劉 爽,束加慶,吳兆和,顧曉慶
中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司,江蘇 南京 211102
根據(jù)工程經(jīng)驗,海上風(fēng)機基礎(chǔ)建設(shè)費用占工程總投資的40%左右,因此合理的風(fēng)機基礎(chǔ)型式及詳細(xì)的受力分析是降低海上風(fēng)電項目工程成本的有效手段。
根據(jù)波浪設(shè)計專題報告,某場區(qū)多年平均海平面高度為0.28m,最大水深約為49m;設(shè)計高水位和設(shè)計低水位分別為2.76m、-2.26m,50年一遇極端高水位和極端低水位分別為4.26m、-3.46m;50年一遇的H1%波高為9.39m,對應(yīng)周期為18.9s,波浪的主浪向為ENE。海水表面流速為1.081m/s,底部流速為0.514m/s。
目前,海上風(fēng)機基礎(chǔ)可分為樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ),根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗,不同風(fēng)機基礎(chǔ)型式的適用水深范圍如表1所示。
表1 不同風(fēng)機基礎(chǔ)型式適用水深范圍 單位:m
根據(jù)水文條件中最大水深,可判斷該工程風(fēng)機基礎(chǔ)可為導(dǎo)管架基礎(chǔ)或浮式基礎(chǔ),而浮式基礎(chǔ)在國內(nèi)尚處于試驗階段,因此該工程采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式。導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般由4根雙斜布置主導(dǎo)管與斜撐組成,主導(dǎo)管下部與鋼管樁灌漿連接,上部與風(fēng)機塔筒法蘭連接,導(dǎo)管架同時起到基礎(chǔ)調(diào)平的作用。
根據(jù)海洋水文條件,初步布置導(dǎo)管架總高65m,底部尺寸為21m×21m,頂部尺寸為10m×10m。主導(dǎo)管雙向斜率為10∶1,主導(dǎo)管直徑為2m,管壁厚度為35mm,節(jié)點處局部加強壁厚取50mm。4根斜撐鋼管直徑為1m,管壁厚度為20mm。導(dǎo)管架下伸腿柱與鋼管樁相連,柱上部直徑為2m,下部直徑為2.5m,管壁厚度均為50mm。鋼管樁總長40m,外直徑為2.5m,上部10m壁厚25mm,下部30m壁厚15mm,樁土作用可通過P-Y、T-Z、Q-Z曲線表示。導(dǎo)管架材料為DH36鋼材。根據(jù)廠家資料,風(fēng)機的輪轂高度為75m,建立導(dǎo)管架模型如圖1所示。
圖1 導(dǎo)管架模型圖
采用SACS軟件對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,首先根據(jù)樁土相互作用及外部荷載生成樁土超單元文件,然后將超單元文件施加為主導(dǎo)管底部剛度,再對導(dǎo)管架進行模態(tài)分析。
該工程最大水深約為49m,50年一遇的H1%波高約為9.39m,對應(yīng)周期為18.9s。根據(jù)《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10105—2018)中波浪理論適用范圍的描述,可選擇STOKES5階波或流函數(shù)作為波函數(shù),該工程選擇流函數(shù),通過計算得到導(dǎo)管架的前5階振型如圖2所示。從圖2可以看出,第一、二階為塔筒X、Y方向平動,第三、四階為導(dǎo)管架X、Y方向平動,第五階為導(dǎo)管架轉(zhuǎn)動,前五階的自振頻率分別為0.4103Hz、0.4104Hz、0.6344Hz、0.6345Hz,根據(jù)計算結(jié)果可知,建立的導(dǎo)管架模型剛度很大且分布均勻。同時,為了避免風(fēng)機與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振,結(jié)構(gòu)整體的固有頻率宜避開風(fēng)電機組由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的激勵頻率范圍,此過程需與風(fēng)電機組廠家交互復(fù)核、深度優(yōu)化。
圖2 導(dǎo)管架前4階振型圖
根據(jù)海洋水文報告,對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在波流作用下進行計算分析。根據(jù)《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10105—2018)要求,風(fēng)機基礎(chǔ)最大允許豎向位移為100mm,最大允許水平傾角為4.36‰。波流荷載下導(dǎo)管架位移云圖如圖3所示。由計算結(jié)果和圖3可得,該工程導(dǎo)管架最大豎向位移為3.32mm,泥面處水平傾角約為3.97‰,滿足規(guī)范要求。
圖3 波流荷載下導(dǎo)管架位移云圖
波流荷載下導(dǎo)管架應(yīng)力云圖、UC值云圖分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出,導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大軸力為34MPa,最大UC值為0.506,發(fā)生在最下層斜撐底部以及主導(dǎo)管底部位置,因此后期設(shè)計時,如需考慮加強導(dǎo)管架斜撐強度,可以加大此部位的斜撐直徑后壁厚。根據(jù)計算結(jié)果可知,該導(dǎo)管架強度滿足靜力設(shè)計要求。
圖4 波流荷載下導(dǎo)管架應(yīng)力云圖
圖5 波流荷載下導(dǎo)管架UC值云圖
(1)根據(jù)海洋水文條件,初步設(shè)計建議采用導(dǎo)管架基礎(chǔ),在波浪荷載下導(dǎo)管架的剛度、強度計算滿足規(guī)范要求。
(2)導(dǎo)管架的最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在最下層斜撐底部以及主導(dǎo)管底部位置,該處是后期加強設(shè)計和強度校核的重點區(qū)域。