李 穎，喻旭明，王 濱，朱彬彬，張 杰

(1.浙江科技學(xué)院中德工程師學(xué)院，浙江杭州310023；2.中國廣核新能源控股有限公司東南分公司，浙江杭州310015；3.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122；4.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

0 引 言

我國海洋能資源十分豐富，具備開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)電的良好條件[1]，開發(fā)利用海上風(fēng)能資源可以提高能源自給能力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)“十二五”可再生能源規(guī)劃，風(fēng)電將繼續(xù)獲得大力發(fā)展，規(guī)劃到2020年我國海上風(fēng)電裝機(jī)3 000萬kW[2]。

海上風(fēng)機(jī)多樁基礎(chǔ)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受風(fēng)、風(fēng)機(jī)、浪、流和地震等諸多隨機(jī)荷載作用，且受到環(huán)境腐蝕、海床沖刷、基礎(chǔ)動(dòng)力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和疲勞裂紋擴(kuò)展的威脅。以往的研究主要集中在基于一種或兩種控制標(biāo)準(zhǔn)開展的極端工況下單一荷載方向的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)分析，且未考慮風(fēng)機(jī)全壽命期內(nèi)力變化。另外，要保證海上風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行也需要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足一定的控制指標(biāo)，如基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角、基頻等。因此，非常有必要開展基于多重控制標(biāo)準(zhǔn)的海上風(fēng)機(jī)多樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜海洋環(huán)境荷載聯(lián)合作用下的全壽命期靜動(dòng)力分析研究。

本文以江蘇某海上風(fēng)電項(xiàng)目為依托，基于靜力分析、模態(tài)分析、地震分析等方法，研究了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)各特定階段的靜動(dòng)力性能，并分析了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)復(fù)雜荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性與可靠性。

1 灌漿連接段建模理論

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的灌漿連接部分一直是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體靜動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，灌漿連接段部分的建?？梢愿鶕?jù)國內(nèi)外普遍采用的簡化方法，即將這一部分的灌漿材料、套管與樁按剛度等效處理：

(EI)等效=(E1I1)套管+(E2I2)灌漿材料+(E3I3)樁

(1)

式中，(EI)等效為結(jié)構(gòu)樁基灌漿連接段經(jīng)等效處理后的剛度；(E1I1)套管、(E2I2)灌漿材料、(E3I3)樁分別為套管、灌漿材料和樁的剛度。

表1 風(fēng)機(jī)荷載

2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

本文所選江蘇某海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)采用三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。三樁沿直徑24 m的圓周均勻分布，樁徑2.35 m，樁長61.0 m，壁厚26 mm，入土深度55 m。鋼管樁與鋼套管的環(huán)形空間內(nèi)通過高強(qiáng)灌漿材料連接。主筒體直徑為變直徑4.7～3.0 m，主筒體與樁頂套管之間通過上部斜撐鋼管與下部水平橫撐連接。

本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，薄壁鋼結(jié)構(gòu)采用管單元Pipe59及二階殼單元Shell63分別進(jìn)行模擬，混凝土、灌漿材料采用Solid65單元進(jìn)行模擬，下部樁土相互作用采用P-y法模擬。采用P-y曲線計(jì)算時(shí)，鋼管樁與土體相互作用采用非線性彈簧單元模擬，根據(jù)地質(zhì)資料提供的土的摩擦角、不排水剪強(qiáng)度等參數(shù)，結(jié)合《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法—荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》[3]中土的P-y、t-z、Q-z曲線計(jì)算方法，將其轉(zhuǎn)化為土的非線性約束彈簧。圖1為該風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)有限元模型。

圖1 三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)有限元模型示意

2.1 靜力分析

風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般為25年，綜合考慮基礎(chǔ)沖刷淘蝕、海洋生物生長、腐蝕與疲勞裂紋擴(kuò)展等主要因素，將整個(gè)結(jié)構(gòu)壽命期劃分為特定的4個(gè)階段進(jìn)行分析，即服役起始、服役10年、服役20年、服役期止，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別是①服役起始階段是海床面未發(fā)生沖刷、海洋生物未生長、鋼材未發(fā)生腐蝕及疲勞裂紋；②服役10年階段是鋼材的腐蝕及疲勞損傷相對(duì)較小，但基礎(chǔ)沖刷淘蝕及海洋生物生長均已穩(wěn)定；③服役20年階段是鋼材的腐蝕及疲勞損傷均有一定程度的累積；④服役期止階段是規(guī)范要求支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等多種指標(biāo)仍需滿足一定的控制標(biāo)準(zhǔn)。

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)常年受到風(fēng)、波浪、海流和冰的共同作用，所受荷載條件比陸上風(fēng)機(jī)更為復(fù)雜，在進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)如何合理組合結(jié)構(gòu)所受載荷是關(guān)鍵?？蓪⒔M合工況分為極限工況和正常運(yùn)行工況。當(dāng)風(fēng)機(jī)輪轂中心距離塔筒底部80 m時(shí)，作用于塔架底端的海上風(fēng)機(jī)荷載值見表1，風(fēng)機(jī)荷載坐標(biāo)軸見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)荷載坐標(biāo)示意

圖3 海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)力和位移變化

結(jié)構(gòu)所承受的最大作用力與規(guī)范限值的比值均應(yīng)小于1，因此本文中風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均為最大作用力與規(guī)范允許值的比值。圖3為運(yùn)行工況荷載條件下海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)力和位移變化，其中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移控制標(biāo)準(zhǔn)參考規(guī)范[4-7]。經(jīng)過查表整理，靜力工況下此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許值、單樁抗壓承載力允許值、單樁抗拔承載力允許值、斜撐轉(zhuǎn)角允許值分別為250 MPa、14 723.3 kN、7 868.3 kN、0.004 rad。隨著風(fēng)機(jī)服役年限增長，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基礎(chǔ)位移與轉(zhuǎn)角、單樁受拔最大作用力逐漸變大，單樁受壓最大作用力逐漸減小。在風(fēng)機(jī)全壽命期內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，并且滿足規(guī)范允許值要求。

2.2 模態(tài)分析

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)承受的主要荷載是風(fēng)和波浪，其具有明顯的動(dòng)力特性，海上高聳的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系在這些動(dòng)力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動(dòng)力特性，而這些動(dòng)力效應(yīng)總是趨向于增加應(yīng)力數(shù)值并損害結(jié)構(gòu)的長期承載能力。因此，“風(fēng)機(jī)-塔架-基礎(chǔ)-地基”系統(tǒng)是一個(gè)相互作用高度耦合的動(dòng)力系統(tǒng)，需對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和響應(yīng)。

本文采用有限元法對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)照葉片轉(zhuǎn)動(dòng)、塔筒自振頻率以及波浪頻率，以避免系統(tǒng)發(fā)生共振的可能性。通過模態(tài)分析，評(píng)價(jià)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足海上風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)要求。頻率校核時(shí)，上部塔架采用梁單元Beam189建立，機(jī)艙、葉輪等采用質(zhì)量單元mass21模擬，以質(zhì)量塊的形式施加。

圖4為海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)的一階固有頻率變化，可以看出，結(jié)構(gòu)一階頻率從服役起始的0.353 33 Hz降低至服役期止的0.349 77 Hz，變化幅度不大，仍然在整機(jī)頻率允許范圍0.268～0.394 Hz內(nèi)，沒有產(chǎn)生共振的危險(xiǎn)。隨著時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)剛度在持續(xù)下降，會(huì)導(dǎo)致海上風(fēng)機(jī)在全壽命期內(nèi)具有產(chǎn)生較大塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)，從而出現(xiàn)裂縫甚至破壞。

圖4 海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)在全壽命期內(nèi)的一階固有頻率變化

2.3 地震工況下內(nèi)力分析

本文根據(jù)地震相關(guān)資料，參考GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，采用相關(guān)地震反應(yīng)譜模擬計(jì)算地震作用。地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)按1.0采用，特征周期取0.9 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，水平地震影響系數(shù)按規(guī)范要求取0.20。在計(jì)算地震工況下各振型內(nèi)力后，采用CQC方法進(jìn)行振型組合，由于地震的隨機(jī)性和地震方向的不確定性，地震輸入考慮了X、Y、Z3個(gè)方向，方向組合系數(shù)取值分別為1.0、1.0、0.5。

圖5 地震工況下海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

地震工況下，此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力允許值、單樁抗壓承載力允許值、單樁抗拔承載力允許值分別為312.5 MPa、18 404.2 kN和9 720.4 kN。圖5為地震工況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同時(shí)期時(shí)的內(nèi)力。結(jié)果表明，地震作用下全壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)單樁承載能力有所降低，但仍然不超過允許范圍內(nèi)。

2.4 海生物附著厚度敏感性分析

海生物生長是影響海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性能的一項(xiàng)重要因素，海生物的生長將改變海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和表面狀態(tài)，導(dǎo)致水動(dòng)力荷載的增加，并改變支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和疲勞損傷。海生物生長附著范圍為海平面附近至泥面附近，生長較為迅速，生長厚度在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建成后一年即相對(duì)穩(wěn)定。江蘇海域已建工程的海生物附著厚度一般為50 mm，此時(shí)海生物的生長保持一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。

為保證海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全，本文對(duì)服役期止的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海生物附著厚度的敏感性進(jìn)行研究，厚度分別取50、100 mm。計(jì)算時(shí)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)海平面以下的結(jié)構(gòu)外徑分別增加50、100 mm，進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。圖6分別為不同海生物厚度時(shí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和固有頻率變化，可以看出，海生物生長對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)影響較小，由于海生物附著，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)自重增大和水動(dòng)力荷載增加，使得靜力分析各項(xiàng)指標(biāo)均有所增加。模態(tài)分析結(jié)果表明海生物生長對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振特性敏感性較低，基本不構(gòu)成影響。

圖6 不同海生物厚度時(shí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和固有頻率變化

3 結(jié) 論

本文對(duì)江蘇某海上風(fēng)機(jī)三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析與地震分析，得出以下結(jié)論：①靜力工況下，隨著海上風(fēng)機(jī)服役年限的增長，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基礎(chǔ)變形、單樁受拔最大作用力逐漸變大，單樁受壓最大作用力、基礎(chǔ)整機(jī)頻率逐漸減?。虎谌珘勖趦?nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，承載能力有所降低，但仍然可以在場(chǎng)區(qū)發(fā)生地震的情況下安全工作；③海生物附著導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)自重增大和水動(dòng)力荷載增加，使得靜力分析各項(xiàng)指標(biāo)均有所增加，但海生物生長對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振特性基本不構(gòu)成影響。

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