海上风电机组单桩支撑结构和基础设计分析
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作者:高海燕
摘 要：单桩基础是海上风电机组中的重要结构，单桩支撑结构基础会对海上风电机组的应用造成直接影响。基于此，该文从单桩基础的特点入手，针对单桩支撑钢结构基础设计进行详细分析，在对单桩基础特的特点进行了详细阐述基础上，再对海上风电机中单桩支撑结构基础设计进行了详细分析，希望文中内容可以对海上风电机组质量的提高，以及相关工作人员能够有所帮助。
关键词：海上风电 单桩基础 机组 基础设计
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）11（c）-0035-03
Design and Analysis of Single Pile Supporting Structure and Foundation of Offshore Wind Turbine
GAO Haiyan
（China Energy Construction Group Guangxi Electric Power Design and Research Institute， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530000 China）
Abstract： Single pile foundation is an important structure of offshore wind turbine， and single pile supporting structure foundation will directly affect the application of offshore wind turbine. Based on this， starting from the characteristics of single pile foundation， this paper analyzes the design of single pile supported steel structure foundation in detail. Based on the detailed description of the characteristics of single pile foundation， the design of single pile support structure foundation in offshore wind turbine is analyzed in detail. It is hoped that the content of this paper can improve the quality of offshore wind turbine and relevant staff can help.
Key Words： Offshore wind power; Single pile foundation; Unit; Foundation design
海上风电机组中采用的支撑结构有很多种，而单桩基础是其中应用最广泛的一种基础结构形式，该结构在具体应用期间具有用钢量少、支撑结构形式简单等特点，这些优势主要体现施工方便及经济性两方面。
1 单桩基础的特点
海上风电机组是由大直径钢管构成，是现阶段海上风力发电机组中最常用的一项基础结构，其重量主要集中在150～400 t，適合应用在浅水或中等水域，并且土相对较好的海上风电场项目，这种基础类型的项目目前已经得到了广泛应用，并且从实际应用情况来看也取得了不错的应用效果。单桩基础在海上风电机组中应用的优点就是安装简单，而且不需要进行海床准备[1]。但是，该方式在应用期间也存在一定缺点，主要是移动困难，而且大直径要在特殊打桩船开展海上作业，若安装地点海床是岩石，这会提高钻孔费用[2]。虽然单桩基础应用期间存在一定缺点，但不能掩盖其在应用期间存在的优点，因此，可以在海上风电机机组中对其进行应用，为了确保其作用能够得到合理发挥，要加强支撑结构和基础分析。
2 海上风电机中单桩支撑结构基础设计
2.1 分析荷载
风电机组载荷是桩基础承受机支撑结构的关键载荷。海上风机支撑结构设计是海洋工程领域中一项重要内容，而风机载荷计算式风机设计领域中一项重要内容，在实际设计期间，为了保证设计的合理性，要采用专业软件对风机荷载情况进行计算。海洋结构工程师在实际作业期间，只关心支撑结构塔筒顶部截面，塔筒底部基准法兰面载荷，这些数据内容通产都由海上风机制造商提供[3]。厂商依据选取规范，对特殊工况下的极限荷载值进行计算，主要包括极端、正常运行、地震、疲劳等不同类工况。单桩风电机组支撑结构在实际应用具有结构荷载传递的优势，其在应用期间，结构疲劳损伤预期明显小，但该项内容也要引起相关人员重视。
海上风机电阻与陆地机组相比不同，前者长期处于海洋环境中，经常会受到大风、海流等各项因素影响，海洋环境荷载计算时，为了确保最终计算结果的准确性，要严格依据海洋工程标准和规范进行。在对海上风机支撑结构强度进行分析时，载荷是一项重要考虑因素，因此，在实际作业期间，相关工作人员要提高对该项工作的重视[4]。
2.2 分析动力特性
单桩结构在实际应用期间具有柔性大、刚度小特点，这就导致风电机组、支撑结构、桩基础整体刚度偏小，这也会加大动态位移和自振周期。因此，可能会出现以下问题。 （1）同波浪中的某些频率会发生共振，这会导致动力效应被显著放大，也会增加结构响应。
（2）动态位移会显著提升，无法满足风电机组在应用期间，各种显著要求。
2.2.1 动力特性受桩土约束影响
在对单桩支撑结构动力特性情况进行分析时，桩-土系统一般被模拟为梁-弹簧系统。单桩基础在海底土层中应用，采取弹性梁理论完成相应的处理，而针对土壤刚度，在具体模拟上，要采用带由刚度的弹簧完成相应的模拟，在实际分析期间，侧向刚度弹簧会对动力特性造成直接影响。在计算侧向刚度时，最常用的方式就是API RP 2A-WSD中的p-y方法，对该方法进行应用，施工中的细长入泥桩的直径大小集中在0.6～2.0 m，单桩风电机支撑结构直径大小要集中在4.0～6.0 m。
2.2.2 动力特性受冲刷的影响
桩基是海上风电场中一项重要结构，其在海岸附近，海流和潮汐变化会导致桩基中的土层时而在水面之下，时而在水面上，这种变化会导致桩基在具体应用期间经常会遭受海水侵蚀，这一情况的存在会使桩基附近的土壤全都被冲走，这会对表面土壤侧向承载力和地基轴向承载力遭受较大影响，进而会对海上风电机组桩基的性能造成影响，情况严重时，会导致结构遭受破坏[5]。在具体设计期间，可以假设冲刷深度，国内外的许多研究规范都对冲刷深度给出了一个建议值，深度通常都设定为桩基的1.3～2.5倍之间。在海上风电机组建设期间采用单桩基础结构，假定不同冲刷深度，通过去除桩基附近地表层土壤刚度方法，对桩基附近土壤冲刷效应进行模拟，从而完成深度对支撑结构动力特性影响情况的分析。
2.3 疲劳极限状态分析
设计海上风机支撑结构是一项复杂工作，在实际设计期间需要考虑许多工况，疲劳工况是具体设计期间一项重要工况内容，其是支撑结构控制工况中的一项关键内容，因此，在设计实际期间，相关工作人员必须提高对该项内容的重视。
分析海上风机支撑结构疲劳情况时，不仅要对波浪荷载作用进行全面考虑，而且还要考虑风机机组荷载对结构造成的具体影响，因此，要将叶片、风机机组，以及支撑结构视作一个整体，进而完成对疲劳损伤和动力相应计算。但是，从实际情况来看，要想构建整体模型部现实的，主要是受商业保密，以及整体时域分析计算量大因素限制，这都导致设计时，定型和修改都面临较大困难，难以实现。从现阶段的情况来看，常用的做法就是将海上风电机组上部分循环载荷内容进行提取，分析支撑结构时，要做好相应内的容考虑与分析[6]。在项目工程具体施工期间，可以依据工程实际情况，构建与实际情况相符的专业数据接口，通过科学计算方法，耦合波浪疲劳载荷和风机疲劳载荷。
3 工程实例分析
3.1 工程概况
某海上风电厂采用的单桩支撑采用的是长度为的56.5 m的圆形结构，钢材料的屈服强度为354 MPa。对采用的桩基的情况进行全面分析，通过分析可以确定，桩基顶部的直径大小为的5.0 m，桩基插入到的泥土的最深的深度达到了45.8 m，海上风电厂中采用的风电机组为4 M。
3.2 海上风电厂桩基结构的建模分析
通过对有限元软件进行应用，完成对海上风电机组桩基结构的有限建模。一般来说，单桩风机支撑结构系统在建模期间需要考虑的内容主要体现在以下几个方面。
（1）采用的风电机组和风机叶片的质量模型，其如果质量存在问题，势必会对后续的分析、建设、应用造成不良影响;
（2）支撑结构采用的有限元模型;
（3）海上风电机组下部桩基础，以及周围土壤的相互作用，以及约束模型。
在对海上风电机具体情况进行全面分析的基础上，设计单桩基础结构，桩-土壤相互作用模型对于结构的设计和计算分析造成的影响都十分明显。在计算地基的承载力大小，以及结构系统的动力特征时，要全面考虑计算效率，以及工程計算可以接受的精度等多项影响因素。因此，本次工程设计期间，一共采取了三种桩-土壤模型。第一种：在桩基周围土体构建一个与实际情况相符的实体模型，通过对建立土地的应用，完成对桩基的合理约束。第二种：对土地约束进行简化，使其转变为的非线性弹簧，满足应用需求。第三种：将与风管机和塔筒相等效的弹簧约束模型加入到设计中，进而完成对自动频率大小的精准计算。
4 结语
海上风电机组单桩支撑结构和基础设计期间，要对工程情况进行详细分析，对国外先进经验进行适当借鉴，采取合理方式，完成相应设计，进而保证单桩支撑结构和基础设计的合理性，确保海上风电机组运行的稳定性与合理性，降低事故发生几率。
参考文献
[1] 付斌，曾明伍，林淑，杨奎滨，杜鸣心，刘孟.海上风电机组碳纤维叶片防雷系统设计及仿真分析[J].分布式能源，2020，5（02）：35-38.
[2] 李颖，钟茗秋，黄祥声，朱义苏，陈川.湿热沿海海上风电机组环境适应性测试评价分析[J].环境技术，2020，38（01）：50-56.
[3] 刘皓明，赵敏，田炜，杨苏翔，许波峰，袁晓玲.风、浪对海上风电机组振动特性的影响及控制策略[J].电力自动化设备，2020，40（01）：46-51+58.
[4] 刘玉霞，张晨天.海上风电叶轮高空拆卸工装叶片系列化与通用化设计[J].机械研究与应用，2019，32（05）：98-101+104.
[5] 钟耀，王文华，周润，等.基于Craig-Bampton方法的海上风电机组基础结构超单元计算精度研究[J].水力发电，2019，45（12）：95-100.
[6] 王波.国产首台8 MW海上风电机组在福清兴化湾风场成功完成吊装[J].能源研究与信息，2020，36（02）：116.
作者简介：高海燕（1987—）女，汉族，湖北安陆人，硕士研究生，工程师，研究方向为水工结构及风电场土建结构设计。
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