海上風電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題探討

文 | 張星波 劉勵學(xué)

海上風電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題探討

文 | 張星波 劉勵學(xué)

從上個世紀90年代起，歐洲人已經(jīng)開始著手海上風電的研究工作，截止2013年歐洲海上風電的裝機容量已達6500MW，在技術(shù)上已經(jīng)相對成熟。國內(nèi)的海上風電起步較晚，目前僅建成一個真正意義上的海上風電項目上海東大橋海上風電場，經(jīng)驗積累及技術(shù)研究比較少。

海上風電與陸上風電最大的不同在于基礎(chǔ)的不同，基礎(chǔ)成本約占整個海上風電場投資的25%，因此降低基礎(chǔ)成本有利于提高整個風電場的經(jīng)濟性，推動海上風電的發(fā)展。歐洲已經(jīng)為海上風電設(shè)計、施工了將近2000臺基礎(chǔ)，其中70%為單樁基礎(chǔ)。國內(nèi)上海東大橋海上風電項目為高樁承臺式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)現(xiàn)場作業(yè)時間長、工作量大、成本高。

目前國內(nèi)海上風電處于起步階段，基礎(chǔ)的設(shè)計選型仍處于研究之中，本文主要對單樁基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵性問題進行探討。

海上風電單樁基礎(chǔ)介紹

單樁基礎(chǔ)由過渡段、單樁、平臺、爬梯等組成，如圖1所示。單樁直徑一般為4m－6m的鋼管樁，過渡段連接平臺和單樁，單樁貫穿到海床一定深度。樁的直徑根據(jù)載荷的大小、振動頻率而定，插入海床的深度與土壤的強度有關(guān)，可由液壓錘或震動錘貫入海床，或者在海床上鉆孔，一般應(yīng)用于水深不超過30米的區(qū)域。

單樁基礎(chǔ)設(shè)計輸入條件

單樁基礎(chǔ)海上風電機組由葉輪、機艙、塔筒、單樁基礎(chǔ)組成，海上風電機組所受載荷示意圖如圖2所示。

單樁基礎(chǔ)頂部承受風電機組傳遞的載荷，此外單樁還受到波浪、洋流、沖刷等作用的影響，插入海床內(nèi)的基礎(chǔ)還受到海床的反作用力，在基礎(chǔ)設(shè)計初期階段，需要明確與載荷及邊界條件相關(guān)的所有輸入條件。

圖1 單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 海上風電機組載荷示意圖

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

單樁基礎(chǔ)為薄壁錐狀或管樁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確定樁的外徑、壁厚、長度等參數(shù)即可。根據(jù)海上風電機組的結(jié)構(gòu)及受力特點，需要對分析系統(tǒng)的振動性能、單樁基礎(chǔ)的屈曲強度、疲勞強度及極限強度。因此在單樁基礎(chǔ)載荷及地質(zhì)條件已知的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題主要包含以下內(nèi)容：確定單樁各截面的設(shè)計高程、確定系統(tǒng)固有頻率、確定樁的外徑和壁厚、確定樁的入土深度、樁的屈曲計算、樁的疲勞損傷計算以及極限強度計算。

（一）確定設(shè)計高程

這里所說的設(shè)計高程為與水位相關(guān)的單樁基礎(chǔ)設(shè)計高程，包含工作平臺的高程、單樁頂部高程和過渡段底部高程。

工作平臺高程的設(shè)計原則是確保在海上風電機組壽命期內(nèi)，極限波浪打不到平臺，即確保極限浪高和平臺之間有一定的高度差。GL規(guī)范中規(guī)定了平臺地面高程的設(shè)計方法，如公式(1)所示：式中：Zplatform為工作平臺的高程

LAT為最低潮位

?Ztide為潮汐變化范圍

?Zsurge為涌浪變化范圍

?Zair為工作平臺底部與極限浪高之間的距離ξ*為極限浪高

單樁基礎(chǔ)頂部高程設(shè)計參考位置為最低潮位，一般位于最低潮位1m以上，這樣單樁的頂部一般能夠在海平面以上，方便施工過程中定位過渡段與單樁的連接。

過渡段底部高程設(shè)計，過渡段與單樁之間通過水泥灌漿連接，灌漿水泥連接段的長度一般為單樁外徑的1.5倍，因此確定單樁外徑與單樁基礎(chǔ)頂部高程之后即可確定過渡段底面高程。

（二）確定系統(tǒng)固有頻率

包含單樁基礎(chǔ)的風電機組系統(tǒng)第一階固有頻率是非常重要的，若激勵源與第一階固有頻率數(shù)值相差較少，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，造成局部應(yīng)力較大，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性。

對于海上風電機組來說，激勵源主要為波浪和風。對于波浪載荷需要避開主要疲勞波浪載荷的頻率，該頻率數(shù)值需分析具體海況的波浪模型。對于風載荷，由于風驅(qū)動葉輪進行旋轉(zhuǎn)，需要避開正常發(fā)電頻率（風電機組設(shè)計時，正常發(fā)電頻率稱為1P），此外每個葉片的掃掠頻率也需要避開，一般風電機組有3個葉片，因此需要避開1P和3P數(shù)值。

圖3所示為某海上風電單樁基礎(chǔ)設(shè)計時需要避開的頻率范圍示意圖，其中曲線為波浪的頻率分布，直方圖為風電機組1P和3P頻率范圍。對于該海上風電機組可以選取0.29作為系統(tǒng)一階頻率的設(shè)計值，該數(shù)值位于1P和3P之間，同是也避開了主要波浪疲勞載荷的激勵。

（三）確定單樁基礎(chǔ)的外徑和壁厚

設(shè)計初始階段，可以綜合考慮加工、制造、施工等因素假設(shè)單樁的外徑，單樁壁厚與外徑的初始之比一般可取1∶100，概念設(shè)計階段可認為壁厚不變，在詳細設(shè)計階段根據(jù)計算結(jié)果對壁厚進行優(yōu)化設(shè)計。一般情況灌漿水泥的厚度假定為50mm，灌漿的長度與直徑（單樁的外徑）之比為1.5。

設(shè)計初期階段可以假定過渡段的壁厚與單樁基礎(chǔ)的壁厚相同。單樁基礎(chǔ)的外徑確定之后，過渡段的外徑可以通過公式(2)計算得到：

式中：Dgd為過渡段外徑Ddz為單樁外徑tgd為過渡段壁厚tgj為灌漿厚度

根據(jù)海上風電機組系統(tǒng)的固有頻率計算結(jié)果，調(diào)整單樁的外徑和壁厚，過渡段的外徑隨著單樁外徑的調(diào)整而變化。

（四）確定單樁入土深度

圖3 某海上風電機組系統(tǒng)第一階固有頻率選擇

海上風電機組單樁承受橫向和軸向載荷的作用，對于單樁基礎(chǔ)來說入土深度一般由橫向極限載荷確定。風電機組設(shè)計規(guī)范中并沒有規(guī)定入土深度的計算方法，一般采用有限元法進行計算，樁土相互作用利用P－Y曲線模擬，PY曲線可以利用有限元軟件中的非線性彈簧模擬，單樁用梁單元模擬。

規(guī)范中規(guī)定的P－Y曲線計算方法一般適用于直徑小于2m的樁，單樁基礎(chǔ)直徑一般為4m－6m，因此應(yīng)用PY曲線時需要對其剛度進行修正。

（五）單樁基礎(chǔ)屈曲計算

單樁基礎(chǔ)為細長薄壁結(jié)構(gòu)，易發(fā)生屈曲破壞，因此在設(shè)計階段一般采用工程算法檢查其整體屈曲和局部屈曲。

單樁基礎(chǔ)整體屈曲可以按照GL規(guī)范中規(guī)定的方法，按公式（3）進行計算：

式中：Nd設(shè)計軸向壓縮載荷

Md設(shè)計彎矩

κ 屈曲縮減因子βm力矩系數(shù)

Np塑性壓縮抗力

Mp為塑性力矩抗力單樁基礎(chǔ)局部屈曲可以按照DIN18800中規(guī)定的方法，按公式（4）進行計算：

式中：σx為軸向壓縮應(yīng)力

σxu為極限軸向屈曲應(yīng)力σφ為周向壓縮應(yīng)力

σφu為極限周向屈曲應(yīng)力

（六）疲勞損傷計算

疲勞破壞為結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的突然破壞，疲勞強度計算的流程如下：結(jié)合疲勞載荷及結(jié)構(gòu)在單位載荷下的應(yīng)力生成應(yīng)力時間歷程，利用雨流計數(shù)法對應(yīng)力時間歷程進行處理，生成應(yīng)力循環(huán)，結(jié)合材料S－N曲線對單個應(yīng)力循環(huán)的疲勞損傷進行計算，最后將各個循環(huán)的疲勞損傷疊加計算結(jié)構(gòu)總疲勞損傷。單樁基礎(chǔ)為大型焊接結(jié)構(gòu)，疲勞損傷計算流程與一般結(jié)構(gòu)的疲勞損傷計算類似，這里只就疲勞損傷計算的關(guān)鍵問題進行探討。單樁基礎(chǔ)單位載荷應(yīng)力計算一般采用熱點應(yīng)力法，焊縫S－N曲線的選取需要參考IIW或ENV1993規(guī)范，疲勞損傷的計算采用Minner線性累積損傷理論。

風電行業(yè)焊縫單位載荷應(yīng)力的計算一般采用熱點應(yīng)力方法，關(guān)鍵焊縫焊趾處的應(yīng)力為熱點應(yīng)力，焊縫熱點應(yīng)力如圖4所示。

熱點應(yīng)力通過兩個參考點的應(yīng)力外推得到，不同的規(guī)范對兩個參考點的位置規(guī)定略有差別。參考點的應(yīng)力一般通過有限元法計算得到，因此在劃分網(wǎng)格的時候必須在參考點位置生成單元節(jié)點，以便于后面的應(yīng)力處理。

S－N曲線是影響疲勞壽命的一個非常重要因素。焊縫S-N曲線的選取一般參考IIW國際焊接協(xié)會推薦的規(guī)范或ENV1993規(guī)范，圖5所示為IIW推薦規(guī)范的S－N曲線，該曲線適用于壁厚小于25mm的焊接結(jié)構(gòu)，若厚度大于25mm需要對S－N曲線進行修正。

根據(jù)焊縫類型及焊接工藝的不同分為鋼結(jié)構(gòu)焊縫被分為13個等級，焊縫等級為2×106循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的應(yīng)力幅。曲線具有兩個不同的斜率，拐點左側(cè)的斜率為3，右側(cè)的斜率為5，IIW拐點對應(yīng)的循環(huán)數(shù)值為107，ENV1993拐點對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)數(shù)值為5×106，這是兩個規(guī)范給出的S－N曲線的唯一不同點。

圖4 焊縫熱點應(yīng)力

圖5 IIW焊縫S-N曲線

疲勞損傷的計算采用Minner線性累積損傷準則，認為結(jié)構(gòu)的疲勞損傷僅與應(yīng)力幅值及循環(huán)次數(shù)相關(guān)，與載荷的施加順序等因素都沒有關(guān)系，當各循環(huán)次數(shù)造成的損傷數(shù)值大于等于1時即認為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。這里有一點需要說明，對于風電行業(yè)的大型焊接結(jié)構(gòu)，2010版的GL規(guī)范規(guī)定，當損傷的數(shù)值大于等于0.5時即認為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，從這一點上可以看出風電行業(yè)的疲勞強度計算是設(shè)計過程中一個非常重要的問題。

（七）極限強度計算

單樁基礎(chǔ)極限強度計算主要指結(jié)構(gòu)在極限載荷下的應(yīng)力及穩(wěn)定性。必須確保單樁基礎(chǔ)焊縫、應(yīng)力集中區(qū)域在極限工況下的最大應(yīng)力小于材料的屈服極限，計算結(jié)果的判斷需要考慮材料的安全系數(shù)。為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，單樁基礎(chǔ)在泥面處的變形必須限制在一定的范圍內(nèi)。

極限強度計算一般通過有限元方法完成，創(chuàng)建單樁基礎(chǔ)的三維有限元模型，海床的三維有限元模型，對樁施加載荷得到位移和應(yīng)力，可以根據(jù)計算結(jié)果對樁的入土深度進行調(diào)整。

結(jié)語

國內(nèi)海上風電處于起步階段，海上風電基礎(chǔ)設(shè)計是海上風電場建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，迫切需要開發(fā)出適合國內(nèi)海況、海床地質(zhì)條件、加工制造及施工等條件的安全經(jīng)濟基礎(chǔ)形式。

本文就單樁基礎(chǔ)設(shè)計關(guān)鍵問題進行探討，分析了在設(shè)計載荷及邊界條件給定的情況下的關(guān)鍵問題的解決方法，希望對單樁基礎(chǔ)的設(shè)計工作能有一定的幫助作用。

（作者單位：華電重工股份有限公司）