李 穎,王 濱,夏艷慧

(1.浙江科技學(xué)院中德工程師學(xué)院,浙江杭州310023；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期整體振動(dòng)特性研究

李 穎1,王 濱2,3,夏艷慧2

(1.浙江科技學(xué)院中德工程師學(xué)院,浙江杭州310023；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

以江蘇實(shí)際海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,應(yīng)用場(chǎng)區(qū)海洋水文數(shù)據(jù)以及臨近海洋結(jié)構(gòu)物的檢測(cè)數(shù)據(jù),分析并確定該結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可能出現(xiàn)的海洋環(huán)境及荷載工況,采用有限元軟件SACS分階段開展整機(jī)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的自振特性分析。計(jì)算結(jié)果表明,荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響整機(jī)自振頻率的主要因素,水位、海洋生物及基礎(chǔ)沖刷的變化對(duì)整機(jī)自振頻率影響較?。慌c極端工況相比,多年平均工況作用下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率相對(duì)較大,運(yùn)營(yíng)期始為最大,應(yīng)作為海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)整機(jī)自振頻率校核的對(duì)應(yīng)工況。

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)；自振特性；運(yùn)營(yíng)期；樁基線性化；海洋環(huán)境；荷載工況

0 引 言

目前海上風(fēng)機(jī)大多為三葉片風(fēng)機(jī),為避免共振,同時(shí)滿足受力安全和經(jīng)濟(jì)性等要求,海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率需處于1P頻率(fP,又稱“葉間頻率”)與3P頻率(f3P,又稱“轉(zhuǎn)子頻率”)之間。由于年發(fā)電時(shí)長(zhǎng)的大大增加,變轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)已逐漸取代恒定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī),使得fP與f3P之間的頻率段越來(lái)越窄,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度大幅增加。以某3 MW海上風(fēng)機(jī)為例,其機(jī)組安全運(yùn)行的整機(jī)允許頻率范圍僅為0.254～0.293 Hz。海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)由于剛度較大,極易超出其上限；且隨大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā),上述允許頻率范圍受切入切出風(fēng)速影響,變化不大；而基礎(chǔ)剛度的增加導(dǎo)致整機(jī)頻率增大,自振特性校核已逐漸成為海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。

以往的研究中,自振特性分析往往僅作為動(dòng)力分析的一個(gè)過程[1-5],少數(shù)學(xué)者針對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸對(duì)整機(jī)自振頻率的影響展開研究[6],但上述研究均集中于單一海洋環(huán)境下的自振特性分析,沒有考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)海洋環(huán)境和荷載的隨機(jī)變化對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響。海上風(fēng)機(jī)的服役時(shí)間通常為20～25 a,所處海洋環(huán)境復(fù)雜多變,水位變化、基礎(chǔ)沖刷、材料腐蝕、海生物附著等因素會(huì)直接影響海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振特性；風(fēng)、浪、流等多種隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)荷載會(huì)改變樁土相互作用的剛度,從而改變結(jié)構(gòu)的邊界約束條件,間接影響海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振特性。因此,有必要開展海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的自振特性研究,明確自振頻率主要影響因素以及極限頻率對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境與荷載工況。

本文基于江蘇黃海實(shí)際海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu),采用有限元軟件SACS,結(jié)合場(chǎng)區(qū)海洋水文數(shù)據(jù)以及臨近海洋結(jié)構(gòu)物的檢測(cè)數(shù)據(jù),確定該結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可能出現(xiàn)的海洋環(huán)境及荷載工況,在明確整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率主要影響因素的基礎(chǔ)上,分階段開展整機(jī)運(yùn)營(yíng)期自振特性分析,確定整機(jī)結(jié)構(gòu)極限頻率對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境與荷載工況,為海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 樁基線性化理論

由文獻(xiàn)[7]中的多自由度體系頻率方程可知,多自由度體系的自振特性分析是基于線性系統(tǒng)展開的。對(duì)于海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)而言,在進(jìn)行自振頻率計(jì)算前,需要將非線性樁土相互作用線性化,也稱之為樁基線性化,得到樁頭剛度矩陣。由于樁土相互作用的非線性特性,樁頭剛度矩陣與外荷載密切相關(guān),應(yīng)首先選擇相應(yīng)的荷載工況,將外荷載施加至風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上,計(jì)算泥水分界線處樁(樁頭)的桿件內(nèi)力與位移；通過樁頭的桿件內(nèi)力與位移得到6×6的剛度矩陣,即為樁頭剛度矩陣；最后,用樁頭剛度矩陣替代泥面以下的非線性樁土相互作用,進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)的自振特性分析。

綜上,荷載工況的變化,可以改變樁頭剛度矩陣,從而改變海上風(fēng)機(jī)多樁結(jié)構(gòu)的邊界約束條件,影響其自振特性。當(dāng)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)所受外荷載較大時(shí),樁基變形較大,樁基線性化剛度相對(duì)較小；反之,當(dāng)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)所受荷載較小時(shí),樁基線性化剛度相對(duì)較大。

2 計(jì)算分析模型的建立

2.1 有限元建模

實(shí)際海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)主要由機(jī)組、塔筒、主筒體、上斜撐、下斜撐、樁及樁套管組成,5根樁呈正五邊形均勻布設(shè),各樁外接圓的直徑(也稱“根開”)為24 m,樁頂標(biāo)高-11.2 m,樁底標(biāo)高-90.5 m,基礎(chǔ)頂法蘭標(biāo)高16.3 m,塔筒頂部標(biāo)高94.5 m,輪轂高97 m,天然泥面高程-18.45 m,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)立面示意見圖1；鋼管樁采用Q345C型鋼材,導(dǎo)管架為Q345D型鋼材。使用SACS軟件,建立相應(yīng)的有限元模型,如圖2所示。

圖1 Pentapod基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)立面示意(單位：尺寸mm，高程m)

2.2 基本工況參數(shù)

結(jié)合工程場(chǎng)區(qū)附近五個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)海洋水文數(shù)據(jù),采用國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的單樁沖刷坑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]及規(guī)范[10]來(lái)推算基礎(chǔ)沖刷情況,考慮到波流共同作用下的局部沖刷深度會(huì)比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果稍大,為保守起見,本算例認(rèn)為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有效范圍內(nèi)泥面均發(fā)生沖刷,沖刷穩(wěn)定深度為5 m。基本工況參數(shù)見表1,荷載工況為多年平均工況,見表2。

參考《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[11]和《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[12]并結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū),單面腐蝕裕量大氣區(qū)為2 mm,飛濺區(qū)為6 mm,全浸區(qū)為4 mm,泥下區(qū)為2 mm,未封閉桿件考慮雙面腐蝕,各桿件具體情況見圖1。圖中,“t=50(54)”代表運(yùn)營(yíng)期開始時(shí)壁厚為54 mm,運(yùn)營(yíng)期結(jié)束時(shí)壁厚為50 mm,運(yùn)營(yíng)期內(nèi)該桿件腐蝕4 mm。

表1 基本工況參數(shù)

表2 荷載工況參數(shù)

2.3 樁土相互作用及樁基線性化

p-y曲線法如實(shí)地反映了土的非彈性性質(zhì)及自泥面開始的進(jìn)行性破壞現(xiàn)象,因此被廣泛應(yīng)用于固定式海上平臺(tái)等建筑物的樁基設(shè)計(jì)中[13-14]。龐文彥對(duì)比了現(xiàn)有的各種樁基礎(chǔ)水平承載力的計(jì)算方法,證明了p-y曲線法是最為適合海上風(fēng)機(jī)樁結(jié)構(gòu)水平承載力的模擬方法[15]。本文采用p-y曲線模擬水平向、t-z曲線模擬軸向、Q-z曲線模擬樁端的非線性樁-土相互作用。

結(jié)合實(shí)際海洋水文數(shù)據(jù)及風(fēng)機(jī)廠家提供的風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載,分別基于多年平均工況和極端工況進(jìn)行樁基線性化,得到相應(yīng)的樁頭剛度陣,以確定不同荷載工況引起的樁基線性化剛度對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響。圖3給出了多年平均工況和極端工況作用下同一樁的樁頭剛度矩陣。

圖3 樁頭剛度矩陣

3 自振頻率的主要影響因素分析

為明確所述海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)自振頻率的主要影響因素,以基本工況為基準(zhǔn),通過分別單獨(dú)改變水位、荷載工況、基礎(chǔ)沖刷深度、海生物生長(zhǎng)情況、腐蝕程度等因素,進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率分析,具體工況設(shè)置和計(jì)算結(jié)果見表3,表中S1～S6工況只標(biāo)明了與基本工況不同的相關(guān)參數(shù),未標(biāo)明部分與基本工況相同。

由表3可見,基本工況作用下該海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)整機(jī)自振頻率為0.305 0 Hz；只改變桿件壁厚,對(duì)應(yīng)運(yùn)營(yíng)期開始時(shí)的未腐蝕結(jié)構(gòu),整機(jī)自振頻率為0.311 5 Hz,與基本工況整機(jī)自振頻率相差2.11%；只改變荷載工況,得到極端工況下的樁基線性化剛度,并由此得到整機(jī)自振頻率為0.301 4 Hz,與基本工況整機(jī)自振頻率相差1.19%；而只改變運(yùn)營(yíng)期內(nèi)水位、海洋生物生長(zhǎng)及基礎(chǔ)沖刷情況得到的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率與基本工況相差不超過1%。因此,該海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi),荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響整機(jī)自振頻率的主要因素；運(yùn)營(yíng)期內(nèi)水位、海洋生物及基礎(chǔ)沖刷的變化對(duì)整機(jī)自振頻率無(wú)較大影響。

4 運(yùn)營(yíng)期自振頻率分析

由海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)整機(jī)自振頻率影響因素分析可知,運(yùn)營(yíng)期內(nèi)荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響其自振頻率的主要因素,水位、海生物及基礎(chǔ)沖刷的變化影響很小。因此,分別基于多年平均工況和極端工況將Pentapod結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行分段,分析各特定階段的整機(jī)自振頻率,從而確定結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的自振頻率變化,得到極限頻率所對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境與荷載工況。

表4 工況及基頻

本算例中海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命為20年,自運(yùn)營(yíng)期開始至結(jié)束,每5年作為一個(gè)特定階段,將整個(gè)壽命期依據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)間分為5個(gè)特定階段。水位、海生物及基礎(chǔ)沖刷同基本工況(見表1)。依據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范[10-11,16-18],本算例認(rèn)為風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)的材料腐蝕為逐年均勻腐蝕,即自運(yùn)營(yíng)期開始至結(jié)束,鋼材的壁厚均勻減薄。對(duì)于各特定階段,分別采用多年平均工況和極端工況進(jìn)行樁基線性化,得到樁基線性化剛度,進(jìn)而進(jìn)行模態(tài)分析,得到整機(jī)自振頻率,計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 各特定階段的Pentapod結(jié)構(gòu)基頻

由圖4可見,在多年平均工況和極端工況作用下,本算例海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)的自振頻率均隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而線性遞減,這是由于材料壁厚隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而均勻腐蝕。與極端工況相比,各特定階段在多年平均工況作用下的樁基線性化剛度較大,整機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率也相對(duì)較大。

運(yùn)營(yíng)期開始時(shí),多年平均工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率最大,為0.311 5 Hz；運(yùn)營(yíng)期結(jié)束時(shí),極端工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率最小,為0.301 4 Hz；兩者相差3.33%。海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)剛度較大,受桿件內(nèi)力、節(jié)點(diǎn)沖剪、地基承載力、基礎(chǔ)變形、整機(jī)頻率和疲勞損傷等多重指標(biāo)的控制,設(shè)計(jì)通過時(shí),整機(jī)自振頻率通常非常接近允許頻率范圍的上限。如果采用運(yùn)營(yíng)期結(jié)束、極端工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率設(shè)計(jì)校核通過,則在其運(yùn)營(yíng)期內(nèi)很有可能超出允許頻率范圍的上限而進(jìn)入頻率段,使得整機(jī)結(jié)構(gòu)頻率與轉(zhuǎn)子頻率重合而共振,產(chǎn)生較大損傷。因此,為保守設(shè)計(jì)起見,建議以運(yùn)營(yíng)期開始、結(jié)構(gòu)受多年平均工況荷載作用作為海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)整機(jī)自振頻率校核的對(duì)應(yīng)工況。

5 結(jié) 論

本文基于江蘇黃海實(shí)際海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu),結(jié)合場(chǎng)區(qū)海洋水文數(shù)據(jù)以及臨近海洋結(jié)構(gòu)物的檢測(cè)數(shù)據(jù),確定分析結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可能出現(xiàn)的海洋環(huán)境及荷載工況,采用有限元軟件SACS,在明確整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率主要影響因素的基礎(chǔ)上,分階段開展整機(jī)運(yùn)營(yíng)期自振特性分析,得出如下結(jié)論：

(1)海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi),荷載工況引起的樁基線性化剛度和腐蝕程度是影響其整機(jī)自振頻率的主要因素；水位、海洋生物及基礎(chǔ)沖刷的變化對(duì)整機(jī)自振頻率無(wú)較大影響。

(2)與極端工況相比,多年平均工況作用下的樁基線性化剛度較大,整機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率也相對(duì)較大。

(3)運(yùn)營(yíng)期結(jié)束時(shí),極端工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率最??；運(yùn)營(yíng)期開始時(shí),多年平均工況下的整機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率最大,后者應(yīng)作為海上風(fēng)機(jī)Pentapod結(jié)構(gòu)整機(jī)自振頻率校核的對(duì)應(yīng)工況。

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(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Study on Vibration Characteristic of Multi-pile Structure of Offshore Wind Turbine during Operation Period

LI Ying1,3, WANG Bin2,3, XIA Yanhui2
(1. Chinese-German Institute of Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China; 3. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Taking the real offshore wind turbine multi-pile structure in Jiangsu Province as study object, the natural vibration characteristics of wind turbine during operation period are analyzed in stages with SACS software, in which, the marine environments and the load cases that may occur during operation period are determined by considering actual ocean hydrological data and test data of other ocean structure in engineering field. The results show that: (a) the linear stiffness of pile foundation induced by load cases and corrosion degree have significant influences on the natural frequency of whole structure, and the variations of water level, marine life and foundation scour have no obvious influence; and (b) compared with the results under extreme condition, the natural frequency of whole structure under annual average load case is larger, and the largest one appears at the beginning of operation period, which should be considered as the checking case of natural frequency of offshore wind turbine multi-pile structure．

offshore wind turbine structure; natural vibration characteristics; operation period; pile foundation linearization; marine environment; load case

2016- 07-29

基助項(xiàng)目：大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(LP1611)；浙江科技學(xué)院科研基金(F701117F01)；中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司立項(xiàng)課題(KY2014- 02- 41)

李穎(1982—),女,遼寧鞍山人,講師,高級(jí)工程師,博士,主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)研究；王濱(通訊作者)．

TK8

A

0559- 9342(2017)05- 0091- 04