王 偉 楊 敏 王瑞祥

(1.上海同濟啟明星科技發(fā)展有限公司，上海， 200092； 2.同濟大學土木工程學院,上海 200092)

海上風機基礎設計軟件FDOW開發(fā)與應用

王 偉1， 2楊 敏2王瑞祥1

(1.上海同濟啟明星科技發(fā)展有限公司，上海， 200092； 2.同濟大學土木工程學院,上海 200092)

海上風機基礎設計涉及到多個學科領域，且設計鏈長、包含的子項目繁多，而應用現(xiàn)有的海工設計軟件和有限元通用分析軟件進行計算時局限性大，因此開發(fā)專有的海上風機基礎設計軟件非常必要。首先給出了海上風機基礎設計的流程和主要內(nèi)容，進而論述了設計軟件應具有的主要功能以滿足設計計算需求，包括荷載計算、荷載組合、樁基分析、基礎結構分析、其他輔助項設計以及成果輸出功能等。接下來介紹軟件核心模塊的開發(fā)，包括可視化模塊、集成一體化模塊、基礎方案模塊、配置與計算模塊等，然后給出軟件計算分析的主要原理和計算方法，最后結合一項工程實例簡要給出了應用海上風機基礎設計軟件FDOW的計算成果。

海上風機； 基礎設計； 軟件； 樁； 承載力； 疲勞

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.02

引言

根據(jù)《國家應對氣候變化規(guī)劃(2014～2020年)》，到2020年我國累計并網(wǎng)風電裝機達到2億kW，其中海上風電裝機達到3 000萬kW。根據(jù)國際新能源網(wǎng)數(shù)據(jù)，截至2015年底我國已建成海上風電項目裝機容量共計101.5萬kW。兩相對比可知，為了實現(xiàn)規(guī)劃目標，“十三五”期間我國海上風電將具有廣闊的發(fā)展空間。

海上風電機組基礎工程是海上風電工程的重要組成部分，海上風電機組基礎設計涉及到海洋工程、港口工程、結構工程和巖土工程，且與風機運維控制與受荷密切相關，屬于多學科交叉領域。進而使得海上風電機組基礎設計不僅包含的設計項目多，而且實施的難度和復雜性均較大，因此基礎設計中采用軟件來進行計算分析是非常必要的。

在專有的海上風電機組基礎設計軟件出現(xiàn)之前，基礎設計中常采用兩類軟件來進行計算，一類為海工軟件，另一類為有限元通用分析軟件。[1]

海工軟件是針對海上平臺設計而開發(fā)，但海上平臺結構剛度特點和受荷特性與海上風機基礎結構和風機受荷模式迥異，二者既有相似的地方，又有很大的差異。盲目地采用海工軟件來進行海上風電機組基礎結構設計計算，在很多方面將帶來較大的計算誤差甚至錯誤，諸如模態(tài)分析、灌漿節(jié)點分析等。這一嚴重的問題在一部分基礎工程設計中被忽視了，因此工程中潛伏著不同程度的危險性。

任何事物都有兩面性，有限元通用分析軟件通用性較強，但在專業(yè)性方面勢必存在較大的局限性。首先，難以模擬一些環(huán)境荷載作用，僅能夠分析簡單的波浪理論方法，諸如流函數(shù)等波浪方法無法模擬，對于近海風電場這些簡單的波浪理論諸如線性波等往往不適用； 其次，無法進行多種荷載工況的組合分析，根據(jù)水位、環(huán)境荷載和風機荷載特性在設計時計算工況一般可達數(shù)十個甚至上百個，除非經(jīng)過專門的二次開發(fā)，有限元通用軟件難以實現(xiàn)此項要求； 再次，無法實現(xiàn)整套基礎設計項目的計算分析，海上風機基礎設計不僅包含結構分析，還包括樁基承載力計算、防沖刷、防腐蝕、靠船防撞設計等等，有限元通用軟件僅能完成部分項目計算，不具備計算分析的完整性。

為了解決上述兩類軟件存在的問題，基于作者在海上風電機組基礎工程領域的相關研究成果[2]和參與的多項海上風電場基礎工程項目設計經(jīng)驗的積累，歷經(jīng)四年多時間開發(fā)了我國首款海上風電機組基礎結構設計軟件FDOW。該軟件不僅通過了我國專業(yè)機構的鑒定評測，而且廣泛應用于我國海上風電機組基礎工程的預可研、可研和施工圖等不同階段設計。

1 設計流程

海上風電機組基礎設計與風電場所在海域環(huán)境條件、地質(zhì)特點、基礎類型和風機機型等密切相關。但從總體上進行歸納，基礎設計仍然遵循如圖1所示的設計流程。

圖1 海上風電機組基礎設計流程

在進行基礎設計之前，首先應收集相關基本資料，包括風機資料、工程地質(zhì)資料、水文氣象資料以及鄰近航道與通航船舶情況等?；举Y料應達到相關規(guī)范或標準規(guī)定的要求，并滿足不同設計階段的深度需要。風機資料包括機型、塔筒、機艙和輪轂、正常運行荷載、極端工況荷載、等效疲勞載荷或載荷譜。地質(zhì)資料包括區(qū)域地質(zhì)、不良地質(zhì)作用、地形地貌、巖土體物理力學性質(zhì)、樁基設計參數(shù)、地震資料與巖土體腐蝕性評價等。環(huán)境資料包括氣象資料和海洋水文資料，諸如風速、潮位、波浪、海冰、海流、水溫、鹽度、海床沖淤等。

對基本資料進行分析后，根據(jù)場區(qū)所在海域的水位、波高以及可能涉及的風暴增水確定工作平臺高程，然后確定比選的基礎類型，根據(jù)所采用的基礎形式初步擬定各自對應的基礎設計方案。每一種基礎類型都有其優(yōu)缺點和適用條件，海上風電機組最優(yōu)基礎設計方案多采用三到四種基礎類型進行比選確定，常用的基礎形式包括大直徑單樁基礎、導管架基礎、三腳架(多腳架)基礎、高樁承臺基礎、低樁承臺基礎、重力式基礎等。其中低樁承臺基礎用于灘涂風電場和潮間帶風電場。

基礎設計方案擬定后便可進行計算分析，計算分析可分為三大類，第一類為靜力復核，第二類為模態(tài)共振判定，第三類為疲勞驗算。靜力復核主要包括樁基礎承載力計算與驗算、基礎結構的強度與穩(wěn)定性驗算、鋼筋混凝土承臺的抗沖切和抗剪驗算、承臺彎矩計算和配筋、鋼筋混凝土結構的裂縫計算、基礎結構水平變形和沉降計算以及地震工況下對應的各項驗算內(nèi)容。共振判定首先分析包括樁土作用、基礎結構、風機塔筒、機艙和輪轂等組成的整機模態(tài)分析[3， 4]，得到整機的各階模態(tài)，然后判別各階頻率是否避開風機轉(zhuǎn)動頻率和葉片通過頻率分布帶5%以上的安全空間。疲勞驗算時根據(jù)基礎結構特點和節(jié)點類型計算在風機疲勞荷載、波浪作用、海冰作用以及上述組合疲勞作用下的疲勞損傷度，根據(jù)結構各部位所處的環(huán)境特點和可檢修情況采用特定的安全系數(shù)來判定疲勞壽命是否滿足設計要求。上述三類計算是按照步驟遞次推進的，當某一項驗算不能通過時，應返回重新調(diào)整基礎方案，直至滿足當前驗算項目，方能進入下一類計算項目。

在完成上述三類主要項目的計算并通過驗算后，接著需要完成與基礎設計相關聯(lián)的其余各項設計計算，包括靠船防撞設計、灌漿節(jié)點設計、防沖刷設計、防腐蝕設計，最后是監(jiān)測設計。靠船防撞設計既包括檢修或工作船舶靠泊設計，又包括基礎臨近航道側時為保護基礎而設置的防撞防護結構設計。灌漿節(jié)點設計針對海上風電機組基礎結構中樁基與結構部分、基礎結構與過渡段的灌漿連接，包括強度、承載力分析和疲勞分析。防沖刷設計包括沖坑深度、沖坑范圍和沖刷歷時計算，還包括防沖刷措施的設計。防腐蝕設計針對基礎結構材質(zhì)不同而設置不同的涂層防腐蝕措施、犧牲陽極陰極保護措施設計，還包含海洋腐蝕環(huán)境分區(qū)、腐蝕裕量計算。監(jiān)測設計通過選取一定數(shù)量的基礎布設監(jiān)測設備，制定監(jiān)測的內(nèi)容、頻率和數(shù)據(jù)收集與處理方式，一般包括振動監(jiān)測、傾角監(jiān)測、位移與沉降監(jiān)測以及應力應變監(jiān)測等，必要時也可進行沖刷監(jiān)測。

當完成上述各步驟后，進而可形成基礎設計的相關成果，包括基礎設計專題報告、圖紙、計算書和工程量統(tǒng)計。工程量統(tǒng)計結果供造價分析之用以便進行風場工程經(jīng)濟性評價和機型擇優(yōu)選擇。

2 主要功能

2.1 荷載計算

風機荷載是海上風機基礎設計中的主控荷載之一，風機廠家提供的荷載一般多為極端工況和正常工況下一系列工況的代表性荷載，盲目地選擇一種荷載進行計算在設計中往往是不完備的，軟件提供了最多五種風機荷載共同計算的功能。

波浪荷載也是主控荷載之一，波浪荷載計算前應首先確定波浪理論方法，以便確定波面形態(tài)、不同波剖面位置處的速度和加速度分布。波浪計算方法與水深和波浪要素相關，不同方法有不同的適用范圍。軟件提供了線性波、斯托克斯5階波、流函數(shù)方法[5]，同時提供了各波浪方法的適用性檢查功能。根據(jù)海洋結構物斷面尺寸與波長關系，波浪荷載分為小直徑結構物波浪力和大直徑結構物波浪力兩類。軟件提供了小直徑結構物波浪力計算功能，對于水深較淺的近海風場或潮間帶風場，軟件提供了兩種破波力計算功能，分別為海港水文規(guī)范方法和德國GL規(guī)范方法。軟件也提供了大體積結構物波浪力計算功能，包括三種形式，分別為沉底大直徑結構物、懸浮大直徑結構物和上覆大直徑結構物水平波浪力、波浪浮托力計算。

對于我國渤海灣、遼東灣和膠州灣海區(qū)的風電場，海冰荷載也是主控荷載之一，海冰荷載包括固定冰荷載和流冰荷載，軟件提供了兩種計算方法，分別為海洋平臺規(guī)范方法和港口荷載規(guī)范方法。當基礎結構設置抗冰錐時，軟件提供了正錐體和倒錐體等錐形結構物的水平向和豎向冰荷載計算功能。

海流荷載與海流沿豎向的分布模型相關，軟件提供了兩種海流分布模式，分別為均勻分布和不均勻分布模式。在波長范圍內(nèi)波面形態(tài)有波峰和波谷，水面并非平面形態(tài)，海流荷載計算中軟件自動根據(jù)波面不同相位的形態(tài)來對波剖面進行拉伸或壓縮修正。

海風荷載指水面以上至風機塔筒底端之間范圍內(nèi)風荷載。海風荷載計算首先需要確定基本風壓，軟件中可根據(jù)風速自動求解基本風壓，還可考慮海陸風壓修正。風荷載計算中還應考慮結構物的體型、風壓沿高度的變化和脈動風荷載。

軟件提供了兩種靠泊撞擊力計算方法，分別為失控船筏撞擊力和漂流物撞擊力?？梢怨浪銠z修船舶靠泊撞擊力，詳細的靠泊荷載可在軟件的靠船防撞設計項中計算。

地震作用并非荷載，為了表達方便放在此處一并進行說明。軟件自動根據(jù)場地抗震設防烈度、設計地震分組、場地類別和結構自振周期確定設計地震反應譜，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應的振型分解反應譜法來進行地震作用計算，同時可考慮地震動水壓力作用。

軟件根據(jù)工作平臺尺寸和活荷載標準自動計算平臺活荷載，還可根據(jù)不同設計水位自動計算自重和浮力。當考慮海生物在基礎結構的附著影響時，軟件自動計算海生物附著引起的結構自重變化和環(huán)境荷載變化。

2.2 荷載組合

無論是風機荷載還是環(huán)境荷載，其作用方位均是變化的。軟件中既可以考慮風機荷載與環(huán)境荷載同向，也可以考慮二者存在固定夾角的作用方式。為了確定最不利荷載作用方位，根據(jù)結構對稱性和15°搜索角自動搜索最不利作用方向。在一個波浪周期范圍內(nèi)，不同相位對應的波浪荷載也不同，軟件自動根據(jù)1°搜索角搜索最不利的波浪相位角。

荷載組合中對于非主控荷載國內(nèi)多采用組合系數(shù)方法來組合，國外多采用不同重現(xiàn)期標準的組合模式，針對波浪力和海冰荷載軟件同時提供了組合系數(shù)與重現(xiàn)期兩種組合模式，可供設計人員進行國內(nèi)外不同組合方式的對比。波流荷載疊加既可以將波浪荷載與海流荷載進行力矢量疊加，也可以將波浪與水流速度先行疊加速度矢量再計算荷載，此時對應著速度矢量疊加模式，軟件提供了這兩類處理模式。

當采用國內(nèi)常用的組合系數(shù)方式時，針對樁基承載力驗算、基礎結構強度與穩(wěn)定性計算、地震工況計算、結構水平變形計算、沉降計算、鋼筋混凝土結構裂縫計算軟件提供了組合系數(shù)設置表和分項系數(shù)設置表，可供設計人員靈活配置計算。

2.3 樁基分析

海上風機基礎中樁基承受水平、豎向承壓和抗拔等作用。軟件提供了非地震工況和地震工況下樁基承載力計算功能，也提供了樁基水平變形和沉降計算功能，不僅可以分析直樁、還可以分析斜樁。

樁基水平受荷分析方面，軟件提供了6種分析方法，分別為m法、NL法、p-y曲線法、考慮循環(huán)荷載效應的p-y曲線法、大直徑單樁分析方法和自定義p-y曲線法等，可以分析粘土、砂土、軟巖和硬巖等不同特性的巖土層中水平受荷樁。

樁基豎向承載力計算中，可以考慮樁端開口分割數(shù)影響，并提供了樁端土塞效應估算功能，還可考慮負摩阻力作用。樁基豎向承載力和抗拔承載力中提供了嵌巖樁的設計計算功能，包括嵌巖芯柱連接段的承載力和配筋計算功能。

2.4 基礎結構分析

軟件提供了非地震工況和地震工況下基礎結構的變形計算和強度與穩(wěn)定性驗算功能。對于鋼結構基礎可進行結構變形、內(nèi)力計算、拉壓彎剪扭作用下的強度與穩(wěn)定性計算、結構節(jié)點計算等； 對于鋼筋混凝土承臺可進行承臺抗剪、抗沖切、承臺配筋和裂縫計算。

根據(jù)風機塔筒尺寸、附件分布、機艙和輪轂質(zhì)量分布、基礎結構布置和樁基布置形成整體計算模型來進行基礎與結構的模態(tài)分析，提供前9階振型的頻率、周期和各階位移。

結構疲勞分析方面軟件提供了風致疲勞計算、浪致疲勞計算和風波組合疲勞計算功能。風致疲勞計算中既可以采用風機等效疲勞荷載，又可以采用疲勞載荷譜計算?？梢钥紤]應力均值對疲勞作用幅值的修正，諸如Goodman方法和Gerber方法，也可不考慮修正。浪致疲勞分析中提供了兩種波浪譜，分別為PM譜和Jonswap譜。

2.5 其他項設計

灌漿連接設計是海上風機基礎結構中關鍵性節(jié)點，軟件提供了單樁基礎中錐形灌漿節(jié)點、圓柱型帶抗剪鍵灌漿節(jié)點、先樁模式灌漿節(jié)點和后樁模式灌漿節(jié)點等四類節(jié)點設計計算功能，可自動檢查灌漿節(jié)點設置是否合理，可驗算灌漿節(jié)點灌漿體名義應力、承載力和抗剪鍵承載力是否滿足設計要求，還可根據(jù)灌漿體S-N曲線進行節(jié)點風致和浪致疲勞分析。

在防沖刷設計方面，提供了5種臨界流速計算方法和5種沖坑深度計算方法，可計算水流作用、波浪作用和波流共同作用下沖坑深度、沖坑半徑、沖刷完成歷時的計算[6]，并提供了多種防沖刷布置措施。

在防腐蝕設計方面，提供了防腐蝕環(huán)境分區(qū)和腐蝕裕量自動計算功能，針對鋼筋混凝土結構和鋼結構分別給出了8種和9種可選的涂層備選措施，對于水下區(qū)、泥下區(qū)鋼結構提供了犧牲陽極設計計算功能。

在靠船防撞設計方面，根據(jù)船舶體型參數(shù)、環(huán)境條件和護弦特性提供了系纜力、擠靠力、靠泊撞擊力、橫浪撞擊力等荷載計算功能，對于基礎的防撞防護結構提供了專門的承載力、強度穩(wěn)定性和防腐蝕設計計算功能。

軟件提供了工程量的自動統(tǒng)計功能，可按照混凝土和鋼結構分類統(tǒng)計工程量，也可按照風場統(tǒng)計總工程量。

2.6 設計成果輸出

軟件中設計成果分為兩類，一類為計算書，另一類為方案圖紙。計算書供查看和存檔使用，方案圖紙按照1： 1比例繪制，配有俯視圖、剖視圖和文字說明。

3 模塊設計

3.1 可視化

對于海上風電機組基礎結構，除單樁基礎外其他形式基礎并非軸對稱的連續(xù)分布，因此采用三維模型分析是必要的。三維可視化應滿足兩項基本要求，其一為三維圖形的顯示，其二為三維圖形的操作。

軟件界面的左側劃分為視圖區(qū)，用以輸出基礎設計模型，通過分割條與軟件工作區(qū)相區(qū)分。圖形顯示分為兩類，第一類為基礎建模時的實時顯示，第二類為計算結果查看時的云圖顯示等。圖形可視化編程中應定義風機、基礎、土層、海水和云圖等基本圖元。風機圖元細分為機艙、葉片、輪轂、塔筒等； 基礎圖元細分為承臺、承臺柱、鋼結構桿件、樁基、嵌巖段等； 土層圖元細分為土層分割線、土層編號、層底高程等； 云圖細分為量值與著色算法、著色、云圖尺度標識等。

圖形操作用于定義模型視圖隨用戶操作反饋的響應，包括視圖的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)和視圖恢復等。

隱性價值更需要用心去挖掘。比如拿專題紀錄片來說，作品絕大多數(shù)局限于從個人角度去審視，盡管我們覺得它的信息價值較高，或者說由于從中可窺見中國紀錄片發(fā)展軌跡因此具有憑證價值，某些片斷可作為當時社會生活原生態(tài)的一種記錄。又如解放前老百姓的衣食住行等。在判斷素材價值時還應注意到主題、畫面、解說詞之間的關系。

3.2 集成一體化

海上風電機組基礎設計涵蓋多個學科，設計人員在短期內(nèi)熟悉相關學科亦不現(xiàn)實，從風機報告、巖土工程勘察報告和水文分析報告中選擇設計計算參數(shù)往往較為困難，而采用分類集成的軟件設計方法是一種有效的解決方法。

將上述3種報告分別映射為軟件的3個選項卡，風機設計參數(shù)在風機參數(shù)選項卡中輸入，工程勘察報告參數(shù)在地質(zhì)資料選項卡中輸入，海洋水文參數(shù)在環(huán)境資料選項卡中輸入。

上述三類參數(shù)包含的變量眾多，在每一類選項卡中均采用了一體化設計模式，即按照軟件要求的輸入項分別從相應的報告中選擇對應的參量值輸入即可，完成軟件要求的全部輸入項也即抓取了報告中設計所需的全部有效信息。

此外采用化零為整的方式將灌漿連接設計、防沖刷設計、防腐蝕設計、靠船防撞設計和工程量統(tǒng)計等集成到軟件的輔助設計選項卡中來實現(xiàn)。

3.3 基礎方案模塊

基礎方案擬定在軟件的基礎參數(shù)選項卡中完成。考慮到基礎方案比選時所依據(jù)的風機、地質(zhì)和水文資料均相同，理想的解決方案是不需要重復輸入上述資料即可實現(xiàn)各種基礎形式計算分析，為此在該選項卡設計中采用了重疊影像方式，即在一個輸入文件中可以完成多種基礎方案的計算，且各基礎形式之間互不影響。

基礎方案的輸入分為通用項和專有項，通用項適合各種基礎形式，包括平臺高程確定、工作平臺設計、抗冰錐設計、鋼材S-N曲線定義等。專有項輸入與特定的基礎形式相關，從總體上可分為基礎結構部分和樁基部分等兩項，參見表1。

表1 軟件中各基礎形式對應的結構組成

基礎類型基礎結構樁基單樁基礎過渡段樁、灌芯多腳架基礎多腳架、套筒、連桿樁、灌芯、嵌巖樁導管架基礎導管架、過渡段平臺、套筒或插入段樁、灌芯、嵌巖樁高樁承臺基礎承臺、承臺柱樁、灌芯、嵌巖樁低樁承臺基礎承臺、承臺柱鋼管樁、鉆孔樁、PHC樁

3.4 配置與計算

對于海上風機基礎設計中的一些計算方法，一方面國內(nèi)外處理方式存在較大差異，另一方面相關分析技術并未完全成熟。為此軟件提供了多種平行計算方法和靈活設置的組合方式供設計人員進行對比分析之用，這些配置在軟件的計算參數(shù)選項卡中實現(xiàn)。由于在計算之前需要配置的模式或參數(shù)較多，軟件設計中將其分為5大類，如圖2所示，分別為結構計算、荷載計算、荷載組合、樁基計算和疲勞驗算等。以荷載計算配置為例，與波浪荷載相關的軟件設置如圖3所示。

圖2 軟件計算配置組成

圖3 波浪荷載計算配置

軟件各項計算的啟動通過計算菜單來啟動，如圖4所示。根據(jù)計算項目的屬性可將其分為四類，第一類為非地震工況、第二類為地震工況、第三類為模態(tài)分析、第四類為疲勞分析。樁基承載力驗算包含水平承載力、豎向承載力和抗拔承載力，將其放置二級菜單中。類似的，位移計算包括水平位和沉降兩項，也將其放置二級菜單中。

圖4 軟件計算菜單組成

4 主要技術原理

海上風機基礎設計不僅涉及的專業(yè)學科領域廣，而且包含的技術方法和設計項目紛繁復雜。限于篇幅，以下僅介紹三個方面的主要技術原理。

4.1 環(huán)境荷載

重力波是對海洋中風機基礎結構影響最顯著的波浪形式，不同波浪理論均為采用不同勢函數(shù)表達形式和邊界條件簡化處理來求解滿足拉普拉斯方程的勢函數(shù)，邊界條件通常包括海底邊界條件、自由表面運動邊界條件、自由表面動力邊界條件等?；谇蟮玫膭莺瘮?shù)可進一步得到各種波浪理論對應的波浪特征參量，諸如波面形態(tài)、速度和加速度等。

海洋工程中計算樁柱(墩柱)體波浪力方法包括2類：基于繞流理論的Morison方程和繞射理論。前者適用于D/L≤0.15的情況，D為柱體直徑，L為波長； 其余范圍采用線性繞射理論。

Morison方程包括慣性力和速度力兩部分，作用于直立柱體任意高度z處單位柱高上的水平波浪力fH：

(1)

式中，ux為波浪質(zhì)點的水平速度；dux/dt為波浪質(zhì)點的水平加速度；ρ為海水密度；CD為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；D為圓柱體直徑。

大體積結構物的存在對波動場有顯著影響，故對入射波浪的散射效應以及自由表面效應必須考慮。入射波和散射波的疊加達到穩(wěn)態(tài)時將形成一個新的波動場，新波動場內(nèi)任一點的總速度勢由未擾動的入射波的速度勢和結構物對入射波的散射速度勢兩部分疊加組成?；诶绽狗匠毯妥杂伤妗⒑５酌?、結構物表面和無窮遠處的邊界條件可求得總速度勢，再應用線性化的貝努利方程便可得到結構物表面上的波壓強分布，通過面積積分可得到大體積結構物的波浪荷載。邊界條件不同基本解答也不相同，與海上風機基礎相關的解答主要包括沉底圓柱、截斷圓柱和上覆圓柱等三類。

深度z處作用于結構物單位高度范圍內(nèi)的海流力標準值fw采用下式計算，并適當考慮遮流、淹沒深度和水深影響。

(2)

式中，V為某一深度z處水流設計流速；ρ為海水密度；A為計算構件在與水流垂直平面上的投影面積；Cw為水流阻力系數(shù)。

大面積冰場對樁或墩產(chǎn)生的極限冰壓力標準值宜按下式計算：

FI=ImkBHσc

(3)

式中，F(xiàn)I為極限擠壓冰力標準值；I為冰的局部擠壓系數(shù)；m為樁、墩迎冰面形狀系數(shù)；k為冰和柱、墩之間的接觸條件系數(shù)，可取0.32；B為樁、墩迎冰面投影寬度；H為單層平整冰計算冰厚；σc冰的單軸抗壓強度標準值。

海上風電機組基礎結構所受的風荷載wk按照下式計算：

wk=βzμsμzw0′

(4)

4.2 樁基分析

樁基分析包括兩方面，一方面為樁基承載力計算，另一方面為考慮樁土相互作用剛度下的位移分析。

4.2.1 豎向分析

當采用經(jīng)驗參數(shù)法時，根據(jù)土的物理指標和承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關系計算單樁豎向極限承載力標準值Quk：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(5)

式中，Qsk為總極限側阻力標準值；Qpk為總極限端阻力標準值；u為樁身周長；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限樁端阻力標準值。

樁基抗拔極限承載力標準值應根據(jù)基礎破壞形式選擇對應的計算方法。當群樁呈非整體破壞時，計算式為：

Tuk=∑λiqsikuili

(6)

式中，Tuk為樁基極限抗拔承載力標準值；ui為樁身周長；li為樁周第i層土的厚度；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；λi為抗拔系數(shù)，。

樁基永久沉降采用考慮樁徑影響下基于Mindlin應力積分解的單向壓縮分層總和法。該積分解將樁頂荷載劃分為樁端均勻分布和沿樁身三角形分布的面荷載形式積分得到。分層總和法沉降計算厚度確定采用應力比法。

在豎向荷載下樁身位移采用荷載傳遞函數(shù)法計算。荷載傳遞法取決于樁側摩阻力與剪切位移關系，也取決于樁端阻力與豎向位移的傳遞函數(shù)關系，傳遞函數(shù)類型不同將得到不同的荷載傳遞法。軟件中樁側阻力與位移采用t-z曲線法，樁端阻力與位移采用Q-z曲線法。

4.2.2 水平向分析

樁基水平承載力由樁身結構強度或裂縫條件控制和樁身位移限值來確定。海上風機基礎結構位移限值較小，水平承載力多由位移或轉(zhuǎn)角來控制。

樁基水平向受荷分析采用彈性地基梁法，也即p-y曲線法。軟件提供了多種計算方法，各方法可用下式統(tǒng)一表述：

p=kxmyn

(7)

式中，p為樁側向土壓力；x為深度；y為樁身撓度；k、m、n為待定參量。

當式(7)中m=1，n=1時，對應著m法； 當m=2/3，n=1/3時，對應著NL法。當取其它非線性關系時對應著其它方法，軟件中對于一般黏土采用Matlock(1970)方法[7]，硬粘土采用Reese&Welch(1975)方法[8]，砂土采用Murchison&O′Neill(1991)方法[9]，軟巖采用Reese(1997)方法[10]。軟件同時考慮了循環(huán)荷載效應對樁基水平受荷的影響。

上述方法難以適用于海上大直徑單樁基礎分析，此外還應考慮循環(huán)荷載效應對單樁的影響[11]。對于大直徑單樁基礎軟件采用W.Li & K.Gavin(2014)方法[12]來分析，該方法基于靜力觸探原位測試數(shù)據(jù)和大比尺現(xiàn)場試驗而得到的方法。

4.3 結構分析

結構分析包括靜力分析、模態(tài)分析和疲勞分析三大類，均通過有限單元法來實現(xiàn)。針對不同的結構特性分別采用了考慮剪切變形的Timoshenko梁單元、厚薄板通用的板單元、平面應力元等。質(zhì)量矩陣采用一致質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣采用瑞利阻尼，即：

C=αM+βK

(8)

式中，C為阻尼矩陣；M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；α，β為比例阻尼系數(shù)。

樁土相互作用采用t-z曲線法和p-y曲線法。荷載按照分布特性分為點荷載、線荷載和面荷載來分別施加。荷載施加時應與設計水位和不同相位下的波面分布形態(tài)相匹配。

靜力分析時，采用迭代法求解以下方程：

Kδ=F

(9)

式中，δ為節(jié)點位移矩陣；F為節(jié)點荷載矩陣；K為總體剛度矩陣。

模態(tài)分析時，采用里茲向量疊加法求解以下方程：

Kφ+ω2Mφ=0

(10)

式中，ω為前n階特征值；φ為前n階特征值對應的特征向量。

結構動力分析時，采用振型疊加法求解以下方程：

(11)

疲勞分析采用譜疲勞分析方法。波浪譜采用了Pierson-Moskowitz譜和Jownswap譜，前者適用于無限風區(qū)由風速引起的充分發(fā)展的波況，后者適用于有限風區(qū)下未充分發(fā)展的波況。短期應力幅值的概率密度函數(shù)采用Rayleigh函數(shù)，并采用Wirsching&Light(1980)方法進行帶寬雨流計數(shù)修正。

疲勞損傷度計算采用線性累積Palmgren-Miner準則，并應考慮單段或多段S-N曲線形式對積分結果的影響。風波疲勞組合疊加采用M.Kuhn(1999)方法[14]。

5 算例

5.1 工程概況

我國某海上風電場采用5MW風電機組，塔筒底部直徑6m，頂部直徑3.5m。風輪、機艙和發(fā)電機總重為260t，塔筒質(zhì)量為445t。風輪1P轉(zhuǎn)動頻率為0.133～0.299Hz， 3P轉(zhuǎn)動頻率為0.400～0.897Hz。極端工況和正常運行工況下風機荷載如表2所示。

表2 風機荷載

荷載工況Fz/kNMz/kN·mFxy/kNMxy/kN·m極端工況-7200-10501450135000極端工況-73008201550128000正常運行工況-71003100105082000

擬建場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，該場地類別為Ⅲ類。場地土層特性參數(shù)見表3，第⑥層和第⑦層極限樁端阻力分別為2 500kPa和2 300kPa，壓縮模量分別為15MPa和13MPa。

表3 土層特性參數(shù)

土層編號名稱層厚(m)重度(kN/m3)極限側阻力(kPa)抗拔系數(shù)內(nèi)摩擦角(°)Cu(kPa)①淤泥6161505—25②粘土101825065—50③粉質(zhì)粘土8183007—55④粘土51752007—40⑤粉砂1219500530—⑥粘質(zhì)粉土17196007—65⑦粉質(zhì)粘土101855008—50

海區(qū)的設計水位和重現(xiàn)期為50年的波浪設計要素見表4。海水平均流速不超過1.2m/s，重現(xiàn)期50年的基本風壓0.7kPa。多年平均水溫為20℃，多年平均鹽度為32。

表4 水位與設計波浪要素

水位高程/m波高/m周期/s極端高水位4886118設計高水位4182118設計低水位-2568118極端低水位-3065118

采用高樁承臺基礎，承臺底標高取6m，平臺上部采用圓形結構形式，承臺底部直徑為17m，頂面直徑為8.5m，圓柱段高度3.5m，圓臺段高度為2m，承臺采用現(xiàn)澆C40高性能海工混凝土。

樁基采用鋼管樁，樁數(shù)10根，樁徑2m，樁頂標高為6m，樁端高程-71.00m，樁長78m，持力層為第⑥層粘質(zhì)粉土層。在承臺底面高程處，樁均布于直徑13m的圓形軌跡曲線上，樁基采用斜樁布置形式，斜率為6： 1。

5.2 計算結果

將上述設計變量輸入軟件后，荷載組合采用組合系數(shù)方式，波流疊加選擇力矢量疊加模式。波浪計算方法采用10階流函數(shù)方法。水平受荷樁分析采用p-y曲線法。

樁基承載力驗算中軟件自動生成的設計工況數(shù)為64個，樁基承載力驗算結果見表5，表中僅列出全部工況中的最不利結果，計算結果表明承載力滿足要求。

表5 樁基承載力驗算

項目最大荷載/kN承載力/kN荷載/承載力豎向承載力驗算7904410000079抗拔承載力驗算301555000060水平承載力驗算1751700025

風電機組基礎結構水平位移計算時軟件自動生成的設計工況數(shù)為16個，塔筒底部最大水平位移15.8mm，傾斜率0.84‰，泥面處最大水平位移5.2mm，傾斜率0.41‰。位移云圖如圖5所示。

圖5 基礎水平變形云圖

采用FDOW軟件進行整機模態(tài)分析，前3階頻率分別為0.3638Hz、0.3649Hz、1.2081Hz，均能避開風機轉(zhuǎn)動頻率1P和葉片通過頻率3P分布帶5%以上的安全余度。整機主振周期對應的模態(tài)位移如圖6所示。

圖6 整機第1階振型圖

6 結語

在進行海上風電機組基礎結構設計計算時，采用海工設計軟件或有限元通用分析軟件應明確各軟件分析方法的適用性和局限性，盲目地全盤接受會導致計算結果失真，對于工程設計是危險的。而采用針對海上風機基礎結構特點專門開發(fā)的軟件則更具有針對性，計算結果也更具指導性。

海上風機基礎設計軟件應具備全過程的計算功能，包括靜力計算、地震工況計算、承載力計算、位移計算、配筋與裂縫計算、模態(tài)分析、疲勞分析、灌漿節(jié)點設計、防沖刷設計、防腐蝕設計、靠船防撞設計等。

鑒于我國目前尚處于海上風電開發(fā)的初期階段，相關分析方法的可靠性和適用性仍難以把控，在設計計算時采用多種平行分析方法來進行對比分析可以更好地指導設計工作。

軟件設計計算中應保證計算工況的完備性，計算工況應涵蓋風機荷載方位與環(huán)境荷載方位的偏角、荷載作用方位的任意性、荷載與不同設計水位的匹配、波浪相位與荷載的對應關系等。

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Development and Application of Offshore Wind Turbine Foundation Design Software FDOW

Wang Wei1， 2， Yang Min2， Wang Ruixiang1

(1.ShanghaiTongjiQimstarScience&DevelopmentCo.，Ltd.，Shanghai200092,China; 2.CollegeofCivilEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092,China)

Design of offshore wind turbine foundation involves multi-disciplinary fields and contains various subitems，so software is often needed to assist designing.On the other hand，marine engineering design software and finite element analysis software is not specifically developed for offshore wind turbine foundation，then make it very necessary to develop professional software.The design process and main contents of foundation design is firstly introduced，the software’s main functions including load calculation，combination of load，pile analysis，foundation analysis and result output have to be developed to achieve the above requirements.The kernel modules contain visualization function，integrated designing，foundation input and reconfigurable computing.Then calculation methods and main principle embedded in software is introduced.Lastly application of software FDOW to design offshore wind turbine foundation is given with one practical project.

Offshore Wind Turbine； Foundation Design； Software； Pile； Bearing Capacity； Fatigue

王偉(1977-), 男, 工學博士, 高級工程師。主要從事地基基礎工程和土木工程信息化等方面的研究。

TV223；TP311.52

A

1674-7461(2016)06-0008-10