海上風電機組單樁基礎振型和受力對比分析

文 | 劉莉媛，張浩，遲洪明

海上風電機組單樁基礎振型和受力對比分析

文 | 劉莉媛，張浩，遲洪明

背景

一、單樁基礎概況

單樁基礎是海上風電機組基礎結構中最簡單的基礎形式，也是目前應用最廣泛的基礎形式。它一般由鋼板卷制而成的焊接鋼管組成，樁和風電機組塔架之間的連接可直接連接，也可采用套筒過渡段連接。套筒與樁基的連接一般采用灌漿連接，套筒直徑一般大于樁基直徑。單樁基礎通過樁基側面土體的抗力來承擔風電機組荷載和各種環境荷載。單樁基礎通常相對于其他基礎形式中的樁基而言樁徑較大，直徑一般在3m－7m。

單樁基礎施工一般采用液壓錘或振動錘貫入海床，施工時通過打樁設備將單樁錘擊或壓入到海床以下一定深度，由于樁徑較大，通常采用專用的打樁錘來施工。

單樁基礎一般適用于水深小于30m且海床淺層土體較好的海域風電場工程，尤其是在淺海水域，更能體現經濟價值。

單樁鋼管樁基礎具有承載力高、沉降小且均勻、抗震性能好等特點，能夠較好地同時承受豎向荷載、水平荷載以及風電機組運行產生的振動或動力作用，可打入較深的持力層，隨著我國鋼材產量的增加，鋼管樁防腐技術的發展以及新材料的研發，特別是針對近海惡劣的環境條件和地質條件，單樁基礎以其較大的承載力，相對簡單的沉樁工藝、較小的排土量與良好的受力性能，在海上、陸上風電場及海港工程中得到了日益廣泛的應用。

二、土約束分析方法

風電機組基礎鋼管樁不僅承受自身和上部結構的自重等豎向荷載，還要承受環境荷載導致的水平荷載和彎矩，對于機組基礎而言，水平荷載和彎矩的影響要遠大于豎向荷載。樁基水平承載力的計算方法主要有彈性分析法、復合地基反力法和數值計算法。在較大水平荷載條件下，一般采用彈塑性分析模型，目前應用較為廣泛的是基于復合地基反力法的p-y曲線理論。p-y曲線法能較如實地反映土的非線性屬性，是工程界和學術界普遍接受的一種計算方法。目前國內外的研究和工程設計主要還是基于美國石油學會的API規范中對于p-y曲線的描述，挪威船級社DNV規范中也有類似的規定，中國海洋石油總公司等同采用美國石油學會的API規范作為石油天然氣行業標準發布。

因此，本文基于Abaqus有限元軟件和啟明星FDOW設計軟件，對于土約束的模擬采用p-y曲線法（基于API規范），對海上風電機組整體模型的振型和周期以及單樁基礎在設計荷載下的受力性能進行了對比分析。

有限元模型

對于風電機組整體模型的振型模態分析，在Abaqus和FDOW模型中，鋼管樁與上部塔筒均采用圓管截面的梁單元，風電機組機艙和葉輪總質量采用集中質量單元進行模擬。

對于單樁基礎在設計荷載下的受力性能，在Abaqus軟件模型中分別采用梁單元和殼單元進行建模，施加相同的荷載和土體約束，在FDOW軟件模型中采用梁單元。兩軟件中土體約束采用p-y曲線法進行模擬，將極端工況下的應力和正常工況下的變形計算結果進行對比分析。

一、基本參數

上部塔筒高度78m，由下至上分為16m（直徑4.5m－3.96m漸變，壁厚32mm）、26m（直徑3.96m，壁厚22mm）、36m（直徑3.96m－2.392m漸變，壁厚16mm）三段，機艙和葉輪總重240t。

單樁基礎模型分為過渡段和樁身兩部分，套筒漸變段高10m，直徑4.5m－6m由上至下漸變，壁厚60mm，樁身長70m，直徑6m，壁厚70mm，泥面以上樁長21m，泥面以下樁長49m。鋼管樁材料選用Q345。

設計荷載的選取，應遵循樁基設計的首要原則，按照下列兩類極限狀態設計：承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態指樁基達到最大承載力、整體失穩或發生不適于繼續承載的變形。正常使用極限狀態指樁基達到建筑物正常使用所規定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值。對于樁基的結構強度驗算，應采用極端荷載工況，對于結構變形的驗算，則應采用正常運行工況。本文主要目的為對Abaqus和FDOW兩種軟件的模型進行對比，為規避環境荷載加載的差異性，目前僅將塔筒底部的風電機組荷載施加于有限元模型中，單樁基礎荷載取值如表1所示。

表1 單樁基礎荷載工況及荷載取值

表2 地基土層參數表

地基各土層參數見表2，依據API規范公式，推導出各土層的p-y曲線，作為Abaqus有限元軟件的參數輸入樁身加載方向一側非線性彈簧約束中，來模擬土與鋼管樁的相互作用關系。FDOW軟件中將土參數輸入后，自動按p-y曲線法對土約束進行計算。

二、有限元模型建模

對于單樁基礎，梁單元模型采用Abaqus有限元軟件中的B31梁單元，截面采用Pipe形式，定義圓管外徑和壁厚，由于模型中有部分構件截面為漸變，梁單元模型中將其分為多段，每段取中截面直徑，以近似模擬截面變化，風電機組模態計算整體模型如圖1所示。單樁基礎模型如圖2所示，泥面以下樁側施加非線性彈簧約束，如圖3所示。殼單元模型采用Abaqus有限元軟件中的S4R殼單元，截面采用殼單元形式，過渡段為圓臺形式，分別定義壁厚即可。由于殼單元模型中鋼管樁側壁為殼面，施加非線性彈簧約束時，為保證不發生約束節點處的應力集中，劃分單元時單元應盡量小，而且需將彈簧施加至所有單元節點，如圖4所示。樁頂施加荷載時，可將頂端圓形邊界自由度耦合至一個參考點，將荷載施加于此參考點上。

三、FDOW模型建模

FDOW軟件為一款海上風電機組基礎設計軟件，建模時需將機組參數、地質資料、環境資料、基礎參數、輔助設計等依據實際設計參數進行輸入，便可進行結構強度和穩定

性、位移、樁基承載力等的計算分析。具體的參數取值和計算方法在此不再贅述。

計算結果對比分析

一、整體模態分析

Abaqus和FDOW軟件對海上風電機組單樁基礎整體模型的振型和周期對比如圖5、圖6所示，可見兩軟件的計算結果十分接近。

二、單樁基礎應力變形分析

單樁基礎梁單元模型在極端工況下的整體應力云圖如圖7所示，在正常工況下的整體位移云圖如圖8所示。

單樁基礎殼單元模型在極端工況下的整體應力云圖如圖9所示，泥面處局部應力云圖如圖10所示，在正常工況下的整體位移云圖如圖11所示，泥面處局部位移云圖如圖12所示。

Abaqus有限元殼單元模型和梁單元模型與FDOW軟件的結算結果見表3，其中Abaqus殼單元模型中的位移，由于截面上各節點位移不同，因此將全截面節點的位移平均作為最終結果。由計算結果可以看出，梁單元模型應力和位移均較殼單元模型小，梁單元模型與FDOW的應力計算結果較為接近，應力計算結果較FDOW計算結果偏小，位移計算結果較啟明星偏大。

表3 單樁基礎計算結果對比

結論

通過Abaqus有限元軟件和FDOW啟明星軟件分別對海上風電機組整體模型和單樁基礎模型進行建模，對整體模態和單樁基礎的承載性能進行分析，得到如下結論和建議：

（一）Abaqus和FDOW軟件對海上風電機組單樁基礎整體模型的振型和周期計算結果十分接近。

（二）單樁基礎Abaqus有限元梁單元模型應力和位移均較殼單元模型小，殼單元模型能考慮鋼管截面剛度及其自身的變形，按殼單元模型計算結果進行設計更偏于安全。

（三）單樁基礎梁單元模型與FDOW的應力計算結果較為接近，應力計算結果較FDOW計算結果偏小，位移計算結果較FDOW計算結果偏大。

（四）鑒于海上風電機組基礎的重要性，建議在設計時應采用至少兩種軟件進行對比分析，取其不利作為設計依據。

（作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司）