海上風電機組多樁導管架基礎設計方法探討

周 凱 張曉明 曾啟東

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

海上風電機組多樁導管架基礎設計方法探討

周 凱 張曉明 曾啟東

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

對多樁導管架基礎的設計問題進行了探討，并對基礎結構的構件強度、管節點、灌漿連接、動力分析以及樁基礎等問題進行了闡述和分析，提出了多樁導管架基礎結構設計時需要注意的事項。

海上風電，基礎結構，動力分析，多樁導管架基礎

0 引言

多樁導管架基礎最早出現于歐洲，在英國的Beatrice、德國的Alpha Ventus等風電場均采用了該基礎，它將多根鋼管樁打入海床，通過灌漿連接將上部的導管架與鋼管樁牢固連接，不僅結構剛度大，穩定性好，對海床要求低，而且施工便利，特別適合于單機容量大、水深較深的項目。目前，國內的如東潮間帶、珠海桂山等[1]海上風電場都采用了該基礎型式。從設計的角度來講，多樁導管架基礎為全鋼結構，大部分構件為鋼管組成，而且長期處在復雜的海洋環境中，受到風、波浪、海流和地震等荷載作用，除了要進行常規的結構靜力分析外，還需考慮海洋工程中所必須面對的動力分析問題。目前國內還沒有專門針對于多樁導管架基礎的設計標準，國內現有已建成的多樁導管架基礎主要是參照挪威的DNV海上風電規范[2]、美國的API石油平臺規范[3,4]和國內的港口工程規范等資料來設計。本文通過對國內外相關規范和文獻的分析，對在運用這些方法設計多樁導管架基礎時所遇到的問題進行了探討，為推進多樁導管架基礎結構設計方法的研究和類似工程結構設計提供參考。

1 靜力分析

1.1 圓管構件強度

多樁導管架基礎的構件均由鋼管組成，按受力性質可分為軸向受力構件、受彎構件、偏心受力構件，除此之外還受到外水壓力和扭轉等作用，結構設計時應按不同類型的構件分別進行計算，驗算各構件的強度、剛度和穩定性。

一種最直接的方法就是采用具有模擬管、梁、殼單元的有限元軟件，通過建立多樁導管架基礎的有限元模型，計算各構件的設計應力，使構件的設計應力小于鋼材的容許應力。目前國內較常用的有限元軟件主要有ANSYS和ABAQUS等，但使用這類軟件進行海上風機基礎結構設計時，無論是在建模、計算以及結果的后處理方面都比較繁瑣，而且一般結構設計時的計算工況較多，設計效率不高。

由美國Engineering Dynamics公司開發的一款專門用于海洋石油平臺結構設計的軟件SACS也可以用來設計多樁導管架基礎。SACS是按照API的《Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-WSD或LRFD》[3,4]來進行設計的，其基本的靜力計算理論也是以材料力學和結構力學為基礎。其中LRFD方法與國內鋼結構設計常用的以概率理論為基礎的極限狀態設計方法相比，主要是抗力系數不一致。我國《鋼結構設計規范》[5]中是以鋼材的屈服強度除以抗力分項系數作為鋼材的設計強度，抗力分項系數一般取1.087～1.111。而LRFD方法中是以抗力系數乘以屈服強度作為鋼材的設計強度，抗力系數一般取0.80～0.95，較《鋼結構設計規范》略保守。此外，SACS的建模、計算以及結果的后處理功能都很方便，對于提高設計效率有很大幫助。

1.2 管節點強度

導管架各圓管構件的匯交處應力狀態極為復雜，由于撐桿和弦桿在荷載作用下變形差引起的協調應力(幾何應力)，還有由于焊縫趾部形狀及缺陷等因素引起的局部應力，通常存在很高的應力集中現象。大量的海洋工程經驗表明，管節點是導管架最關鍵也是最薄弱的部位，API規定管節點除應滿足強度要求外，還應滿足韌性要求，它認為節點不能先于桿件破壞，節點的設計應留有一定的強度儲備。API規范中校核管節點強度的公式主要是以試驗數據為依據的半經驗半理論公式，分為沖剪應力法和節點承載力法，除此之外還可按薄殼理論用有限元數值計算。

除了由于管節點處復雜的相貫線造成的幾何應力外，管節點處的焊接也是需要重點關注的問題，《鋼結構設計規范》規定管節點處的連接焊縫可視為全周角焊縫，角焊縫的計算厚度沿撐管周長是變化的。但實際管節點處的連接焊縫分為對接焊縫和角焊縫，API給出了管節點相貫線上不同部位的坡口形式和焊縫尺寸，它認為管節點的焊接只要符合該做法即可滿足強度要求。圓管構件連接處的焊縫強度計算，目前尚無其他求解辦法，除非采用有限元模擬焊縫。

1.3 灌漿連接

灌漿連接是連接導管架與樁基的重要結構節點，該方法具有整體性能好、施工方便和造價低等優點，在我國海上石油平臺的應用中積累了較豐富的經驗，并且該方法已成功應用于國外的很多海上風電場。影響灌漿連接強度的主要因素有[6]：1)灌漿體的強度與彈性模量；2)灌漿環形空間的幾何尺寸；3)是否采用剪力鍵；4)灌漿的長度與樁徑比值；5)與水泥漿接觸的管狀表面的表面條件；6)水泥漿收縮或膨脹；7)載荷歷史。

國外最早提出灌漿連接段計算方法的是API規范，它認為海洋石油平臺腿柱的灌漿連接段以受軸力作用為主，因此給出了在軸向荷載作用下分有剪力鍵和無剪力鍵的許用軸向傳遞荷載。而DNV規范[2]在灌漿體的強度分析時則保守的將軸向力與彎矩考慮為互不影響的兩種效應。它認為灌漿連接應滿足兩個單獨的要求，第一個要求是在假定沒有同時作用的彎矩和剪切力情況下，當軸向荷載和扭矩共同作用時應滿足規定的承載能力要求；第二個要求是在假定沒有同時作用的軸向力和扭矩情況下，當彎矩和剪切力共同作用時應滿足規定的承載能力要求。

實際的海上風機基礎灌漿連接段可能受到軸力、扭矩和彎矩三者的組合作用，若按照DNV的方法設計，對于軸向荷載和扭矩的作用可根據解析解計算，但對于彎矩和剪力作用，DNV只提出了灌漿體的應力要求，只能通過有限元或試驗方法來分析。

2 動力分析

2.1 模態分析

海上高聳的風機結構體系在風和波浪等荷載作用下會產生顯著的動力效應，而這些動力效應總是趨向于增加應力數值并損害結構的長期承載能力。因此應盡量避免風機結構體系的自振頻率與風和波浪等載荷的頻率相遇。模態分析的目的主要就是計算風機—塔架—基礎—地基這個高度耦合系統的動力特性，同時也是進行其他動力分析的基礎。

通常在設計中，風機廠家會提供一個允許的頻率范圍，為了防止整機共振，整機的自振頻率應落在允許的頻率范圍內，因此，準確的計算整機的自振頻率就顯得尤為重要。根據目前的研究結果，影響海上風機基礎自振頻率最重要的因素是結構模型的模擬，完整的建模應該建立包含機艙、輪轂、葉片、塔筒、基礎和地基的整體模型，但這會使得建模過程非常復雜，耗時耗力。實際設計中通常是將葉片、輪轂和機艙等效為一個集中質量加在塔筒頂部，將地基與基礎的相互作用用具有一定剛度的等效彈簧模擬或按等效剛度固定在海床上，根據相關研究結論[7]，這樣簡化對模態分析的結果影響不大。除此之外，在海上風機基礎結構20年的壽命期內，鋼管腐蝕、海生物附著、基礎沖刷等都會對基礎的自振頻率產生影響，要將這些工況全部計算是難以實現的，而且根據有關研究結論[8]，這些因素對模態分析的結果影響較小，在設計中可不予考慮。

2.2 地震分析

對抗震設計的研究已有近百年的歷史，地震載荷雖然出現的頻率低，且持續時間也很短，但強烈地震對海上風機基礎的破壞卻是很嚴重的。目前，各國規范對結構在地震荷載作用下的響應還是以振型分解反應譜法為主，首先根據模態分析得到結構的各階振型，計算各階振型所受到的地震力，然后按靜力法求得結構的響應，經組合后求得總響應。由于地震的隨機性和地震方向的不確定性，通常需考慮三個方向的地震力，其中2個互相垂直的水平方向取100%的地震力，與水平面垂直的方向取50%～65%的地震力。

按照反應譜法進行抗震設計，通常要輸入地震設計反應譜，目前，很多規范都給出了設計反應譜曲線，其中，《建筑抗震設計規范》[9]給出了適用于我國三階段設防目標的地震設計反應譜，可根據不同的設防標準選擇對應于多遇地震、設防地震和罕遇地震的地震動峰值加速度，但其主要應用于中國陸上地區。API也給出了地震設計反應譜，API譜是基于美國近海岸，特別是南加利福尼亞地區的地震活動強度和地震區劃的研究結果，其計算出的地震力較《建筑抗震設計規范》大。由于我國近海海域地震研究程度的限制，尚未進行海域地震區劃研究，因此在進行海上風機基礎的抗震設計時最好按照《工程場地地震安全性評價技術規范》的要求，進行專門的地震動參數研究給出海底泥面的場地譜。

除此之外，抗震設計還可以采用時間歷程法，時間歷程法可以考慮結構的延性等更多因素，使得結構抗震計算更加符合實際情況。但采用這種方法需要輸入實際強震記錄或人工模擬地震波，結構的分析結果會因為輸入的地震波不同而產生較大的差別，因此必須正確的選擇所施加的地震波。

2.3 疲勞分析

目前，海上風機基礎結構的疲勞分析主要采用基于S—N曲線的Palmgren Miner線性累積損傷法則。該理論假定每一個循環荷載對結構產生的疲勞損傷是相互獨立的，只要計算出每級循環荷載所產生的熱點應力幅，則可按選定的S—N曲線計算各級荷載的損傷，經線性累加后得到總損傷。

DNV認為海上風機基礎結構所受到的疲勞荷載主要包括風荷載和海浪荷載。風荷載對基礎結構的疲勞損傷，可按確定性方法計算。一般風機廠家會根據風的隨機性和風電機組的運行工況計算各種情況下的風機荷載，然后按雨流計數法統計出等效風機疲勞荷載以及對應的循環次數，但風機廠家一般都沒有考慮風的方向性。

DNV和API對海浪荷載產生的疲勞損傷，都推薦采用譜分析法。譜分析法將長期波況模擬為許多各態歷經的平穩隨機過程，假定構件的應力分布為窄帶正態過程，其峰值服從瑞麗分布，將整個結構假定為一線性系統，聯系海浪譜與應力幅譜之間的傳遞函數用規則波計算。該方法需要有一年的波浪長期分布統計資料，并要選擇合適的海浪譜。然而在實際工作中要獲得海上風電場內波浪長期分布統計資料需要專門設站觀測，而且各地的海浪譜差異也較大，最好能由實測資料分析得到。

采用完全時域模擬法將風機疲勞荷載與波浪疲勞荷載全時域內計算，能夠充分考慮葉片的氣彈性、水動力、控制系統等與整體結構的相互耦合作用，是最理想的疲勞分析方法。但該方法計算量大，且要求風機資料與基礎、環境資料實現共享，實際工程中很難實現。

3 樁基礎

樁基礎的設計需考慮樁基的承載力和樁土相互作用，樁基的承載力這部分工作目前已經很成熟，國內外規范均給出了詳細的計算方法，而樁土相互作用目前在設計中主要采用m法、P—Y曲線法和實體有限元法[10]。m法僅能反映土的彈性性能，計算結果對m值的選取非常敏感，但該方法計算簡單、使用方便。P—Y曲線法能綜合反映樁周土的非線性、樁的剛度以及外荷載的性質等，還能進行彈性、彈塑性分析且適用于循環荷載、動載及類似的地基，是目前海上風機基礎設計使用最多的方法。實體有限元法是對樁體、土體進行實體模擬，其所需輸入的參數是反映樁、土特征的常規參數(彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角等)，而且這些參數的獲取更為方便，理論上其模擬精度應強于m法或P—Y曲線法。但其缺點也是顯而易見的，單元數目眾多，影響計算效率，特別是對于多樁結構形式的基礎，土體實體模型所涵蓋的單元數目將是非常龐大的。

4 結語

海上風機基礎結構的設計是一個復雜的系統工程，涉及到海洋環境、海洋結構物設計、地基與基礎相互作用等多個方面。目前我國海上風機基礎結構設計還處于起步階段，海上風機基礎設計缺乏經驗，大部分的設計方法和經驗都是參照國內外類似結構的標準或規范等，這些結構與海上風機基礎無論從受力特點、結構型式還是工作環境來講都有一定區別，對于部分新構件的分析方法尤其還需要進行深入的研究，以總結出一套適合于我國國情的海上風電機組基礎設計標準。本文根據多樁導管架基礎的特點，探討了該基礎型式在設計的各個階段中所遇到的困難和問題，希望能對類似工程結構設計提供參考。

[1] 朱榮華,李少清,張美陽.珠海桂山海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計[J].風能,2013(9):94-98.

[2] DNV-OS-J101，Design of offshore wind turbine structures[S].

[3] API RP 2A-WSD，Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-working stress design[S].

[4] API RP 2A-LRFD，Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-load and resistance factor design[S].

[5] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[6] 姜 萌.近海工程結構物——導管架平臺[M].大連：大連理工大學出版社,2009.

[7] 丁明華,李 昕.海上風機結構不同計算模型的比較研究[J].水電能源科學,2011,29(10):49-52.

[8] 劉凌飛.導管架基礎近海風力發電結構模態研究[J].低溫建筑技術,2011(9):39-40.

[9] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[10] 李 煒,鄭永明,周 永.海上風電基礎ANSYS數值模擬[J].水運工程,2010,444(8):125-129.

Disscussion design of multiple jacket for offshore wind turbines

Zhou Kai Zhang Xiaoming Zeng Qidong

(PowerChinaZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changsha410014,China)

The paper explores multiple-jacket foundation design problems, describes and analyzes foundation structure component strength, pipe joint, grouting connection, dynamic analysis and pile foundation and so on, and finally points out matters needing attention in multiple-jacket foundation structure design.

offshore wind power, foundation structure, dynamic analysis, multiple-jacket foundation

2015-03-04

周 凱(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0065-03

TU753

A