摘? 要：?jiǎn)螛痘A(chǔ)是海上風(fēng)電機(jī)組中的重要結(jié)構(gòu)，單樁支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)會(huì)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用造成直接影響?；诖?，該文從單樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)入手，針對(duì)單樁支撐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，在對(duì)單樁基礎(chǔ)特的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述基礎(chǔ)上，再對(duì)海上風(fēng)電機(jī)中單樁支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望文中內(nèi)容可以對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量的提高，以及相關(guān)工作人員能夠有所幫助。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電? 單樁基礎(chǔ)? 機(jī)組? 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(fēng)電機(jī)組中采用的支撐結(jié)構(gòu)有很多種，而單樁基礎(chǔ)是其中應(yīng)用最廣泛的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用期間具有用鋼量少、支撐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)施工方便及經(jīng)濟(jì)性兩方面。

1? 單樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)

海上風(fēng)電機(jī)組是由大直徑鋼管構(gòu)成，是現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最常用的一項(xiàng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其重量主要集中在150～400 t，適合應(yīng)用在淺水或中等水域，并且土相對(duì)較好的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，這種基礎(chǔ)類型的項(xiàng)目目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并且從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看也取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。單樁基礎(chǔ)在海上風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)就是安裝簡(jiǎn)單，而且不需要進(jìn)行海床準(zhǔn)備[1]。但是，該方式在應(yīng)用期間也存在一定缺點(diǎn)，主要是移動(dòng)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(diǎn)海床是巖石，這會(huì)提高鉆孔費(fèi)用[2]。雖然單樁基礎(chǔ)應(yīng)用期間存在一定缺點(diǎn)，但不能掩蓋其在應(yīng)用期間存在的優(yōu)點(diǎn)，因此，可以在海上風(fēng)電機(jī)機(jī)組中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，為了確保其作用能夠得到合理發(fā)揮，要加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分析。

2? 海上風(fēng)電機(jī)中單樁支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 分析荷載

風(fēng)電機(jī)組載荷是樁基礎(chǔ)承受機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵載荷。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是海洋工程領(lǐng)域中一項(xiàng)重要內(nèi)容，而風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要內(nèi)容，在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，為了保證設(shè)計(jì)的合理性，要采用專業(yè)軟件對(duì)風(fēng)機(jī)荷載情況進(jìn)行計(jì)算。海洋結(jié)構(gòu)工程師在實(shí)際作業(yè)期間，只關(guān)心支撐結(jié)構(gòu)塔筒頂部截面，塔筒底部基準(zhǔn)法蘭面載荷，這些數(shù)據(jù)內(nèi)容通產(chǎn)都由海上風(fēng)機(jī)制造商提供[3]。廠商依據(jù)選取規(guī)范，對(duì)特殊工況下的極限荷載值進(jìn)行計(jì)算，主要包括極端、正常運(yùn)行、地震、疲勞等不同類工況。單樁風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用具有結(jié)構(gòu)荷載傳遞的優(yōu)勢(shì)，其在應(yīng)用期間，結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)期明顯小，但該項(xiàng)內(nèi)容也要引起相關(guān)人員重視。

海上風(fēng)機(jī)電阻與陸地機(jī)組相比不同，前者長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)受到大風(fēng)、海流等各項(xiàng)因素影響，海洋環(huán)境荷載計(jì)算時(shí)，為了確保最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，要嚴(yán)格依據(jù)海洋工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。在對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，載荷是一項(xiàng)重要考慮因素，因此，在實(shí)際作業(yè)期間，相關(guān)工作人員要提高對(duì)該項(xiàng)工作的重視[4]。

2.2 分析動(dòng)力特性

單樁結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用期間具有柔性大、剛度小特點(diǎn)，這就導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組、支撐結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)整體剛度偏小，這也會(huì)加大動(dòng)態(tài)位移和自振周期。因此，可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）同波浪中的某些頻率會(huì)發(fā)生共振，這會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力效應(yīng)被顯著放大，也會(huì)增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

（2）動(dòng)態(tài)位移會(huì)顯著提升，無(wú)法滿足風(fēng)電機(jī)組在應(yīng)用期間，各種顯著要求。

2.2.1 動(dòng)力特性受樁土約束影響

在對(duì)單樁支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性情況進(jìn)行分析時(shí)，樁-土系統(tǒng)一般被模擬為梁-彈簧系統(tǒng)。單樁基礎(chǔ)在海底土層中應(yīng)用，采取彈性梁理論完成相應(yīng)的處理，而針對(duì)土壤剛度，在具體模擬上，要采用帶由剛度的彈簧完成相應(yīng)的模擬，在實(shí)際分析期間，側(cè)向剛度彈簧會(huì)對(duì)動(dòng)力特性造成直接影響。在計(jì)算側(cè)向剛度時(shí)，最常用的方式就是API RP 2A-WSD中的p-y方法，對(duì)該方法進(jìn)行應(yīng)用，施工中的細(xì)長(zhǎng)入泥樁的直徑大小集中在0.6～2.0 m，單樁風(fēng)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)直徑大小要集中在4.0～6.0 m。

2.2.2 動(dòng)力特性受沖刷的影響

樁基是海上風(fēng)電場(chǎng)中一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)，其在海岸附近，海流和潮汐變化會(huì)導(dǎo)致樁基中的土層時(shí)而在水面之下，時(shí)而在水面上，這種變化會(huì)導(dǎo)致樁基在具體應(yīng)用期間經(jīng)常會(huì)遭受海水侵蝕，這一情況的存在會(huì)使樁基附近的土壤全都被沖走，這會(huì)對(duì)表面土壤側(cè)向承載力和地基軸向承載力遭受較大影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組樁基的性能造成影響，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)遭受破壞[5]。在具體設(shè)計(jì)期間，可以假設(shè)沖刷深度，國(guó)內(nèi)外的許多研究規(guī)范都對(duì)沖刷深度給出了一個(gè)建議值，深度通常都設(shè)定為樁基的1.3～2.5倍之間。在海上風(fēng)電機(jī)組建設(shè)期間采用單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，假定不同沖刷深度，通過(guò)去除樁基附近地表層土壤剛度方法，對(duì)樁基附近土壤沖刷效應(yīng)進(jìn)行模擬，從而完成深度對(duì)支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響情況的分析。

2.3 疲勞極限狀態(tài)分析

設(shè)計(jì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)復(fù)雜工作，在實(shí)際設(shè)計(jì)期間需要考慮許多工況，疲勞工況是具體設(shè)計(jì)期間一項(xiàng)重要工況內(nèi)容，其是支撐結(jié)構(gòu)控制工況中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際期間，相關(guān)工作人員必須提高對(duì)該項(xiàng)內(nèi)容的重視。

分析海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞情況時(shí)，不僅要對(duì)波浪荷載作用進(jìn)行全面考慮，而且還要考慮風(fēng)機(jī)機(jī)組荷載對(duì)結(jié)構(gòu)造成的具體影響，因此，要將葉片、風(fēng)機(jī)機(jī)組，以及支撐結(jié)構(gòu)視作一個(gè)整體，進(jìn)而完成對(duì)疲勞損傷和動(dòng)力相應(yīng)計(jì)算。但是，從實(shí)際情況來(lái)看，要想構(gòu)建整體模型部現(xiàn)實(shí)的，主要是受商業(yè)保密，以及整體時(shí)域分析計(jì)算量大因素限制，這都導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)，定型和修改都面臨較大困難，難以實(shí)現(xiàn)。從現(xiàn)階段的情況來(lái)看，常用的做法就是將海上風(fēng)電機(jī)組上部分循環(huán)載荷內(nèi)容進(jìn)行提取，分析支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，要做好相應(yīng)內(nèi)的容考慮與分析[6]。在項(xiàng)目工程具體施工期間，可以依據(jù)工程實(shí)際情況，構(gòu)建與實(shí)際情況相符的專業(yè)數(shù)據(jù)接口，通過(guò)科學(xué)計(jì)算方法，耦合波浪疲勞載荷和風(fēng)機(jī)疲勞載荷。

3? 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某海上風(fēng)電廠采用的單樁支撐采用的是長(zhǎng)度為的56.5 m的圓形結(jié)構(gòu)，鋼材料的屈服強(qiáng)度為354 MPa。對(duì)采用的樁基的情況進(jìn)行全面分析，通過(guò)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(dá)到了45.8 m，海上風(fēng)電廠中采用的風(fēng)電機(jī)組為4 M。

3.2 海上風(fēng)電廠樁基結(jié)構(gòu)的建模分析

通過(guò)對(duì)有限元軟件進(jìn)行應(yīng)用，完成對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組樁基結(jié)構(gòu)的有限建模。一般來(lái)說(shuō)，單樁風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在建模期間需要考慮的內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）采用的風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量模型，其如果質(zhì)量存在問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)對(duì)后續(xù)的分析、建設(shè)、應(yīng)用造成不良影響;

（2）支撐結(jié)構(gòu)采用的有限元模型;

（3）海上風(fēng)電機(jī)組下部樁基礎(chǔ)，以及周圍土壤的相互作用，以及約束模型。

在對(duì)海上風(fēng)電機(jī)具體情況進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁-土壤相互作用模型對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析造成的影響都十分明顯。在計(jì)算地基的承載力大小，以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特征時(shí)，要全面考慮計(jì)算效率，以及工程計(jì)算可以接受的精度等多項(xiàng)影響因素。因此，本次工程設(shè)計(jì)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(gòu)建一個(gè)與實(shí)際情況相符的實(shí)體模型，通過(guò)對(duì)建立土地的應(yīng)用，完成對(duì)樁基的合理約束。第二種：對(duì)土地約束進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈姆蔷€性彈簧，滿足應(yīng)用需求。第三種：將與風(fēng)管機(jī)和塔筒相等效的彈簧約束模型加入到設(shè)計(jì)中，進(jìn)而完成對(duì)自動(dòng)頻率大小的精準(zhǔn)計(jì)算。

4? 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電機(jī)組單樁支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)期間，要對(duì)工程情況進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)借鑒，采取合理方式，完成相應(yīng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證單樁支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性，確保海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與合理性，降低事故發(fā)生幾率。

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作者簡(jiǎn)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?yàn)樗そY(jié)構(gòu)及風(fēng)電場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。