海上風(fēng)電倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)受力特性研究

王海軍，唐 貝，練繼建，劉維斌，譚志輝，張永旭

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519080；3.大連港灣工程有限公司，遼寧 大連 116600)

大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是推進我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主要舉措，也是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[1]。近年來我國海上風(fēng)電呈現(xiàn)出向深遠(yuǎn)海域發(fā)展的趨勢，部分傳統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)以及重力式基礎(chǔ)等在深海域中存在適用性不足，成本較高等缺陷[2]。而導(dǎo)管架基礎(chǔ)為鋼質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)，桿徑小、剛度大、受波流作用小，適用于深海海域[3]。傳統(tǒng)導(dǎo)管架下部多為樁結(jié)構(gòu)和多筒結(jié)構(gòu)。在30～50 m水深的海域中，樁式導(dǎo)管架施工工序復(fù)雜；多筒導(dǎo)管架在安裝過程中易出現(xiàn)下沉不到位的現(xiàn)象[4]，無法滿足沉放要求，從而降低施工效率，增加施工費用。寬淺式筒型基礎(chǔ)可進行整機浮運及安裝[5]，大幅度縮短海上作業(yè)周期，經(jīng)濟性十分明顯。結(jié)合寬淺式筒型基礎(chǔ)浮穩(wěn)性強以及導(dǎo)管架迎浪面積小的優(yōu)勢，提出了一種導(dǎo)管架與寬淺式筒型基礎(chǔ)組合式結(jié)構(gòu)，即倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。寬淺式筒型基礎(chǔ)一般為7艙結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有6塊分艙板，并與主梁體系相互結(jié)合，共同受力。為了平順的傳遞荷載，上部可采用6腿導(dǎo)管架，但其耗費鋼材較多。因此提出“三腿變六腿”的倒Y形導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。與三腿導(dǎo)管架比較，其用鋼量有所增加，但荷載能夠更加有效的傳遞到下部結(jié)構(gòu)，減少下部結(jié)構(gòu)的材料用量。

目前，吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究大多針對四筒、三筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式，而對于單筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的研究尤為缺乏。王海軍等[6]提出了一種導(dǎo)管架與筒組合式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。Le和Kim[7]在不排水地基條件下通過有限元方法對三筒導(dǎo)管架的承載特性進行了分析。任灝等[2]對三筒導(dǎo)管架在拖航過程中的靜穩(wěn)性以及運動響應(yīng)展開了研究。丁紅巖等[8]分析了砂土地基中上覆軟土層厚度對四筒導(dǎo)管架承載力的影響。樂叢歡等[9]研究了在砂土地基中不同筒徑、筒高對四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)抗彎承載力的影響。

以某6.7 MW風(fēng)機為研究背景，采用有限元仿真對倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)在靜動力荷載作用下的受力特性展開了研究，為深遠(yuǎn)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 三維仿真模擬

1.1 土質(zhì)參數(shù)及模型尺寸

倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由倒Y形導(dǎo)管架、筒頂分配梁及筒型基礎(chǔ)構(gòu)成，如圖1所示。土層參數(shù)如表1所示。

圖1 模型示意

表1 土層參數(shù)

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)高60 m，包括支柱、斜撐、弦桿以及過渡平臺。考慮結(jié)構(gòu)受力特點和制造簡便，導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層桁架結(jié)構(gòu)，主樁腿為“三樁腿變六樁腿”倒Y形變截面導(dǎo)管，上兩層設(shè)計為三腿結(jié)構(gòu)，阻水面積小，從而保證結(jié)構(gòu)在深遠(yuǎn)海域中受到的風(fēng)浪流荷載較小，最下層采用變截面六腿結(jié)構(gòu)，緊密結(jié)合寬淺式筒型基礎(chǔ)的受力特點，確保整體結(jié)構(gòu)的傳力效率，支柱直徑1.5～2.5 m，根開32 m，壁厚30～50 mm，弦桿首尾與支柱連接，斜撐之間通過X型節(jié)點相互連接，弦桿與斜撐之間的夾角范圍為45°～60°，弦桿、斜撐桿件直徑均為0.8 m，壁厚15 mm，過渡平臺壁厚30 mm，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通過過渡平臺與風(fēng)機塔筒、葉片及其他輔助設(shè)備相連；筒頂分配梁是由環(huán)梁和沿徑向布置的主梁組成，高0.8 m，壁厚20 mm；寬淺式筒型基礎(chǔ)直徑D=38 m，筒裙高16 m，內(nèi)部設(shè)分艙板將其分為7個艙，其中筒頂蓋厚20 mm，分艙板厚15 mm，筒裙板厚10 mm。整體結(jié)構(gòu)用鋼量為1 742 t。

1.2 邊界條件

在有限元計算中，為消除邊界效應(yīng)對數(shù)值模擬的影響，地基土體半徑取100 m，深度取60 m。土體采用實體單元，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)采用殼單元建立有限元模型。地基土體選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選用彈塑性本構(gòu)模型。倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)為全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，鋼材采用Q355鋼，干密度7 850 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度355 MPa。筒型基礎(chǔ)與土體之間的相互作用采用接觸對模擬，切向設(shè)摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.3，法向設(shè)硬接觸，其中剛度大的筒基表面設(shè)為主面，土體表面設(shè)為從面。在地基底部施加固定約束，側(cè)面施加水平約束。

1.3 荷 載

風(fēng)機荷載采用廠家提供的6.7 MW風(fēng)力發(fā)電機組荷載參數(shù)，在50年一遇極端工況下，塔筒底部受到的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：水平荷載2 533 kN，豎向荷載7 586 kN，彎矩202.65 MN·m。風(fēng)機荷載通過基礎(chǔ)頂部的耦合參考點施加到過渡段頂部平面上，從而傳遞到下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料，風(fēng)電場設(shè)計水深為40 m，波浪波高取15.34 m，波周期取10.86 s，海流表面流速1.31 m/s，中層流速1.08 m/s，泥面流速0.82 m/s，50年一遇10 min內(nèi)最大風(fēng)速為48.6 m/s。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的波流荷載為11 793.41 kN，作用高度位于泥面以上38.7 m處。選取三腿導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行對比分析，兩種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有限元計算模型如圖2所示。在正常使用狀態(tài)和極限承載狀態(tài)兩種工況下對倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行靜力分析，荷載作用方向均按不利工況施加，兩種工況的荷載組合系數(shù)選取參考海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[10]，荷載工況組合如表2所示。

圖2 有限元計算模型

表2 荷載工況組合

2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力分析

在極限承載工況下對三腿導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行受力分析，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和分艙板應(yīng)力如圖3所示。從圖中可看出整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為311.5 MPa，位于支柱與過渡平臺的連接處。該結(jié)構(gòu)通過三根支柱向下部傳遞荷載，使得與支柱對應(yīng)設(shè)置的三塊分艙板應(yīng)力較大，達(dá)到了273.4 MPa，而另外三塊分艙板應(yīng)力較小約為83.4 MPa。可見，三腿導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳力效率較差，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)受力不均勻，不利于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定運行。因此后續(xù)主要針對倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)展開具體研究。

2.1 應(yīng)力及變形分析

選取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、傾斜率和橫向位移作為研究對象。在正常荷載作用下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移如圖4所示。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力值為158.80 MPa，位于導(dǎo)管架主樁腿與筒頂分配梁連接處，無應(yīng)力集中現(xiàn)象，各構(gòu)件的應(yīng)力值均滿足材料強度設(shè)計要求。整體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移沉降量為12.12 cm，經(jīng)計算得到倒Y形導(dǎo)管架筒形基礎(chǔ)的法蘭處傾斜率為5.82‰。

圖4 整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移云圖

圖5給出了在極限荷載作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為243.80 MPa，位于導(dǎo)管架支柱與筒頂分配梁連接部位；導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為240.30 MPa，位于支柱與斜撐連接處；下部筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為205.60 MPa，整機結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的應(yīng)力均在材料強度范圍內(nèi)。在極限承載工況的水平荷載、彎矩荷載及其聯(lián)合作用下，倒Y形節(jié)點處應(yīng)力分別為174.3 MPa、149.6 MPa和209.3 MPa，均滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。倒Y形導(dǎo)管架中Y形節(jié)點傳力方式復(fù)雜，是整個結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位，實際工程制造過程中可采取加厚處理以提高承載力。導(dǎo)管架主樁腿采用“三腿變六腿”的結(jié)構(gòu)形式，既能發(fā)揮上部三腿導(dǎo)管架阻水面積小的優(yōu)勢，又能緊密結(jié)合下部寬淺筒型基礎(chǔ)特有的“頂部承載”受力模式，將導(dǎo)管架承受的荷載盡可能的傳遞至筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，避免基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力不均勻。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2.2 極限承載特性分析

為分析結(jié)構(gòu)的極限承載特性，基于單一荷載變量，在基礎(chǔ)過渡段頂部中心分別施加水平位移2.50 m，彎矩位移0.15 rad[11]，計算得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載—位移曲線分別如圖6、7所示。

圖6 水平荷載—位移曲線圖

圖6給出了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水平位移作用下的荷載—位移曲線，從前期彈性變形階段的線性增長到彈塑性變形階段的逐漸放緩，最后到達(dá)地基破壞臨界點，曲線基本保持水平，地基發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限平衡狀態(tài)。極限承載力的確定采用荷載—位移曲線的切向交會法[7]，圖6、7中虛線表示確定極限承載力的過程。結(jié)合圖6可知，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水平位移為1.51 m時達(dá)到了水平極限承載力20.12 MN。從圖7中可以看出，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在彎矩位移作用下的荷載—轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)了明顯的拐點和極值點。倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)在荷載為1 012 MN·m時，地基開始進入塑性區(qū)，在位移達(dá)到0.045 rad，地基土體破壞，極限承載荷載為1 121 MN·m。由上可知，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的抗傾覆性能。

圖7 彎矩荷載—轉(zhuǎn)角曲線圖

通過數(shù)值模擬對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、傾斜率和極限承載力進行分析得到，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)采用“三腿變六腿”導(dǎo)管架形式能夠更加有效的將上部荷載傳遞至下部結(jié)構(gòu)，傳力體系較為合理，最大限度地發(fā)揮了大直徑寬淺筒型基礎(chǔ)的承載性能，從而使得倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)具有更高的安全性和穩(wěn)定性。

3 自振特性分析

采用有限元軟件建立風(fēng)機塔筒—基礎(chǔ)—地基整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，將機艙、輪轂及葉片等簡化為一偏心質(zhì)量點，建立該質(zhì)量點與塔筒頂部單元的耦合約束，如圖8(a)所示。在整機動態(tài)響應(yīng)中，低階固有頻率比較接近風(fēng)機激勵頻率，容易產(chǎn)生風(fēng)機共振。取前三階模態(tài)圖進行分析，如圖8(b)所示，分別表現(xiàn)為水平方向上第1、2、3階彎振。

圖8 模態(tài)分析

海上風(fēng)機共振的主要激勵頻率為1P和3P頻率。某6.7 MW風(fēng)機葉片額定轉(zhuǎn)速為10.30 r/min，1P頻率和3P頻率分別為0.17 Hz和0.51 Hz。根據(jù)DNV規(guī)范[12]要求，海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)的固有頻率與激勵頻率的差值要超過10%，以避免結(jié)構(gòu)共振。整機結(jié)構(gòu)的1、2階頻率分別為0.29 Hz和1.39 Hz，從圖9中可看出，整機結(jié)構(gòu)的低階固有頻率均能避開風(fēng)機機組激勵頻率區(qū)間帶，可滿足風(fēng)機安全運行的要求。

圖9 共振分析

4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

4.1 隨機風(fēng)荷載模擬

采用Kaimal風(fēng)速譜[13]進行脈動風(fēng)速時程模擬，模擬時程總長取300 s，時間步長取0.1 s，頻率范圍等分?jǐn)?shù)取1 024。將塔筒均分為5段，假設(shè)每段塔筒上的風(fēng)荷載均勻分布，模擬工況選取50年一遇極端—停機工況，即風(fēng)機處于停機狀態(tài)。風(fēng)機輪轂處的10 min平均風(fēng)速為48.60 m/s，設(shè)正X向為迎風(fēng)方向。根據(jù)上述參數(shù)，利用Kaimal脈動風(fēng)速譜，結(jié)合諧波疊加法模擬生成各高度處脈動風(fēng)速時程曲線，其中模擬譜與目標(biāo)譜的對比如圖10(a)所示，可看出目標(biāo)功率譜與模擬功率譜吻合良好，說明采用的時程分析模擬方法和模擬參數(shù)是合理的，能夠保證脈動風(fēng)速的模擬有效性。

根據(jù)各高度處的模擬脈動風(fēng)速時程曲線，結(jié)合風(fēng)速與風(fēng)荷載關(guān)系生成相應(yīng)高度處的隨機風(fēng)荷載時程曲線，如圖10(b)所示。

圖10 隨機風(fēng)荷載

4.2 隨機波流荷載模擬

選取PM譜進行隨機波流荷載模擬[14]，選取工況為50年一遇極端工況，波浪波高15.34 m，波周期10.86 s，模擬時長取300 s，步長取0.1 s，同時考慮海流作用的影響。設(shè)正X方向為結(jié)構(gòu)迎浪方向。理論譜與模擬譜的對比圖以及根據(jù)波浪譜生成的隨機波流荷載時程曲線，見圖11。由圖11(a)可知，理論譜與模擬譜擬合效果較好，表明選取的模擬方法和參數(shù)能夠滿足要求。

圖11 隨機波流荷載

4.3 動力響應(yīng)特性分析

將上述計算出的隨機風(fēng)、波流荷載時程曲線作為輸入條件，通過有限元軟件對倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)動力響應(yīng)分析，研究各關(guān)鍵部位的位移及應(yīng)力響應(yīng)特性。

通過瞬態(tài)時程分析，可以獲得整機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)時程曲線，如圖12所示。根據(jù)直觀對比分析可知，整機結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)隨高度增加呈現(xiàn)遞增的趨勢。基礎(chǔ)頂部法蘭處順風(fēng)向最大位移25 cm，均方差2.04 cm，基礎(chǔ)泥面處順風(fēng)向最大位移1.40 cm，均方差0.21 cm。高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[15]要求，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)任意高度處的水平位移需小于該處離地高度的1%。因此在隨機風(fēng)波流荷載作用下，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向位移滿足設(shè)計要求。

圖12 位移響應(yīng)時程曲線

整機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力響應(yīng)時程曲線如圖13所示。整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大值主要集中在構(gòu)件連接處，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中應(yīng)力最大值位于導(dǎo)管架支柱與筒頂分配梁連接處，最大應(yīng)力為147 MPa。支柱與斜撐連接部位也屬于易破壞處，最大應(yīng)力為58 MPa。針對易出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域，可在后期施工過程中對其采取貼角等其他方式進行局部加強。在50年一遇極端隨機風(fēng)波流荷載作用下，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)整機結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件應(yīng)力值均在鋼材的強度范圍內(nèi)。

圖13 應(yīng)力響應(yīng)時程曲線

綜上所述，在50年一遇極端隨機風(fēng)波流荷載作用下，倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)整機結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)，可滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求。

5 結(jié) 語

以某6.7 MW風(fēng)機為研究背景，提出了一種海上風(fēng)電倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，利用有限元軟件建立地基—倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)—塔筒整機模型，對結(jié)構(gòu)的受力特性和承載性能展開研究。主要結(jié)論如下：

1)倒Y形導(dǎo)管架筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳力體系較為合理，能夠?qū)⑸喜亢奢d有效傳遞到下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了寬淺筒型基礎(chǔ)的高承載性能。

2)整機結(jié)構(gòu)的1、2階頻率分別為0.29 Hz和1.39 Hz，均能避開風(fēng)機機組激勵頻率區(qū)間帶，滿足風(fēng)機安全運行的要求。

3)在50年一遇極端隨機風(fēng)波流荷載作用下，整機結(jié)構(gòu)在動力響應(yīng)過程中的位移與應(yīng)力響應(yīng)，均能滿足工程需求。