海上風機多樁結構運營期整體振動特性研究

李 穎,王 濱,夏艷慧

(1.浙江科技學院中德工程師學院,浙江杭州310023；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116023)

海上風機多樁結構運營期整體振動特性研究

李 穎1,王 濱2,3,夏艷慧2

(1.浙江科技學院中德工程師學院,浙江杭州310023；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116023)

以江蘇實際海上風機多樁結構為研究對象,應用場區海洋水文數據以及臨近海洋結構物的檢測數據,分析并確定該結構運營期內可能出現的海洋環境及荷載工況,采用有限元軟件SACS分階段開展整機運營期內的自振特性分析。計算結果表明,荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響整機自振頻率的主要因素,水位、海洋生物及基礎沖刷的變化對整機自振頻率影響較小；與極端工況相比,多年平均工況作用下的整機結構自振頻率相對較大,運營期始為最大,應作為海上風機多樁結構整機自振頻率校核的對應工況。

海上風機結構；自振特性；運營期；樁基線性化；海洋環境；荷載工況

0 引 言

目前海上風機大多為三葉片風機,為避免共振,同時滿足受力安全和經濟性等要求,海上風機結構的自振頻率需處于1P頻率(fP,又稱“葉間頻率”)與3P頻率(f3P,又稱“轉子頻率”)之間。由于年發電時長的大大增加,變轉速風機已逐漸取代恒定轉速風機,使得fP與f3P之間的頻率段越來越窄,基礎結構設計人員的設計難度大幅增加。以某3 MW海上風機為例,其機組安全運行的整機允許頻率范圍僅為0.254～0.293 Hz。海上風機多樁結構由于剛度較大,極易超出其上限；且隨大功率海上風力發電機組的研發,上述允許頻率范圍受切入切出風速影響,變化不大；而基礎剛度的增加導致整機頻率增大,自振特性校核已逐漸成為海上風機多樁結構設計的控制性因素。

以往的研究中,自振特性分析往往僅作為動力分析的一個過程[1-5],少數學者針對基礎結構各構件尺寸對整機自振頻率的影響展開研究[6],但上述研究均集中于單一海洋環境下的自振特性分析,沒有考慮風機運營期內海洋環境和荷載的隨機變化對結構自振特性的影響。海上風機的服役時間通常為20～25 a,所處海洋環境復雜多變,水位變化、基礎沖刷、材料腐蝕、海生物附著等因素會直接影響海上風機結構的自振特性；風、浪、流等多種隨時間和空間變化的隨機荷載會改變樁土相互作用的剛度,從而改變結構的邊界約束條件,間接影響海上風機結構的自振特性。因此,有必要開展海上風機結構運營期內的自振特性研究,明確自振頻率主要影響因素以及極限頻率對應的海洋環境與荷載工況。

本文基于江蘇黃海實際海上風機多樁結構,采用有限元軟件SACS,結合場區海洋水文數據以及臨近海洋結構物的檢測數據,確定該結構運營期內可能出現的海洋環境及荷載工況,在明確整機結構自振頻率主要影響因素的基礎上,分階段開展整機運營期自振特性分析,確定整機結構極限頻率對應的海洋環境與荷載工況,為海上風機多樁結構的設計提供技術支持。

1 樁基線性化理論

由文獻[7]中的多自由度體系頻率方程可知,多自由度體系的自振特性分析是基于線性系統展開的。對于海上風機多樁結構而言,在進行自振頻率計算前,需要將非線性樁土相互作用線性化,也稱之為樁基線性化,得到樁頭剛度矩陣。由于樁土相互作用的非線性特性,樁頭剛度矩陣與外荷載密切相關,應首先選擇相應的荷載工況,將外荷載施加至風機結構上,計算泥水分界線處樁(樁頭)的桿件內力與位移；通過樁頭的桿件內力與位移得到6×6的剛度矩陣,即為樁頭剛度矩陣；最后,用樁頭剛度矩陣替代泥面以下的非線性樁土相互作用,進行海上風機多樁結構的自振特性分析。

綜上,荷載工況的變化,可以改變樁頭剛度矩陣,從而改變海上風機多樁結構的邊界約束條件,影響其自振特性。當風機結構所受外荷載較大時,樁基變形較大,樁基線性化剛度相對較小；反之,當風機結構所受荷載較小時,樁基線性化剛度相對較大。

2 計算分析模型的建立

2.1 有限元建模

實際海上風機Pentapod結構主要由機組、塔筒、主筒體、上斜撐、下斜撐、樁及樁套管組成,5根樁呈正五邊形均勻布設,各樁外接圓的直徑(也稱“根開”)為24 m,樁頂標高-11.2 m,樁底標高-90.5 m,基礎頂法蘭標高16.3 m,塔筒頂部標高94.5 m,輪轂高97 m,天然泥面高程-18.45 m,風機基礎結構立面示意見圖1；鋼管樁采用Q345C型鋼材,導管架為Q345D型鋼材。使用SACS軟件,建立相應的有限元模型,如圖2所示。

圖1 Pentapod基礎結構立面示意(單位：尺寸mm，高程m)

2.2 基本工況參數

結合工程場區附近五個測站的實測海洋水文數據,采用國內外公認的單樁沖刷坑計算經驗公式[8-9]及規范[10]來推算基礎沖刷情況,考慮到波流共同作用下的局部沖刷深度會比經驗公式計算結果稍大,為保守起見,本算例認為風機基礎有效范圍內泥面均發生沖刷,沖刷穩定深度為5 m。基本工況參數見表1,荷載工況為多年平均工況,見表2。

參考《海上固定平臺入級與建造規范》[11]和《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》[12]并結合工程實際,對基礎結構進行分區,單面腐蝕裕量大氣區為2 mm,飛濺區為6 mm,全浸區為4 mm,泥下區為2 mm,未封閉桿件考慮雙面腐蝕,各桿件具體情況見圖1。圖中,“t=50(54)”代表運營期開始時壁厚為54 mm,運營期結束時壁厚為50 mm,運營期內該桿件腐蝕4 mm。

表1 基本工況參數

表2 荷載工況參數

2.3 樁土相互作用及樁基線性化

p-y曲線法如實地反映了土的非彈性性質及自泥面開始的進行性破壞現象,因此被廣泛應用于固定式海上平臺等建筑物的樁基設計中[13-14]。龐文彥對比了現有的各種樁基礎水平承載力的計算方法,證明了p-y曲線法是最為適合海上風機樁結構水平承載力的模擬方法[15]。本文采用p-y曲線模擬水平向、t-z曲線模擬軸向、Q-z曲線模擬樁端的非線性樁-土相互作用。

結合實際海洋水文數據及風機廠家提供的風機運行荷載,分別基于多年平均工況和極端工況進行樁基線性化,得到相應的樁頭剛度陣,以確定不同荷載工況引起的樁基線性化剛度對整機結構自振頻率的影響。圖3給出了多年平均工況和極端工況作用下同一樁的樁頭剛度矩陣。

圖3 樁頭剛度矩陣

3 自振頻率的主要影響因素分析

為明確所述海上風機Pentapod結構自振頻率的主要影響因素,以基本工況為基準,通過分別單獨改變水位、荷載工況、基礎沖刷深度、海生物生長情況、腐蝕程度等因素,進行整機結構自振頻率分析,具體工況設置和計算結果見表3,表中S1～S6工況只標明了與基本工況不同的相關參數,未標明部分與基本工況相同。

由表3可見,基本工況作用下該海上風機Pentapod結構整機自振頻率為0.305 0 Hz；只改變桿件壁厚,對應運營期開始時的未腐蝕結構,整機自振頻率為0.311 5 Hz,與基本工況整機自振頻率相差2.11%；只改變荷載工況,得到極端工況下的樁基線性化剛度,并由此得到整機自振頻率為0.301 4 Hz,與基本工況整機自振頻率相差1.19%；而只改變運營期內水位、海洋生物生長及基礎沖刷情況得到的整機結構自振頻率與基本工況相差不超過1%。因此,該海上風機Pentapod結構運營期內,荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響整機自振頻率的主要因素；運營期內水位、海洋生物及基礎沖刷的變化對整機自振頻率無較大影響。

4 運營期自振頻率分析

由海上風機Pentapod結構整機自振頻率影響因素分析可知,運營期內荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響其自振頻率的主要因素,水位、海生物及基礎沖刷的變化影響很小。因此,分別基于多年平均工況和極端工況將Pentapod結構運營期進行分段,分析各特定階段的整機自振頻率,從而確定結構在運營期內的自振頻率變化,得到極限頻率所對應的海洋環境與荷載工況。

表4 工況及基頻

本算例中海上風機結構的設計壽命為20年,自運營期開始至結束,每5年作為一個特定階段,將整個壽命期依據運營時間分為5個特定階段。水位、海生物及基礎沖刷同基本工況(見表1)。依據國內外規范[10-11,16-18],本算例認為風機Pentapod結構的材料腐蝕為逐年均勻腐蝕,即自運營期開始至結束,鋼材的壁厚均勻減薄。對于各特定階段,分別采用多年平均工況和極端工況進行樁基線性化,得到樁基線性化剛度,進而進行模態分析,得到整機自振頻率,計算結果見圖4。

圖4 各特定階段的Pentapod結構基頻

由圖4可見,在多年平均工況和極端工況作用下,本算例海上風機Pentapod結構的自振頻率均隨運營時間的增加而線性遞減,這是由于材料壁厚隨運營時間的增加而均勻腐蝕。與極端工況相比,各特定階段在多年平均工況作用下的樁基線性化剛度較大,整機結構的自振頻率也相對較大。

運營期開始時,多年平均工況下的整機結構自振頻率最大,為0.311 5 Hz；運營期結束時,極端工況下的整機結構自振頻率最小,為0.301 4 Hz；兩者相差3.33%。海上風機Pentapod結構剛度較大,受桿件內力、節點沖剪、地基承載力、基礎變形、整機頻率和疲勞損傷等多重指標的控制,設計通過時,整機自振頻率通常非常接近允許頻率范圍的上限。如果采用運營期結束、極端工況下的整機結構自振頻率設計校核通過,則在其運營期內很有可能超出允許頻率范圍的上限而進入頻率段,使得整機結構頻率與轉子頻率重合而共振,產生較大損傷。因此,為保守設計起見,建議以運營期開始、結構受多年平均工況荷載作用作為海上風機Pentapod結構整機自振頻率校核的對應工況。

5 結 論

本文基于江蘇黃海實際海上風機Pentapod結構,結合場區海洋水文數據以及臨近海洋結構物的檢測數據,確定分析結構運營期內可能出現的海洋環境及荷載工況,采用有限元軟件SACS,在明確整機結構自振頻率主要影響因素的基礎上,分階段開展整機運營期自振特性分析,得出如下結論：

(1)海上風機Pentapod結構運營期內,荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響其整機自振頻率的主要因素；水位、海洋生物及基礎沖刷的變化對整機自振頻率無較大影響。

(2)與極端工況相比,多年平均工況作用下的樁基線性化剛度較大,整機結構的自振頻率也相對較大。

(3)運營期結束時,極端工況下的整機結構自振頻率最小；運營期開始時,多年平均工況下的整機結構自振頻率最大,后者應作為海上風機Pentapod結構整機自振頻率校核的對應工況。

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(責任編輯 焦雪梅)

Study on Vibration Characteristic of Multi-pile Structure of Offshore Wind Turbine during Operation Period

LI Ying1,3, WANG Bin2,3, XIA Yanhui2
(1. Chinese-German Institute of Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China; 3. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Taking the real offshore wind turbine multi-pile structure in Jiangsu Province as study object, the natural vibration characteristics of wind turbine during operation period are analyzed in stages with SACS software, in which, the marine environments and the load cases that may occur during operation period are determined by considering actual ocean hydrological data and test data of other ocean structure in engineering field. The results show that: (a) the linear stiffness of pile foundation induced by load cases and corrosion degree have significant influences on the natural frequency of whole structure, and the variations of water level, marine life and foundation scour have no obvious influence; and (b) compared with the results under extreme condition, the natural frequency of whole structure under annual average load case is larger, and the largest one appears at the beginning of operation period, which should be considered as the checking case of natural frequency of offshore wind turbine multi-pile structure．

offshore wind turbine structure; natural vibration characteristics; operation period; pile foundation linearization; marine environment; load case

2016- 07-29

基助項目：大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金項目(LP1611)；浙江科技學院科研基金(F701117F01)；中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司立項課題(KY2014- 02- 41)

李穎(1982—),女,遼寧鞍山人,講師,高級工程師,博士,主要從事海洋工程結構防災減災研究；王濱(通訊作者)．

TK8

A

0559- 9342(2017)05- 0091- 04