張學(xué)森 ZHANG Xue-sen；李丹 LI Dan

（①中國廣核新能源控股有限公司，北京 100071；②保定建業(yè)集團(tuán)有限公司，保定 071000）

0 引言

根據(jù)對中國當(dāng)前在海上風(fēng)電機(jī)組架構(gòu)設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)荷載承重能力不足和機(jī)制不連貫等問題現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，需要針對中國實際工程設(shè)計的現(xiàn)狀，進(jìn)行了一個比較完整的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒與導(dǎo)管架基礎(chǔ)之間的筒式聯(lián)接結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，并且需要充分考慮對海上風(fēng)力機(jī)組的筒塔運(yùn)行負(fù)荷、自重、風(fēng)載荷、海浪負(fù)荷、海流載荷以及對整機(jī)的負(fù)荷等進(jìn)行有效估算，并且需要利用有限元ANSYS 軟件精確地計算海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒與導(dǎo)管架基礎(chǔ)之間的筒式連接結(jié)構(gòu)，并建立了筒式連接的設(shè)計模式，結(jié)合對比結(jié)構(gòu)模型方法和控制變量方法對不同角度的入射方向荷載數(shù)值進(jìn)行有效測試，同時也實現(xiàn)計算結(jié)果的有效對比，全面了解海上風(fēng)電機(jī)塔筒與導(dǎo)管架基礎(chǔ)的筒式連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢，對荷載傳遞帶來的優(yōu)越性，同時也減輕荷載壓力，為海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的設(shè)計提供可靠支持。

1 海上風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要意義

新時期的電力產(chǎn)業(yè)推動了我國海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。在海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為整個系統(tǒng)的核心，對風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵性作用。然而在當(dāng)前背景下我國海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，推動了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)設(shè)計也帶來了全新的挑戰(zhàn)?；谘芯靠梢钥闯?，我國當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到發(fā)電成本所制約，從海上發(fā)電角度分析，對于海上風(fēng)電機(jī)的基礎(chǔ)建設(shè)成本需要占整個系統(tǒng)成本的大部分比重，而西方發(fā)達(dá)國家在此項研究報告中明確表明，海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總投入中，風(fēng)電機(jī)的基礎(chǔ)投資費(fèi)用可以占總投資的五分之一以上，所以，為了保障海上風(fēng)力產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，必須從風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)入手，重視基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有效縮減海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投資成本，同時也提高海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。此外，在海上風(fēng)電系統(tǒng)中，由于各類組合具有特異性，這也為發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示海上發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)體系的復(fù)雜性引發(fā)發(fā)電機(jī)組故障的概率高達(dá)18%，這也使得海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)設(shè)施成為成本投入的核心風(fēng)險因素。

就海洋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建設(shè)的架構(gòu)分析來看，其基本架構(gòu)主要由中心浮動平臺、負(fù)壓筒基礎(chǔ)構(gòu)造、重力型構(gòu)造、導(dǎo)管架型構(gòu)造、三腳架基礎(chǔ)以及單樁構(gòu)造組成。從全球各國角度分析，目前仍然有很多的海洋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)都是采用以導(dǎo)管架、三腳架基礎(chǔ)或者單樁來設(shè)置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但不管三腳架基礎(chǔ)或者單樁承臺構(gòu)造，由于其承載力都是通過中心樁身完整性來承載，因此導(dǎo)致中心樁柱的孔徑和壁厚都太大，同時費(fèi)用也相當(dāng)高昂。而且因為極限荷載或者疲勞都會損壞中心樁柱，所以如果替換為樁柱那么成本也就非常昂貴了，并且會嚴(yán)重影響整機(jī)的經(jīng)濟(jì)價值。對于導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)施工程來說，主要是通過在導(dǎo)管架基座和塔筒間建造的連接結(jié)構(gòu)，以便于起到相互聯(lián)系和支撐的功能，但由于設(shè)置的連接結(jié)構(gòu)要與導(dǎo)管架基礎(chǔ)基本處于分離關(guān)系，同時負(fù)荷承受的機(jī)制又不連貫，分布出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)施的局部負(fù)荷過高問題，甚至出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞等問題。而面對這一問題，以下針對一種新型的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的筒式連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在該連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，起到良好的支撐效果。

2 海上風(fēng)電機(jī)塔筒與導(dǎo)管架基礎(chǔ)筒式連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)形式

通過圖1 的筒式連接結(jié)構(gòu)可以看出，該連接結(jié)構(gòu)的中心作為塔筒的底座，并且可以將它視為塔筒與法蘭形結(jié)構(gòu)的連接體。在風(fēng)機(jī)的塔筒基座周邊合理地設(shè)置了四根立柱，同時要求每一個柱子與塔筒底座中心之間都采用了連貫腹層的銜接方式，同時，在這四條側(cè)邊柱子的最外面都要配套設(shè)置了四組最側(cè)面柱子，并且各個最側(cè)邊柱子到塔筒底座中心的距離都應(yīng)該相等，同時各組相互對應(yīng)的內(nèi)側(cè)柱子和外側(cè)立柱之間按照軸心差距和塔筒基座中心處于同一平面內(nèi)，外側(cè)柱子的上下部分之間都要通過與周邊的水平桿件加以銜接，同時在每一個內(nèi)側(cè)柱子和最側(cè)面柱子之間采用若干個水平桿件加以連接，這樣構(gòu)成了一個框架整體，并達(dá)到緊密連接效果。在連接體系中，八根支柱與導(dǎo)管架基礎(chǔ)要呈相對的連接結(jié)構(gòu)，同時采取焊接的方式來提高連接的連貫性，保持傳力的可靠性。

2.2 構(gòu)件尺寸

在筒式連接結(jié)構(gòu)中，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的整體受力中筒式連接結(jié)構(gòu)也發(fā)揮著重要的作用，因此，在進(jìn)行筒式連接結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架的鏈接過程中，其連接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，同時整個結(jié)構(gòu)都使用Q345B 鋼材進(jìn)行連接。具體參數(shù)設(shè)計如表1 所示。

表1 參數(shù)設(shè)計

3 荷載計算

針對海上風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組筒式連接結(jié)構(gòu)來說，和導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接的計算荷載一般包含風(fēng)電機(jī)的通底部運(yùn)行和風(fēng)載荷的運(yùn)算情況，在實際運(yùn)行中對冰荷載和地震荷載不做過多考慮。

3.1 風(fēng)電機(jī)塔筒底部的荷載計算

結(jié)合某南海區(qū)域的風(fēng)電場工作情況為例，分析海上風(fēng)電機(jī)組塔筒底部的運(yùn)行荷載情況數(shù)據(jù)技術(shù)，其荷載結(jié)果如表2 所示。

表2 風(fēng)電機(jī)塔筒底部運(yùn)行荷載

3.2 風(fēng)荷載計算

在針對風(fēng)電機(jī)的他通底部風(fēng)荷載計算中，主要通過荷載運(yùn)算方式呈現(xiàn)，塔筒的基礎(chǔ)底座和下部的符合核算要結(jié)合海上固定平臺入級和建造相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計算，相關(guān)計算公式為：

結(jié)合風(fēng)荷載計算公式來看，其中K 代表風(fēng)載荷的形狀系數(shù)，而K2則表示海上風(fēng)壓的變化系數(shù)；同A 代表海上風(fēng)的承受面積，主要是垂直風(fēng)向的輪廓投影面積，最后V表示設(shè)計的風(fēng)速，一般V 的風(fēng)速設(shè)置為59.5m/s。

3.3 波浪荷載計算

在海上風(fēng)電機(jī)與導(dǎo)管架的筒式連接環(huán)節(jié)中，導(dǎo)管架的尺寸和波長連接相對都比較小，大部分都是小尺寸的構(gòu)建，因此可以通過線性波的理論對波浪的荷載進(jìn)行計算，具體計算方法采用下方公式進(jìn)行計算：

其中ρ 表示海水的密度，一般ρ=1025kg/m3，而式中的CD代表曳力系數(shù)，其也為常數(shù)，一般結(jié)合相關(guān)規(guī)范曳力系數(shù)取值為1，CM表示慣性力系數(shù)，該系數(shù)一般取值為2，D則表示為直徑，u 代表垂直構(gòu)建軸線的速度分量，結(jié)合相關(guān)資料調(diào)查顯示，波浪的額外要素分別是最大波高度、水深度和相對應(yīng)的波浪周期等。

3.4 海流荷載計算

由于受到海面上的海水流速的影響，在時間的不斷推移下，海水的流速也逐漸放緩，所以海流荷載也可以作為一個穩(wěn)定的荷載出現(xiàn)，具體的海流荷載計算也可以通過下述公式進(jìn)行計算：

通過海流荷載計算公式可以看出，式中fD表示長度拖曳力，另外ρ 表示海水的密度，A 代表單位長度內(nèi)構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積，CD代表拖拽力系數(shù)，最后UC表示海水的流速，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測定，海水流速的取值為1.31m/s，并且不會隨著海流高度發(fā)生改變。

4 靜力計算

在針對海上風(fēng)電機(jī)組的靜力計算過程中，主要利用有限元軟件來實現(xiàn)，通過對當(dāng)前的靜力荷載情況在進(jìn)行導(dǎo)管架基礎(chǔ)的建模過程中，還可以通過shell63 單元的模擬軟件對筒式連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并且還可以通過pipe59 的單元模擬泥面對導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行模型構(gòu)建，在導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型的泥面構(gòu)建中，也可以采用pipe16 單元來實現(xiàn)。在建立導(dǎo)管架的基礎(chǔ)模型中，XOY 平面的減員必須處在整合示意圖的核心位置，同時確保Z 軸上遠(yuǎn)點(diǎn)位置為海水靜力面的高度，使之垂直上上，同時彈性模量也維持在2.1×105MPa 之間，而且泊松比也維持在1.3 左右，通過等效樁法來分析樁和土之間的作用效果。針對導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計中，按照樁的六倍來考慮淘深度側(cè)，保持泥面處于固定位置。

4.1 計算模型

針對海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)的模型來看，其結(jié)構(gòu)有限元模型其中包括373 和795 個單元，并且節(jié)點(diǎn)也包含了370 和273 個，為了有效地做好筒式連接結(jié)構(gòu)在荷載性能上的傳遞水平，進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接情況來看，積極采用控制變量的手段，結(jié)合下部導(dǎo)管架的底座不發(fā)生任何變動，只對上半部的筒式連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而去除相應(yīng)的立柱與連貫腹板，加強(qiáng)水平支撐桿，并且將同他的底座和導(dǎo)管基礎(chǔ)有效連接，構(gòu)成周邊支撐，對結(jié)構(gòu)有限元進(jìn)行模擬。

4.2 應(yīng)力計算

在針對海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)的上部應(yīng)力計算時，首先要根據(jù)荷載形式與海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分?jǐn)?shù)，對不同角度的入射方向以及海流風(fēng)速聯(lián)合影響下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響進(jìn)行校核，同時按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，獲取Q345 型鋼材料的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力為207MPa，同時海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同方向最大應(yīng)力如表3 所示。

表3 筒式連接結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

通過表3 的風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)不同方向的入射應(yīng)力進(jìn)行分析，明確Q345 型鋼材的產(chǎn)生的應(yīng)力均小于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力的207MPa，因此滿足實際應(yīng)用需求。結(jié)合導(dǎo)管架基礎(chǔ)和筒式連接結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值對比值可以看出，當(dāng)入射方向處于橫坐標(biāo)上時，那么內(nèi)部應(yīng)力的比例就為縱坐標(biāo)，于是可以根據(jù)這一變化規(guī)律繪制折線圖。通過折線圖可以發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的筒式連接的最大應(yīng)力比均在常數(shù)值為一左右浮動，這就能夠證實了海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)既可以使總負(fù)荷合理地由上往下輸送，同時也和導(dǎo)管架平均負(fù)擔(dān)了一定的總負(fù)荷，從而對合理地實現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的筒式連接結(jié)構(gòu)起到了保障作用。但相對于連接結(jié)果的最大應(yīng)力和導(dǎo)管架的應(yīng)力比重而言，它均大于筒式構(gòu)件，這也就說明了負(fù)載主要是由上部分構(gòu)件所承受，而并不能直接把負(fù)荷傳導(dǎo)到下部分，而且擱在內(nèi)部承受機(jī)制上并不連貫，很容易出現(xiàn)上不連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力增大而產(chǎn)生損壞等問題。

4.3 最大沉降量和傾斜率

針對風(fēng)電機(jī)組的地基基礎(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)中，根據(jù)相關(guān)資料對風(fēng)電機(jī)組荷載的特征進(jìn)行分析，同時計算風(fēng)電機(jī)組的最大沉降量以及傾斜率限制。通過計算結(jié)果可以看出，其相關(guān)數(shù)值均處于許可范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。而海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計也能夠小于對比結(jié)構(gòu)，這也表示風(fēng)電機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須要充分考慮傾斜率和最大沉降量這兩項標(biāo)準(zhǔn)，在開展海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，也可以有效體現(xiàn)出具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)的鏈接，還可以實現(xiàn)荷載的有效傳遞，并且起到良好的支撐作用，有效分擔(dān)導(dǎo)管架的荷載力。相比于其他結(jié)構(gòu)來說，海上風(fēng)電機(jī)組和導(dǎo)管架的筒式連接結(jié)構(gòu)設(shè)計在多個層面都展現(xiàn)出良好的優(yōu)越性能，并且可以滿足實際應(yīng)用需求，表現(xiàn)出良好的海上發(fā)電工程應(yīng)用意義。