一種加裝穩定翼的海上風電負壓桶型基礎研究

李 煒

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014)

一種加裝穩定翼的海上風電負壓桶型基礎研究

李 煒

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014)

針對海上風電負壓桶型基礎，以提高桶基水平承載性能和降低結構動力響應為目的，提出了一種加裝穩定翼的負壓桶型基礎型式。通過在桶身設置一組穩定翼，使得桶周土抗力得以充分利用。以單立柱負壓桶基為例，建立桶土全實體有限元模型，進行了靜力分析和包括模態分析、瞬態分析、譜分析在內的動力分析。結果表明:穩定翼的設置增強了桶基水平承載性能;水平位移和動力響應顯著減小;結構低階固有頻率略有提高。

海上風電;負壓桶;穩定翼;動力響應

隨著全球對于開發可再生能源的興起，海上風能的開發成為時下的熱點。我國海上風電開發也已全面展開。在海上風電場的建設中，基礎結構成本占總造價的比例較高，加之所處環境復雜，成為研究的重點和難點［1-6］。

負壓桶型基礎(suction bucket)又稱吸力筒基礎，分為單桶和多桶等結構型式。淺海、深海皆可運用，其中，淺海中的負壓桶實際上是傳統樁基和重力式基礎的結合;在深海海域則是作為張力腿浮體支撐的錨固系統。

根據滲流理論和桶基負壓沉貫原理［7］，將傳統導管架平臺的樁基礎改變成一個短粗的剛性開口薄壁圓筒殼構造的桶型基礎，利用桶基自重和上部結構重量，將桶基壓入海底一定深度，形成密封條件，然后用泵抽吸桶基內部，造成桶內外的負壓，并通過該壓力差將桶體壓入海底預定深度達到固定的作用。

負壓桶基礎設計需要考慮的因素也較多，設計難度較大，DNV規范推薦適用水深為0～25 m。負壓桶基礎起步較晚，發展時間也不長，應用還不成熟，一些風險分析不全面，因此暫不推薦此種方案。可以說，負壓桶基礎尚處于研究階段，但隨著研究的深入，必將推進其在海上風電基礎設計中的應用。

與其它類型的海上風電基礎結構一樣，負壓桶型基礎也需要滿足基礎剛度和轉角控制兩個方面的要求。

眾所周知，樁側土抗力大部分由近地表的淺層土發揮，因此，如何充分利用淺層土的土抗力成為提高基樁水平承載性能的關鍵。本項研究給出了一種對海上風電負壓桶型基礎加裝翼板的構思，以下稱為加翼負壓桶型基礎，通過在常規負壓桶型基礎外周設置穩定翼，使淺層土的抗力得到充分發揮，進而提高基礎剛度，降低結構的動力響應。并借助數值模擬，對其進行了靜、動力學分析。

1 加翼負壓桶型基礎

1.1 基本構造

加翼負壓桶型基礎結構布置見圖1，其中(a)、(b)為大直徑加翼負壓桶型基礎立面圖;(c)為小直徑加翼負壓桶型基礎立面圖。

加翼負壓桶基礎的負壓桶部分與傳統鋼制負壓桶型基礎無異。根據負壓桶桶徑，區分為大直徑(D=10～25 m)、小直徑(D=4～10 m)兩種情況。對于前者，即采用單個大型的負壓桶基，上部結構(同單樁、多樁等基礎結構中泥面以上的結構)整體固定于桶頂;對于后者，則屬于多桶型結構，即將樁承式基礎的每一個樁替換為一個小直徑負壓桶基礎。

穩定翼為與桶基同材質的鋼板，布設方式:以桶基為中心呈放射狀布置，長度(L)方向與桶基軸向平行，寬度(W)方向與桶基軸向垂直。對于大直徑負壓桶，根據桶徑設置4～8個翼板，寬度(W)取5～8 m;長度(L)取H/2≤L≤H(H為桶基高度)且從泥面開始設置(考慮沖刷時，從計算泥面開始設置)。對于小直徑負壓桶，根據桶徑設置3～4個翼板，寬度(W)取D/2≤W≤D;長度(L)取H/2≤L≤H。

圖2為細部構造或處理的示意圖，(a)為大直徑加翼負壓桶型基礎加8個穩定翼的剖面示意圖;(b)為小直徑加翼負壓桶型基礎加4個穩定翼的剖面示意圖;(c)為對穩定翼進行優化的示意圖。

圖1 基本構造示意Fig.1 Basic structure

圖2 細部示意Fig.2 Detail drawing

圖1～2中:1為負壓桶;2為穩定翼;3為加強支撐構件;4為上部結構(單樁時為塔筒;多樁時為導管架);5為泥面;6為穩定翼內側(與單樁連接一側);7為穩定翼外側;8為穩定翼上緣;9為穩定翼下緣;L為穩定翼長度;W為穩定翼寬度;θ1為減阻角(降低沉樁阻力);θ2為減緩應力集中坡角(降低應力集中)。

考慮到沉樁過程中穩定翼入土時所受阻力，在穩定翼與桶基連接處增設加強支撐構件3;并對穩定翼先入泥一側翼緣進行坡度化處理(設置減阻角θ1);考慮到穩定翼上翼緣與桶基連接處會出現應力集中，可在此增設減緩應力集中坡腳(θ2)。

1.2 結構說明及實施方式

本研究中加翼負壓桶型基礎的具體實施方式:

1)預制及加工

選材:穩定翼選材無特殊性，可與鋼制桶基等同。

選型:穩定翼幾何形狀為板狀(由長、寬、厚三個基本指標確定)。基本形狀為矩形，考慮打樁阻力及應力集中，可將上、下翼緣進行坡度化處理:考慮穩定翼會增加沉貫阻力，可將穩定翼下翼緣坡度化處理(加工成帶減阻角θ1);考慮穩定翼上翼緣與基樁連接處易發生應力集中，進行坡度化處理(加工成帶減緩應力集中坡角θ2);沉貫阻力的增加需通過相應計算確定，進而對θ1和θ2進行調整。

加工:穩定翼除上述對于上、下翼緣必要的坡度化處理之外，無特殊加工要求。

裝配:穩定翼與桶基鏈接采用焊接，并輔助設置必要的支撐構件。

2)沉樁、調平施工

沉樁施工同傳統無穩定翼負壓桶基礎的負壓沉貫、調平過程。

3)上部構件施工

由于沉樁施工完成后穩定翼完全位于泥面以下，因此不會對上部結構的施工造成任何影響。

2 加翼負壓桶型基礎效果檢驗

2.1 有限元模型

負壓桶直徑D=20 m(壁厚t=70 mm)，入土(高度)H=8 m;穩定翼設置8片，以桶基軸線為中心沿外桶呈放射狀等間距布置，尺寸:L=H、W=D/4、T=t;上部采用圖1(a)所示的單樁塔筒型式，直徑4.5 m。

桶周土體黏聚力c=20 kPa，摩擦角φ=32°，容重γ=20 kN/m3。

有限元模型采用大型有限元分析軟件ANSYS建立，如圖3所示，其中(a)為負壓桶型基礎及桶周土體有限元模型及網格，用于下述靜力分析;(b)為在(a)模型基礎上補充上部塔筒、機艙、輪轂、葉片等之后的整體結構模型及網格，用于下述動力分析。桶基、土體均采用實體單元(solid)模擬，并在交界面上設置接觸單元;土體本構模型遵循D-P準則。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 靜力分析

靜力分析重點針對桶基進行，建立圖3(a)所示的有限元模型并劃分網格。其中，采用0.5～30.0 MN范圍內的九級靜荷載，并施加在桶基頂(與泥面同高程)以上2 m位置。荷載-位移及荷載-轉角曲線如圖4、5所示。可見，加翼后的桶基水平位移得到有效控制，降低的幅度隨水平載荷的增加而增大。各荷載作用下，位移、轉角降低幅度如圖6所示。可見，伴隨荷載的增加，穩定翼對于降低單樁的水平位移、轉角的作用愈加明顯。

這里取30 MN作用時桶基水平位移、應力云圖見圖7、8。從桶基應力云圖可見，加裝穩定翼后，桶基最大應力提高，且加翼負壓桶基的應力最大值出現在荷載作用方向正前方一片穩定翼與桶基連接處的上緣(49.7 MPa)，這也是上述對穩定翼上緣進行坡度化處理(設置θ2)的原因。

圖4 H0-X0曲線Fig.4 H0-X0curve

圖 5 H0-θY0 曲線Fig.5 H0-θY0curve

圖6 降低幅度Fig.6 Decreasing amplitude

圖7 桶基X方向水平位移Fig.7 X-Displacement of bucket

圖8 桶基應力Fig.8 Stress of bucket

2.3 動力分析

動力分析采用圖3(b)的整體結構模型。本例假定平均海平面為0高程，泥面高程為-24.9 m，法蘭高程5 m，塔筒頂部高程87 m。以模態分析為基礎，包括諧響應分析、沖擊荷載作用下的瞬態分析、波浪譜分析。其中，動力荷載均假定作用在3 m高程位置。

1)模態分析

提取結構前3階自振頻率如表1所示。表1中1階、2階、3階自振頻率分別為結構整體YZ平面內平搖、XZ平面內平搖和繞Z軸的轉動。可見，加翼后，結構整體固有頻率略有提高，尤其對1、2階振型所對應的自振頻率的提高幅度較大。

2)諧響應分析

復雜荷載作用時的情況可通過Fourier變換近似成簡諧荷載的求和形式，在系統線性的假定條件下，單自由度體系承受簡諧荷載時的特性可以方便地推廣到任意荷載條件下單自由度系統的情況，研究簡諧荷載的情況是開展其它荷載情況的基礎［8-9］。

施加水平向(X方向)簡諧荷載作用。提取法蘭處水平方向(X方向)位移響應如圖9所示。可見，X方向位移響應峰值與結構1階自振頻率對應;加翼后位移響應峰值顯著降低。

3)瞬態分析——沖擊荷載作用

假定結構受圖10所示的X方向沖擊荷載作用，提取法蘭及塔筒頂部的X方向位移響應如圖11所示，最大位移響應列于表2。

表1 模態分析Tab.1 Mode analysis

表2 計算結果(沖擊荷載)Tab.2 Calculation results(impact load)

圖9 位移響應(簡諧荷載)Fig.9 Displacement response(harmonic disk load)

圖10 沖擊荷載時程曲線Fig.10 Time history of impact load

圖11 位移響應(沖擊荷載)Fig.11 Displacement response(impact load)

圖12 波浪力譜Fig.12 Wave load spectrum

可見，從響應曲線趨勢角度觀察:對于距離沖擊位置較近的法蘭處而言，緊隨沖擊荷載開始作用的t=2時刻開始出現峰值(t=2.1)，而對于距離沖擊位置較遠的塔筒頂部而言，其位移響應峰值發生時刻有所滯后(t=2.3)，這是符合實際的;從響應曲線峰值大小角度觀察，加翼后單樁的位移響應顯著降低。

4)波浪譜分析

假定結構受到圖12所示波浪譜作用，作用方向為X方向，法蘭及塔筒頂處X方向位移響應如圖13所示。可見，0～1 Hz范圍內，響應曲線出現兩個較為明顯的峰值，且分別與波浪譜頻率及結構1階自振頻率對應，兩者之間的差異決定了結構發生共振的可能性;從響應曲線峰值觀察，加翼后桶基的位移響應得到顯著降低。

圖13 位移響應(波浪荷載)Fig.13 Displacement response(wave load)

3 結語

以充分利用淺層土的土抗力為設計思路，對一種加裝穩定翼的海上風電負壓桶型基礎進行了研究，對其構造、效果及實施方法進行了詳細闡述。通過有限元仿真，從靜力學、動力學角度對穩定翼的設置效果進行了驗證。加翼負壓桶型基礎有益效果總結如下:

1)充分發揮近地表淺層樁前土的抗力，增強桶基水平承載性能;

2)達到與無穩定翼普通負壓桶基礎同等的承載性能時，加翼負壓桶基的負壓桶尺寸得以減小，相應的材料、施工成本得以降低;

3)不會影響負壓沉貫施工，且由于沉樁后穩定翼位于海床泥面以下，因此不會對上部結構的安裝等產生影響。加翼對結構整體固有頻率影響較小(略有提高)。

［1］李 煒，鄭永明，周 永.海上風電基礎ANSYS數值模擬［J］.水運工程，2010(8):125-128.

［2］Kuo Y-S，Achmus M，Kao C-S.Practical design considerations of monopile foundations with respect to scour［C］∥Global Wind Power.2008:104.

［3］李 煒，鄭永明，周 永.近海風電基礎樁土作用3D有限元模擬［J］.水電能源科學，2010，28(8):162-164.

［4］LI Wei.Study on the fuzziness in fatigue life estimation of the foundation of offshore wind turbine［J］.Advanced Materials Research，2011(243-249):4741-4745.

［5］李 煒，李華軍，鄭永明，等.海上風電基礎結構大直徑鋼管樁水平靜載荷試驗數值仿真［J］.水利水電科技進展，2011，31(4):69-72.

［6］黃維平，劉建軍，趙戰華.海上風電基礎結構研究現狀及發展趨勢［J］.海洋工程，2009，27(2):130-134.

［7］王 靖，許 濤.海上桶形基礎采油平臺綜合分析［J］.海洋技術，2003(3):27-28.

［8］張樞文.海洋平臺結構損傷識別與健康監測技術研究［D］.鎮江:江蘇科技大學，2007.

［9］李 煒，李華軍，鄭永明，等.海上風電基礎結構疲勞壽命分析［J］.水利水運工程學報，2011(3):70-76.

Study on a new type of suction bucket foundation with wings for offshore wind turbine

LI Wei
(Huadong Engineering Corporation of HYDROCHINA，Hangzhou 310014，China)

Suction bucket foundation for offshore wind turbine is investigated.A new type of suction bucket foundation with steelwings，named the wing-bucket foundation，is studied to improve its horizontal bearing capacity and dynamic response character.A group of wings are set outside the suction bucket;and the shallow earth reaction in front of the bucket is taken into full play.The finite element model of bucket and soil using solid element is founded.Static analysis and dynamical analysis including mode analysis，transient analysis and spectrum analysis are carried out by a typical example of a single-suction bucket foundation.It is revealed that the horizontal bearing capacity of suction bucket foundation is enhanced with the setting of wings，that the horizontal deflection and dynamic response are reduced，and that the lower-order natural frequencies are increased appreciably.

offshore wind turbine;suction bucket;wing;dynamic response

P752

A

1005-9865(2012)01-0145-06

2011-04-06

中國水電顧問集團華東勘測設計研究院院立項課題(KY2010-02-19，KY2011-02-07-02)

李 煒(1981-)，男，山東淄博人，工程師，博士后，從事海上風電基礎樁土作用及結構疲勞方面的研究。E-mail:li—w@ecidi.com