計(jì)算、荷載計(jì)算、荷載組合、樁基計(jì)算和疲勞驗(yàn)算等。以荷載計(jì)算配置為例，與波浪荷載相關(guān)的軟件設(shè)置如圖3所示。

圖2 軟件計(jì)算配置組成

圖3 波浪荷載計(jì)算配置

軟件各項(xiàng)計(jì)算的啟動(dòng)通過(guò)計(jì)算菜單來(lái)啟動(dòng)，如圖4所示。根據(jù)計(jì)算項(xiàng)目的屬性可將其分為四類，第一類為非地震工況、第二類為地震工況、第三類為模態(tài)分析、第四類為疲勞分析。樁基承載力驗(yàn)算包含水平承載力、豎向承載力和抗拔承載力，將其放置二級(jí)菜單中。類似的，位移計(jì)算包括水平位和沉降兩項(xiàng)，也將其放置二級(jí)菜單中。

圖4 軟件計(jì)算菜單組成

4 主要技術(shù)原理

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅涉及的專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域廣，而且包含的技術(shù)方法和設(shè)計(jì)項(xiàng)目紛繁復(fù)雜。限于篇幅，以下僅介紹三個(gè)方面的主要技術(shù)原理。

4.1 環(huán)境荷載

重力波是對(duì)海洋中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響最顯著的波浪形式，不同波浪理論均為采用不同勢(shì)函數(shù)表達(dá)形式和邊界條件簡(jiǎn)化處理來(lái)求解滿足拉普拉斯方程的勢(shì)函數(shù)，邊界條件通常包括海底邊界條件、自由表面運(yùn)動(dòng)邊界條件、自由表面動(dòng)力邊界條件等?；谇蟮玫膭?shì)函數(shù)可進(jìn)一步得到各種波浪理論對(duì)應(yīng)的波浪特征參量，諸如波面形態(tài)、速度和加速度等。

海洋工程中計(jì)算樁柱(墩柱)體波浪力方法包括2類：基于繞流理論的Morison方程和繞射理論。前者適用于D/L≤0.15的情況，D為柱體直徑，L為波長(zhǎng)； 其余范圍采用線性繞射理論。

Morison方程包括慣性力和速度力兩部分，作用于直立柱體任意高度z處單位柱高上的水平波浪力fH：

(1)

式中，ux為波浪質(zhì)點(diǎn)的水平速度；dux/dt為波浪質(zhì)點(diǎn)的水平加速度；ρ為海水密度；CD為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；D為圓柱體直徑。

大體積結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)波動(dòng)場(chǎng)有顯著影響，故對(duì)入射波浪的散射效應(yīng)以及自由表面效應(yīng)必須考慮。入射波和散射波的疊加達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)將形成一個(gè)新的波動(dòng)場(chǎng)，新波動(dòng)場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的總速度勢(shì)由未擾動(dòng)的入射波的速度勢(shì)和結(jié)構(gòu)物對(duì)入射波的散射速度勢(shì)兩部分疊加組成。基于拉普拉斯方程和自由水面、海底面、結(jié)構(gòu)物表面和無(wú)窮遠(yuǎn)處的邊界條件可求得總速度勢(shì)，再應(yīng)用線性化的貝努利方程便可得到結(jié)構(gòu)物表面上的波壓強(qiáng)分布，通過(guò)面積積分可得到大體積結(jié)構(gòu)物的波浪荷載。邊界條件不同基本解答也不相同，與海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相關(guān)的解答主要包括沉底圓柱、截?cái)鄨A柱和上覆圓柱等三類。

深度z處作用于結(jié)構(gòu)物單位高度范圍內(nèi)的海流力標(biāo)準(zhǔn)值fw采用下式計(jì)算，并適當(dāng)考慮遮流、淹沒(méi)深度和水深影響。

(2)

式中，V為某一深度z處水流設(shè)計(jì)流速；ρ為海水密度；A為計(jì)算構(gòu)件在與水流垂直平面上的投影面積；Cw為水流阻力系數(shù)。

大面積冰場(chǎng)對(duì)樁或墩產(chǎn)生的極限冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值宜按下式計(jì)算：

FI=ImkBHσc

(3)

式中，F(xiàn)I為極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值；I為冰的局部擠壓系數(shù)；m為樁、墩迎冰面形狀系數(shù)；k為冰和柱、墩之間的接觸條件系數(shù)，可取0.32；B為樁、墩迎冰面投影寬度；H為單層平整冰計(jì)算冰厚；σc冰的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載wk按照下式計(jì)算：

wk=βzμsμzw0′

(4)

4.2 樁基分析

樁基分析包括兩方面，一方面為樁基承載力計(jì)算，另一方面為考慮樁土相互作用剛度下的位移分析。

4.2.1 豎向分析

當(dāng)采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法時(shí)，根據(jù)土的物理指標(biāo)和承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(5)

式中，Qsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長(zhǎng)；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

樁基抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)破壞形式選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。當(dāng)群樁呈非整體破壞時(shí)，計(jì)算式為：

Tuk=∑λiqsikuili

(6)

式中，Tuk為樁基極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值；ui為樁身周長(zhǎng)；li為樁周第i層土的厚度；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；λi為抗拔系數(shù)，。

樁基永久沉降采用考慮樁徑影響下基于Mindlin應(yīng)力積分解的單向壓縮分層總和法。該積分解將樁頂荷載劃分為樁端均勻分布和沿樁身三角形分布的面荷載形式積分得到。分層總和法沉降計(jì)算厚度確定采用應(yīng)力比法。

在豎向荷載下樁身位移采用荷載傳遞函數(shù)法計(jì)算。荷載傳遞法取決于樁側(cè)摩阻力與剪切位移關(guān)系，也取決于樁端阻力與豎向位移的傳遞函數(shù)關(guān)系，傳遞函數(shù)類型不同將得到不同的荷載傳遞法。軟件中樁側(cè)阻力與位移采用t-z曲線法，樁端阻力與位移采用Q-z曲線法。

4.2.2 水平向分析

樁基水平承載力由樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或裂縫條件控制和樁身位移限值來(lái)確定。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移限值較小，水平承載力多由位移或轉(zhuǎn)角來(lái)控制。

樁基水平向受荷分析采用彈性地基梁法，也即p-y曲線法。軟件提供了多種計(jì)算方法，各方法可用下式統(tǒng)一表述：

p=kxmyn

(7)

式中，p為樁側(cè)向土壓力；x為深度；y為樁身?yè)隙?；k、m、n為待定參量。

當(dāng)式(7)中m=1，n=1時(shí)，對(duì)應(yīng)著m法； 當(dāng)m=2/3，n=1/3時(shí)，對(duì)應(yīng)著NL法。當(dāng)取其它非線性關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)著其它方法，軟件中對(duì)于一般黏土采用Matlock(1970)方法[7]，硬粘土采用Reese&Welch(1975)方法[8]，砂土采用Murchison&O′Neill(1991)方法[9]，軟巖采用Reese(1997)方法[10]。軟件同時(shí)考慮了循環(huán)荷載效應(yīng)對(duì)樁基水平受荷的影響。

上述方法難以適用于海上大直徑單樁基礎(chǔ)分析，此外還應(yīng)考慮循環(huán)荷載效應(yīng)對(duì)單樁的影響[11]。對(duì)于大直徑單樁基礎(chǔ)軟件采用W.Li & K.Gavin(2014)方法[12]來(lái)分析，該方法基于靜力觸探原位測(cè)試數(shù)據(jù)和大比尺現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而得到的方法。

4.3 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析包括靜力分析、模態(tài)分析和疲勞分析三大類，均通過(guò)有限單元法來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)特性分別采用了考慮剪切變形的Timoshenko梁?jiǎn)卧⒑癖“逋ㄓ玫陌鍐卧?、平面?yīng)力元等。質(zhì)量矩陣采用一致質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣采用瑞利阻尼，即：

C=αM+βK

(8)

式中，C為阻尼矩陣；M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；α，β為比例阻尼系數(shù)。

樁土相互作用采用t-z曲線法和p-y曲線法。荷載按照分布特性分為點(diǎn)荷載、線荷載和面荷載來(lái)分別施加。荷載施加時(shí)應(yīng)與設(shè)計(jì)水位和不同相位下的波面分布形態(tài)相匹配。

靜力分析時(shí)，采用迭代法求解以下方程：

Kδ=F

(9)

式中，δ為節(jié)點(diǎn)位移矩陣；F為節(jié)點(diǎn)荷載矩陣；K為總體剛度矩陣。

模態(tài)分析時(shí)，采用里茲向量疊加法求解以下方程：

Kφ+ω2Mφ=0

(10)

式中，ω為前n階特征值；φ為前n階特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，采用振型疊加法求解以下方程：

(11)

疲勞分析采用譜疲勞分析方法。波浪譜采用了Pierson-Moskowitz譜和Jownswap譜，前者適用于無(wú)限風(fēng)區(qū)由風(fēng)速引起的充分發(fā)展的波況，后者適用于有限風(fēng)區(qū)下未充分發(fā)展的波況。短期應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)采用Rayleigh函數(shù)，并采用Wirsching&Light(1980)方法進(jìn)行帶寬雨流計(jì)數(shù)修正。

疲勞損傷度計(jì)算采用線性累積Palmgren-Miner準(zhǔn)則，并應(yīng)考慮單段或多段S-N曲線形式對(duì)積分結(jié)果的影響。風(fēng)波疲勞組合疊加采用M.Kuhn(1999)方法[14]。

5 算例

5.1 工程概況

我國(guó)某海上風(fēng)電場(chǎng)采用5MW風(fēng)電機(jī)組，塔筒底部直徑6m，頂部直徑3.5m。風(fēng)輪、機(jī)艙和發(fā)電機(jī)總重為260t，塔筒質(zhì)量為445t。風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.133～0.299Hz， 3P轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.400～0.897Hz。極端工況和正常運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)荷載如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)荷載

荷載工況Fz/kNMz/kN·mFxy/kNMxy/kN·m極端工況-7200-10501450135000極端工況-73008201550128000正常運(yùn)行工況-71003100105082000

擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，該場(chǎng)地類別為Ⅲ類。場(chǎng)地土層特性參數(shù)見(jiàn)表3，第⑥層和第⑦層極限樁端阻力分別為2 500kPa和2 300kPa，壓縮模量分別為15MPa和13MPa。

表3 土層特性參數(shù)

土層編號(hào)名稱層厚(m)重度(kN/m3)極限側(cè)阻力(kPa)抗拔系數(shù)內(nèi)摩擦角(°)Cu(kPa)①淤泥6161505—25②粘土101825065—50③粉質(zhì)粘土8183007—55④粘土51752007—40⑤粉砂1219500530—⑥粘質(zhì)粉土17196007—65⑦粉質(zhì)粘土101855008—50

海區(qū)的設(shè)計(jì)水位和重現(xiàn)期為50年的波浪設(shè)計(jì)要素見(jiàn)表4。海水平均流速不超過(guò)1.2m/s，重現(xiàn)期50年的基本風(fēng)壓0.7kPa。多年平均水溫為20℃，多年平均鹽度為32。

表4 水位與設(shè)計(jì)波浪要素

水位高程/m波高/m周期/s極端高水位4886118設(shè)計(jì)高水位4182118設(shè)計(jì)低水位-2568118極端低水位-3065118

采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)底標(biāo)高取6m，平臺(tái)上部采用圓形結(jié)構(gòu)形式，承臺(tái)底部直徑為17m，頂面直徑為8.5m，圓柱段高度3.5m，圓臺(tái)段高度為2m，承臺(tái)采用現(xiàn)澆C40高性能海工混凝土。

樁基采用鋼管樁，樁數(shù)10根，樁徑2m，樁頂標(biāo)高為6m，樁端高程-71.00m，樁長(zhǎng)78m，持力層為第⑥層粘質(zhì)粉土層。在承臺(tái)底面高程處，樁均布于直徑13m的圓形軌跡曲線上，樁基采用斜樁布置形式，斜率為6： 1。

5.2 計(jì)算結(jié)果

將上述設(shè)計(jì)變量輸入軟件后，荷載組合采用組合系數(shù)方式，波流疊加選擇力矢量疊加模式。波浪計(jì)算方法采用10階流函數(shù)方法。水平受荷樁分析采用p-y曲線法。

樁基承載力驗(yàn)算中軟件自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)工況數(shù)為64個(gè)，樁基承載力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表5，表中僅列出全部工況中的最不利結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明承載力滿足要求。

表5 樁基承載力驗(yàn)算

項(xiàng)目最大荷載/kN承載力/kN荷載/承載力豎向承載力驗(yàn)算7904410000079抗拔承載力驗(yàn)算301555000060水平承載力驗(yàn)算1751700025

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算時(shí)軟件自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)工況數(shù)為16個(gè)，塔筒底部最大水平位移15.8mm，傾斜率0.84‰，泥面處最大水平位移5.2mm，傾斜率0.41‰。位移云圖如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)水平變形云圖

采用FDOW軟件進(jìn)行整機(jī)模態(tài)分析，前3階頻率分別為0.3638Hz、0.3649Hz、1.2081Hz，均能避開風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率1P和葉片通過(guò)頻率3P分布帶5%以上的安全余度。整機(jī)主振周期對(duì)應(yīng)的模態(tài)位移如圖6所示。

圖6 整機(jī)第1階振型圖

6 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用海工設(shè)計(jì)軟件或有限元通用分析軟件應(yīng)明確各軟件分析方法的適用性和局限性，盲目地全盤接受會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，對(duì)于工程設(shè)計(jì)是危險(xiǎn)的。而采用針對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門開發(fā)的軟件則更具有針對(duì)性，計(jì)算結(jié)果也更具指導(dǎo)性。

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)具備全過(guò)程的計(jì)算功能，包括靜力計(jì)算、地震工況計(jì)算、承載力計(jì)算、位移計(jì)算、配筋與裂縫計(jì)算、模態(tài)分析、疲勞分析、灌漿節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、防沖刷設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)、靠船防撞設(shè)計(jì)等。

鑒于我國(guó)目前尚處于海上風(fēng)電開發(fā)的初期階段，相關(guān)分析方法的可靠性和適用性仍難以把控，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用多種平行分析方法來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析可以更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

軟件設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)保證計(jì)算工況的完備性，計(jì)算工況應(yīng)涵蓋風(fēng)機(jī)荷載方位與環(huán)境荷載方位的偏角、荷載作用方位的任意性、荷載與不同設(shè)計(jì)水位的匹配、波浪相位與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

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Development and Application of Offshore Wind Turbine Foundation Design Software FDOW

Wang Wei1， 2， Yang Min2， Wang Ruixiang1

(1.ShanghaiTongjiQimstarScience&DevelopmentCo.，Ltd.，Shanghai200092,China; 2.CollegeofCivilEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092,China)

Design of offshore wind turbine foundation involves multi-disciplinary fields and contains various subitems，so software is often needed to assist designing.On the other hand，marine engineering design software and finite element analysis software is not specifically developed for offshore wind turbine foundation，then make it very necessary to develop professional software.The design process and main contents of foundation design is firstly introduced，the software’s main functions including load calculation，combination of load，pile analysis，foundation analysis and result output have to be developed to achieve the above requirements.The kernel modules contain visualization function，integrated designing，foundation input and reconfigurable computing.Then calculation methods and main principle embedded in software is introduced.Lastly application of software FDOW to design offshore wind turbine foundation is given with one practical project.

Offshore Wind Turbine； Foundation Design； Software； Pile； Bearing Capacity； Fatigue

王偉(1977-), 男, 工學(xué)博士, 高級(jí)工程師。主要從事地基基礎(chǔ)工程和土木工程信息化等方面的研究。

TV223；TP311.52

A

1674-7461(2016)06-0008-10