江蘇海域海上風機單樁基礎設計敏感性分析

郇彩云 斯鋒

摘要：海上風機單樁結構自身的頻率低，基礎設計基本受頻率控制，本文根據 100臺已建單樁基礎的樁徑、基礎頂位移、轉角、泥面位移成果，分析單樁基礎頻率與其相對關系。結果表明，基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布;基礎頂的變形大時，整機頻率普遍小。

關鍵詞：海上風機;單樁基礎;頻率

近年來我國海上風電場工程發展速度較快，其中單樁基礎結構由于其結構簡單、受力明確，無復雜節點，結構抗疲勞性能好，獲得了廣泛應用。目前國內外約有 60%～70%的海上風機基礎均選擇采用了單樁基礎。江蘇為我國海上風電場發展昀早、昀快的省份，單樁基礎應用昀為廣泛。單樁基礎僅設置單根鋼管樁，因此其自身剛度較低。風機正常運行時上部風機對基礎結構自身剛度要求較高，我國海域內淺表層地基土多為淤泥質軟土，樁身自由段較長，基礎剛度相對于其它方案要低。

為避免樁身自由端增長而造成基礎剛度不夠，在結構設計過程中，需要研究單樁基礎及上部風機塔筒+風機的整體頻率，避免結構整機頻率與葉輪轉動發生振動。

1 海上風機單樁基礎設計控制標準

海上風機基礎設計時，控制因素主要有應力、疲勞、變形、頻率、承載力等控制。目前江蘇海域已經建成的風電場水深普遍較低，結構的應力相對較小;海上風機基礎所受的豎向力較小，因此單樁基礎的承載力主要由水平承載力控制，即由水平變形控制 [1];結構的疲勞與頻率關系較大，因此單樁基礎變形和頻率為其昀重要的控制條件。本文為簡化期間，重點分析頻率與變形之間的關系。

2 基礎樣本選取

為方便單樁基礎設計敏感性分析，本文選擇了 100臺江蘇海域水深20m左右、風電機組 3.0MW的風機基礎為樣本進行分析。

單樁基礎的直徑為 6～6.5m，基礎頂高程均為 10m，基礎底高程-59～-79m;樁長 69～89m，鋼管樁重量約 648～856t，鋼管樁平均重量為 741t，各個基礎鋼管樁重量分布以及單樁樁長與樁重關系如圖 1、圖 2所示。

本文采用 ANSYS有限元分析 [2-3]對大直徑單樁基礎進行了數值模擬分析。并對風電機組及風電機組基礎組成的整體系統，即葉片+輪轂+機艙+塔架+基礎+地基系統進行模態分析，對照風機廠家提供的葉片轉動頻率、塔筒自振頻率以及波浪頻率，避免系統發生共振的可能性。通過模態分析，評價基礎結構設計是否滿足海上風電機組動力特性的設計要求。

如圖 3～5所示，為 100臺機位的頻率及其他主要變形成果。

3 單樁基礎設計敏感性分析

風和波浪是海上風機結構承受的主要荷載，這些荷載具有明顯的動力特性，海上高聳的海上風機結構體系在這些動力荷載作用下將產生顯著的動力特性，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，風機-塔架-基礎-地基系統是一個相互作用高度耦合的動力系統，需采用結構整體模型進行動力分析，以掌握結構的動力特性和響應。因此需要對頻率進行敏感性分析。

如圖 6所示，給出了 100臺機位 6m、6.2m及 6.5m時整機頻率分布情況，從分布圖看，除 6.5m直徑鋼管樁樣本數量較少外，6m樁徑和 6.2m樁徑頻率分布范圍基本一致，整機頻率基本在 0.274～0.282Hz，可見此 100個機位鋼管樁設計較為合理，昀終整體剛度基本一致。

從圖 7、圖 8所示可以看出，基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布。

從圖 9～12所示可以看出，整機頻率與基礎頂位移相關性較其與泥面位移相關性更好;整機頻率與基礎頂轉角相對關系較其與泥面轉角相對關系更好。即基礎頂的變形大（位移和轉角）時，整機頻率普遍小。

4 結束語

本文結合江蘇海域 100臺 20m水深左右的單樁基礎設計成果，進行單樁基礎敏感性分析，形成的結論如下：（1）6m樁徑和 6.2m樁徑頻率分布范圍基本一致，昀終整體剛度基本一致;（2）基礎頂轉角與泥面轉角、基礎頂位移與泥面位移關系基本呈線性分布;（3）基礎頂的變形大（位移和轉角）時，整機頻率普遍小。

參考文獻

[1]海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦方法—工作應力設計法[M].國家發展和改革委員會，SY/T 10030-2004.

[2]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]李圍，葉裕明，劉春山，等.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

作者簡介：郇彩云，女，高級工程師，研究方向：海上風電基礎結構設計。