淺談導管架式海上風電基礎結構分析

劉志偉

摘要：風能是清潔性能源，具有可再生性以及獨特的優越性，隨著社會和科技的不斷進步，推動了海上風能的開發以及利用。在海上風電產業發展的背景下，我國對新型能源的需求量在不斷增加，從而促使海上風機發展成海洋工程結構物，目前，我國已經建成的具有代表性的海上風電場有山東的榮成項目、上海的東海大橋項目等。

關鍵詞：導管架式；海上風電；基礎結構

風能是一種清潔性能源，具有可再生性、可利用性、長期性、周期性等特點。風能與煤炭、石油等化石能源的特性不同，不存在能源勘探、能源挖掘、能源加工等問題，在其使用過程中，不會因為使用量的增加而減少，其中風能的應用主要是風力機發電，而海上風力機會受到海洋環境以及樁基結構的影響。

一、海上風電基礎結構型式

目前，針對海上風電的開發階段，降低海上風電場建設的經濟投資是海上風電開發和利用的關鍵，其中經濟投資中成本占比最大的是風電機組基礎結構的建設成本，而這部分也直接影響風機運行的結構穩定性和安全性，因此，風電基礎結構的研發成本低、可靠穩定性高，能夠保證海上風電場的順利建設[2]。在海上風電場的利用和發展過程中，通過對海上固定式平臺基礎結構的加工和衍變，形成了我國現有的海上風機基礎結構，根據海上風機裝機容量的不同，以及海水深度、海水環境、建設投資的不同，可以將海上風電基礎型式分為以下四種：

①重力式基礎：是指海上風電基礎結構需要依靠其自身的重力來維持結構的穩定性和強度性，常見的型式是鋼筋混凝土結構。如圖1所示

②樁承式基礎

樁承式基礎結構受力模式和建筑工程中傳統的樁基礎類似，由樁側與樁周土接觸面產生的法向土壓力承擔結構的水平向荷載，由樁端與土體接觸的法向力以及樁側與樁周土接觸產生的側向力來承載結構的豎向荷載。樁承式基礎分類

按材料分：鋼管樁基礎和鋼筋混凝土樁基礎；按結構形式分：單樁基礎、三腳架基礎、導管架基礎和群樁承臺基礎。如圖2所示

③浮式基礎：是指利用系泊或者錨桿在海底進行位置的固定，通過三力的平衡來維持海上風機基礎結構的穩定性，其中三力是指自身重力、系纜回復力、結構浮力，并且還能夠精準控制海流影響產生的搖晃角度。如圖3所示

二、導管架式海上風機基礎結構型式

導管架式海上風機基礎結構是樁式基礎結構的一種，其概念是由海上固定式導管架平臺衍生而來，常見的型式結構為鋼質空間框架式結構，如圖4所示。導管架式基礎結構具有諸多優點，如桿徑小、質量輕、強度大以及受海流波浪的影響作用小，這些結構優點也使得導管架式基礎結構可以應用在大型風機上以及深海領域內，并且逐步由導管架式海上風機向深海方向發展。打入海底深層；然后，在進行風機的安裝，這樣可以降低海上高風險作業率[1]。

三、導管架式海上風機基礎結構靜力分析

相關部門以及設計人員在對導管架式海上風機基礎結構進行靜力分析時，要嚴格按照API規范中對樁基承載力的規定，以現有的土壤資料來計算出土壤相關曲線，利用SACS程序軟件來模擬樁-土的非線性作用，同時利用seainp程序軟件來校核和計算導管架式基礎結構的靜力。此外，結合導管架式基礎結構的沉降量和樁基承載力等數據，對不同工作情況下的桿件應力、樁應力、節點沖剪應力進行分析，根據樁基承載力的安全系數大小以及UC值的大小，來判斷導管架式基礎結構的強度是否符合規范中的相關要求，同時還要找出導管架式基礎結構中的危險工況，并且危險工況多分布于結構的0°或90°的方向上，由此可知，對導管架式基礎結構的不同工況進行校核工作是非常重要的[1]。

四、導管架式海上風機基礎結構疲勞分析

海上風電基礎結構的安全性和穩定性會受到風浪、海流的反復作用影響，其中容易產生疲勞損害的部位是管節點，并且這個部位也會導致整個結構產生疲勞損害，因此，相關部門或者相關設計人員可以利用SACS程序軟件進行分析，注重結合導管架式海上風機基礎結構型式和海洋環境條件，來對整體結構進行疲勞分析[3]。根據結構的分析結果和P-M譜，來選擇處于不同頻率范圍內的波浪，通過對導管架式結構進行響應譜分析，來得到不同角度下的結構傳遞函數曲線，然后，結合波向的分布概率以及波高波周期的聯合分布概率，能夠將波浪載荷按照實際的情況施加在風機的基礎結構上，從而能夠在全方位波浪載荷作用下，分析該結構的波譜疲勞損傷效應，并且能夠在此基礎上，來計算出管節點的疲勞損傷度和疲勞壽命[4]。

五、結語

在海上風機基礎結構型式的創新背景下，海上風機基礎結構的強度校核、疲勞分析也是相關部門進行海洋工程結構分析的重要組成部分。利用SACS程序等專業軟件，結合API規范，在了解土壤條件、海洋環境的基礎上，對導管架式海上風機基礎結構進行靜力分析和疲勞分析，提高導管架式海上風機基礎在設計使用壽命內的安全性、可靠性。

參考文獻：

[1]陳晶.導管架式海上風電基礎結構分析[D].天津大學，2014.

[2]汪亞洲，崔新維.海上樁式風電機組基礎強度設計研究[J]，機械工程與自動化，2012（06）：18-20.

[3]劉建軍.海上風電機組整體桁架式支撐結構動力特性與疲勞研究[D].中國海洋大學，2010.

[4]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（03）：70-76.

（作者單位：江蘇龍源振華海洋工程有限公司）