黎鵬飛，王志明，慕　仝，繩結(jié)竑，易建軍，嚴(yán)華剛

基于臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)間歷程荷載的風(fēng)機(jī)-吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)耦合分析研究

黎鵬飛，王志明，慕仝，繩結(jié)竑，易建軍，嚴(yán)華剛

（中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172）

吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一種經(jīng)濟(jì)高效的新型海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，由于國(guó)內(nèi)、外尚缺乏專門的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，尚無(wú)法在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。本文通過研究風(fēng)機(jī)-風(fēng)電機(jī)組塔筒-導(dǎo)管架-筒體基礎(chǔ)作用機(jī)理，建立了一套廣東區(qū)域的臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)序荷載模型，開發(fā)了基于臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)間歷程荷載的風(fēng)電機(jī)組-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)方法及耦合分析模型。該關(guān)鍵技術(shù)可用于評(píng)價(jià)長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下基礎(chǔ)的承載力及累積變形，可為國(guó)內(nèi)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)；臺(tái)風(fēng)；浪；耦合分析

吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一種新型的海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)機(jī)組基礎(chǔ)形式，優(yōu)點(diǎn)在于可替代嵌巖樁，可以節(jié)省鋼用量，節(jié)省費(fèi)用，采用負(fù)壓施工，無(wú)需額外穩(wěn)樁平臺(tái)，施工速度快，可作為海上風(fēng)電機(jī)組一種經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)形式，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

歐洲在吸力筒巖土工程設(shè)計(jì)方法方面提出了最新的研究成果[1]，2015—2018年，歐洲的德國(guó)Borkum Rffrund 1&2項(xiàng)目、英國(guó)Aberdeen項(xiàng)目已建成小批量的海風(fēng)吸力筒基礎(chǔ)項(xiàng)目。由于我國(guó)海風(fēng)主要開發(fā)區(qū)域如廣東、福建、江蘇沿海的極端工況如臺(tái)風(fēng)頻繁，特別是臺(tái)風(fēng)-浪作用、長(zhǎng)期風(fēng)機(jī)運(yùn)行下的動(dòng)循環(huán)載荷對(duì)吸力筒基礎(chǔ)這種埋深淺的基礎(chǔ)類型，對(duì)其承載力、疲勞、沉降等的不利影響和后果將遠(yuǎn)大于通過深長(zhǎng)樁承載的常規(guī)固定式基礎(chǔ)。并且中國(guó)近岸海洋巖土有較厚淤泥及淤泥質(zhì)土等軟弱土層，對(duì)于吸力筒承載力有較大影響。鑒于中國(guó)廠址地基及環(huán)境荷載與歐洲有較大差異，國(guó)內(nèi)、外尚缺乏專門的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，歐洲吸力筒成果不能直接采用，尚缺少適用于國(guó)內(nèi)廠址巖土、環(huán)境特點(diǎn)的吸力筒基礎(chǔ)的關(guān)鍵分析技術(shù)。

為解決上述問題，本文開展了廣東區(qū)域臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)序荷載模型構(gòu)建、風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)方法、分析模型研究，并提供了工程案例，可為國(guó)內(nèi)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 廣東區(qū)域臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)序荷載模型構(gòu)建

歐洲地區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)一般采用挪威船級(jí)社規(guī)范DNVGL，其中DNVGL-RP-C212[2]建議采用行業(yè)內(nèi)廣泛使用的挪威巖土所（NGI）循環(huán)累積方法，DNV-GL 規(guī)范沒有進(jìn)一步明確具體內(nèi)容。德國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)（EEZ）近海區(qū)域的監(jiān)管機(jī)構(gòu) Bundesanstalt für Seeschifffahrt und Hydrographie（BSH）負(fù)責(zé)批準(zhǔn)在 EEZ 內(nèi)建造的建筑物。它要求設(shè)計(jì)遵循現(xiàn)行的德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。BSH 標(biāo)準(zhǔn)以歐標(biāo)（Eurocode）和相應(yīng)的國(guó)家附件（National Annexes，NA）為基礎(chǔ)，巖土設(shè)計(jì)遵循 DIN EN 1997/NA-1：2010-12。BSH No.7005[3]標(biāo)準(zhǔn)在這方面更具體，并建議根據(jù)對(duì)應(yīng)于50年重現(xiàn)期的35 h風(fēng)潮事件來評(píng)估土體的循環(huán)弱化效應(yīng)。近年來BSH建議的35 h設(shè)計(jì)風(fēng)暴潮譜已成為歐洲地區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目采用的設(shè)計(jì)要求。中國(guó)海風(fēng)主要開發(fā)區(qū)域如廣東、福建、江蘇沿海臺(tái)風(fēng)頻繁，同歐洲近海區(qū)域颶風(fēng)有一定區(qū)別，不能直接引用歐洲規(guī)范。

本文借鑒了歐洲的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建立一套模擬廣東區(qū)域目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)模型，可提取該時(shí)間過程的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)波浪和風(fēng)浪夾角等設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)及風(fēng)浪時(shí)序荷載曲線，可作為風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析中荷載一體化計(jì)算的設(shè)計(jì)輸入。

具體模擬及分析過程如下：

（1）統(tǒng)計(jì)目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，以吸力筒位置為中心一定范圍內(nèi)的臺(tái)風(fēng)開展分析，確定5年、10年、50年一遇的等效臺(tái)風(fēng)工況。具體如下：

1）選取影響該海域最強(qiáng)2次臺(tái)風(fēng)過程，獲取其臺(tái)風(fēng)路徑及其參數(shù)。

2）選取臺(tái)風(fēng)最低中心氣壓0年極值接近5年、10年、50年一遇的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓值的臺(tái)風(fēng)過程，獲取其臺(tái)風(fēng)路徑及其參數(shù)。

3）建立臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算數(shù)值模型，并對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)率定。

4）計(jì)算該海域最強(qiáng)2次臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)度相當(dāng)于5年、10年、50年一遇的臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)極端風(fēng)速引起的吸力筒位置風(fēng)速和波浪過程。

（2）開展目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)歷史評(píng)估

目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)歷史評(píng)估是通過研究登陸目標(biāo)機(jī)位海域200 km范圍沿岸的熱帶氣旋，評(píng)估對(duì)吸力筒海域影響最大的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程，基于歷史記錄年限以吸力筒位置為中心400 km半徑范圍內(nèi)的臺(tái)風(fēng)最低氣壓樣本序列，計(jì)算其-Ⅲ分布，確定對(duì)應(yīng)5年一遇、10年一遇和50年一遇極端風(fēng)速的等效臺(tái)風(fēng)過程。

（3）構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)和波浪數(shù)值模型

數(shù)值模型采用第三代近岸海浪數(shù)值計(jì)算模式SWAN模型和改進(jìn)的Jelesnianski（杰氏）經(jīng)驗(yàn)臺(tái)風(fēng)公式計(jì)算的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，配置三角網(wǎng)格的設(shè)計(jì)，來進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算，以獲得吸力筒位置處各臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)場(chǎng)和波浪過程，并利用波浪浮標(biāo)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。浮標(biāo)站實(shí)測(cè)波高和模擬波高吻合較好，該模型可以準(zhǔn)確的反映波浪的變化趨勢(shì)（見圖1～圖3）。

圖1　波浪模擬計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格分布

圖2 某臺(tái)風(fēng)路徑

圖3　浮標(biāo)實(shí)測(cè)有效波高與模型結(jié)果對(duì)比

2 風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)方法

目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍采用的分離迭代法，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系被人為割裂為風(fēng)機(jī)及塔筒、與風(fēng)機(jī)塔筒底法蘭連接的下部基礎(chǔ)2個(gè)獨(dú)立結(jié)果，僅通過塔筒底部荷載進(jìn)行傳導(dǎo)。計(jì)算分析時(shí)風(fēng)機(jī)廠家無(wú)法準(zhǔn)確模擬下部基礎(chǔ)及土動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)院僅能通過接口形式獲取上部結(jié)構(gòu)荷載等效荷載進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算，并且雙方在模擬環(huán)境荷載過程中無(wú)法做到耦合，造成了分離式設(shè)計(jì)方法在力學(xué)機(jī)理上存在缺陷。目前采取的設(shè)計(jì)方法是將風(fēng)機(jī)塔筒底部的極限荷載包絡(luò)值直接與下部基礎(chǔ)的風(fēng)和波浪荷載疊加，在很大程度上高估了結(jié)構(gòu)的極值響應(yīng)，而對(duì)疲勞分析采用風(fēng)機(jī)塔筒底部的疲勞荷載損傷和下部基礎(chǔ)波浪疲勞損傷簡(jiǎn)單疊加的方法與損傷和應(yīng)力幅的非線性關(guān)系不符，從而導(dǎo)致很大的不確定性及結(jié)果的失真性。然而，一體化設(shè)計(jì)采用整體統(tǒng)一的模型進(jìn)行分析，可以有效解決分離式設(shè)計(jì)極值響應(yīng)偏大和疲勞損傷不確定的問題，為支持結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的合理設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的實(shí)施路徑。

本設(shè)計(jì)提出的吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用的風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析一體化設(shè)計(jì)一體化設(shè)計(jì)方法為：

（1）采用海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化耦合分析模型；

（2）巖土參數(shù)通過精細(xì)化勘察及高級(jí)土工試驗(yàn)獲得，并建立了基于廣東海洋成層土動(dòng)循環(huán)本構(gòu)模型，通過基于承載能力極限工況（ULS）、正常使用極限工況（SLS）以及疲勞極限工況（FLS）下的考慮筒-土相互作用的等效線性剛度矩陣作為約束邊界；

（3）荷載施加采用臺(tái)風(fēng)-波浪時(shí)序荷載模擬極端風(fēng)浪工況、正常運(yùn)行工況風(fēng)-波浪時(shí)序荷載等荷載；

（4）分析計(jì)算采用耦合計(jì)算方式，開展整體計(jì)算，計(jì)算載荷按結(jié)構(gòu)關(guān)鍵作用節(jié)點(diǎn)提取，作為結(jié)構(gòu)、巖土輸入數(shù)據(jù)開展相關(guān)分析工作。

海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化分析流程圖如圖4所示。

圖4　海上風(fēng)電機(jī)組-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化分析流程圖

3 海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析模型

本文提出的風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-吸力筒耦合分析模型（見圖5），采用BLADED軟件建立風(fēng)機(jī)-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)耦合分析模型，用于一體化計(jì)算分析的荷載計(jì)算。海上風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒筒耦合分析模型通過建立風(fēng)機(jī)機(jī)組（包括葉片、轉(zhuǎn)子、機(jī)艙）塔筒、基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)體系，可模在各種風(fēng)機(jī)載荷、環(huán)境荷載、巖土條件下的系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)可計(jì)算各種荷載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)，提供基礎(chǔ)計(jì)算相關(guān)的荷載結(jié)果。

計(jì)算中通過該模型施加臺(tái)風(fēng)-波浪耦合時(shí)間歷程荷載及運(yùn)行狀態(tài)下的計(jì)算中計(jì)入臺(tái)風(fēng)-波浪耦合時(shí)間歷程荷載、正常運(yùn)行工況風(fēng)-波浪時(shí)序荷載，能夠準(zhǔn)確模擬環(huán)境荷載的加載過程，用于開展海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析。

圖5　風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析模型

4 基于臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)間歷程荷載吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)-風(fēng)機(jī)耦合分析案例

本文方法已應(yīng)用于廣東某海上風(fēng)電項(xiàng)目的吸力筒基礎(chǔ)科研工程化示范，如圖6所示。研發(fā)的吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)為三筒吸力筒筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)總重1 717 t。導(dǎo)管架根開28 m，高49.8 m，單筒直徑13.5 m，筒高13.3 m。該類型吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的適用與近海深、淺水海域，且地質(zhì)條件宜為砂性土或軟粘土。

采用臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)間歷程荷載吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)-風(fēng)機(jī)耦合分析方法設(shè)計(jì)，具體分析如下。

圖6　廣東某海上風(fēng)電項(xiàng)目的吸力筒基礎(chǔ)

4.1　目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)歷史評(píng)估及風(fēng)與波浪過程模擬

本文研究了1949—2019年年間，登陸吸力筒位置海域200 km范圍沿岸的熱帶氣旋共有155個(gè)，發(fā)生于5—11月期間，其中超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)3個(gè)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)14個(gè)，臺(tái)風(fēng)40個(gè)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴40個(gè)，熱帶風(fēng)暴34個(gè)，熱帶低壓27個(gè)，平均一年約2.2次。以50年一遇臺(tái)風(fēng)模型為例，通過評(píng)估對(duì)吸力筒海域影響最大的3次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程，構(gòu)建了吸力筒海域發(fā)生的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)6903號(hào)臺(tái)風(fēng)過程對(duì)應(yīng)極端風(fēng)速下產(chǎn)生的風(fēng)與波浪過程及荷載要素。

圖7　50年一遇臺(tái)風(fēng)浪時(shí)序荷載要素圖

根據(jù)臺(tái)風(fēng)時(shí)序荷載模擬模型建立臺(tái)風(fēng)-浪流時(shí)間歷程關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)荷載分析要求同步生成風(fēng)荷載種子時(shí)程荷載，并考慮同步施加對(duì)應(yīng)時(shí)間歷程的波浪荷載，進(jìn)行加載計(jì)算。包括：

（1）50年一遇的等效臺(tái)風(fēng)工況荷載，用于ULS工況計(jì)算；

（2） 10年一遇、5年一遇的等效臺(tái)風(fēng)工況荷載，用于SLS工況計(jì)算；

（3）對(duì)應(yīng)多年平均風(fēng)速的正常發(fā)電工況荷載，用于SLS工況、FLS工況計(jì)算。

4.2　海風(fēng)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)-吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)耦合分析

基于廣東海域目標(biāo)機(jī)位的海域特性，選取典型土體如淤泥質(zhì)粘土、砂土等、成層特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)勘察及實(shí)驗(yàn)策劃（區(qū)域物探+原位CPTu+鉆孔+土工實(shí)驗(yàn)），開展土性能試驗(yàn)研究，獲取土物理力學(xué)參數(shù)，特別是考慮長(zhǎng)期循序作用效應(yīng)、極端工況如臺(tái)風(fēng)等?，F(xiàn)場(chǎng)采用先進(jìn)的原位CPTu試驗(yàn)，結(jié)合船基T-bar貫入測(cè)試。土樣采集專用工具，減少擾動(dòng)。開展專項(xiàng)室內(nèi)土力學(xué)試驗(yàn)，包括：三軸壓縮試驗(yàn)、動(dòng)三軸剪切試驗(yàn)、T-bar循環(huán)貫入試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)及其他土體基本物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)。研究場(chǎng)址淺層海床土（泥面以下0～30 m深度）的土體基本性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)。針對(duì)廣東海域特點(diǎn)，研究三種典型場(chǎng)地土類型：均質(zhì)軟黏土（強(qiáng)度低、含水率較高）、正常固結(jié)黏土、上軟下硬雙層黏土，開展針對(duì)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的土體參數(shù)研究。根據(jù)巖土工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)，構(gòu)建循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系云圖的本構(gòu)模型。通過風(fēng)電機(jī)組-塔筒-吸力筒基礎(chǔ)耦合分析模型開展一體化設(shè)計(jì)及巖土工程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用國(guó)家現(xiàn)行的行標(biāo)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。

本文巖土工程設(shè)計(jì)采用了基于循環(huán)土試驗(yàn)參數(shù)的吸力筒基礎(chǔ)計(jì)算方法。本方法基于巖土勘察試驗(yàn)，通過孔壓靜力觸探試驗(yàn)（CPTu）和室內(nèi)土工試驗(yàn)得到各關(guān)鍵地層的相應(yīng)土參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建巖土的本構(gòu)關(guān)系，再通過巖土本構(gòu)關(guān)系開展筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方法源自挪威巖土所（Norwegian Geotechnical Institute）開發(fā)的基于循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)本構(gòu)模型的循環(huán)累積方法的巖土工程設(shè)計(jì)方法[1]。該方法將土體的循環(huán)應(yīng)力歷史簡(jiǎn)化為個(gè)恒定振幅的循環(huán)荷載包，并按照振幅大小從小到大進(jìn)行排列，每個(gè)荷載包具有相同循環(huán)剪切應(yīng)力（）和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)（eq），用于模擬土體單元在特定荷載事件期間將經(jīng)歷的應(yīng)力歷史。例如：?jiǎn)我伙L(fēng)暴潮事件；正常運(yùn)行工況，跟隨風(fēng)暴潮或緊急停機(jī)；幾場(chǎng)接連發(fā)生的風(fēng)暴潮；任何其他風(fēng)和波浪載荷條件或特殊操作條件導(dǎo)致可能影響土體特性的主要循環(huán)載荷。該方法已在歐洲海上風(fēng)電項(xiàng)目吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上得到應(yīng)用。

（1）承載能力極限工況（ULS）計(jì)算

將臺(tái)風(fēng)歷程按照風(fēng)速分為若干個(gè)階段，每個(gè)階段以10 min平均風(fēng)速，有效波高（s）和波浪周期（）作為輸入?yún)?shù)，插入對(duì)應(yīng)最大波高（max）作為約束波，在最大下壓荷載和最大上拔荷載情況分別進(jìn)行時(shí)域分析，可以得到每個(gè)階段的時(shí)程荷載包。得到各階段的荷載包后，可以統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)周期內(nèi)各個(gè)荷載區(qū)間的次數(shù)。根據(jù)粘土的累積應(yīng)變或沙土的累積孔隙水壓力計(jì)算整個(gè)臺(tái)風(fēng)時(shí)程的最大荷載等效循環(huán)次數(shù)（eq）。根據(jù)eq和循環(huán)應(yīng)變和平均應(yīng)變的比值，從循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系云圖中提取土壤的循環(huán)不排水抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得到等效狀態(tài)下的總應(yīng)力-總應(yīng)變曲線，作為ULS承載能力分析的輸入。采用有限元分析進(jìn)行ULS承載力計(jì)算。

（2）正常使用極限工況（SLS）計(jì)算

SLS部分的分析與ULS承載力分析類似，通過等效循環(huán)次數(shù)eq以及循環(huán)應(yīng)變和平均應(yīng)變的比值，可以從等勢(shì)線圖中得到土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。開展長(zhǎng)期運(yùn)行循環(huán)荷載導(dǎo)致的塑形變形計(jì)算。

（3）疲勞極限工況（FLS）計(jì)算

在疲勞計(jì)算時(shí)，可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過考慮風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)間的比例計(jì)算累積疲勞損傷。對(duì)于不同的風(fēng)速水平的基礎(chǔ)剛度，都應(yīng)通過該風(fēng)速下先的基礎(chǔ)荷載進(jìn)行計(jì)算?；A(chǔ)荷載和基礎(chǔ)剛度之間存在一個(gè)迭代的過程?；A(chǔ)荷載的本質(zhì)是循環(huán)荷載，包括平均荷載和循環(huán)荷載，是一個(gè)正弦形式的周期荷載。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)的過程中，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)剛度是循環(huán)剛度，即循環(huán)荷載-位移循環(huán)所隱含的峰值剛度來模擬（見圖8～圖11）。

圖8　目標(biāo)機(jī)位粘土循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系云圖

圖950年一遇臺(tái)風(fēng)工況的臺(tái)風(fēng)、波浪荷載時(shí)程示意圖

Fig.9 Schematic diagram of typhoon and wave load time history under 50 year exceedance probability typhoon condition

圖10　基于臺(tái)風(fēng)-波浪時(shí)序荷載模型風(fēng)電機(jī)組-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化耦合分析

圖11　基礎(chǔ)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)受力分析、吸力筒筒體結(jié)構(gòu)受力分析示意圖

5 結(jié)論

本文通過研究風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)-塔筒-導(dǎo)管架-基礎(chǔ)筒體作用機(jī)理，建立了一套吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)分析技術(shù)。具體如下：

（1）建立了一套廣東區(qū)域的臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)序荷載模型；

（2）開發(fā)了基于臺(tái)風(fēng)-浪時(shí)間歷程荷載的海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)-塔筒-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)方法及耦合分析模型。

該方法可用于評(píng)價(jià)長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下基礎(chǔ)的累積變形及承載力特性等吸力筒關(guān)鍵指標(biāo)。該技術(shù)可用于分析極端環(huán)境荷載（臺(tái)風(fēng)工況）下、正常運(yùn)行荷載下吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。可為國(guó)內(nèi)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

針對(duì)吸力筒基礎(chǔ)技術(shù)的后續(xù)研究建議如下：

（1）開展吸力筒基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)不同海域場(chǎng)址條件下的適應(yīng)性研究。通過建立海上風(fēng)電巖土工程精準(zhǔn)勘察技術(shù)體系、不同海域典型土體的巖土本構(gòu)模型、國(guó)內(nèi)不同海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)浪耦合模型，開展總體設(shè)計(jì)及適用性研究。編制針對(duì)吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）對(duì)吸力筒基礎(chǔ)沉貫過程和運(yùn)維時(shí)期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括構(gòu)件應(yīng)力、土體狀態(tài)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、變形、外部環(huán)境荷載等。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)吸力筒的設(shè)計(jì)進(jìn)行后評(píng)估，通過健康監(jiān)測(cè)及評(píng)估為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)維提供支持。

［1］ Sturm，Hendrik. Design Aspects of Suction Caissons for Offshore Wind Turbine Foundations［C］. Proceedings of TC 209 Workshop-19th ICSMGE，Seoul 20 September 2017 Foundation design of offshore wind structures, 2017:45-63.

［2］ Offshore soil mechanics and geotechnical engineering: DNVGL-RP-C212［R］. 2017.

［3］ Minimum requirements concerning the constructive design of offshore structures within the Exclusive Economic Zone（EEZ）：BSH no．7005［R］. Germany，2015.

［4］ 海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：NB/T 10105—2018［S］. 2019.

Tubular Jacket Suction Bucket with Wind Generator Coupling Analysis based on Typhoon and Wave Time History Loads

LI Pengfei，WANG Zhiming，MU Tong，SHENG Jiehong，YI Jianjun，YAN Huagang

（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518072，China）

Tubular jacket suction bucket is a new type of offshore wind turbine foundation as an economic and efficient foundation.There are still no special specifications and standards at China and abroad to guide the foundation design of suction foundation.At present，the application and promotion of suction tube foundation are not being carried out in China.By studying the action mechanism of wind turbine-wind turbine tower-jacket foundation，this paper establish a set of typhoon-wave time history loads model，develop the integrated design method and coupling analysis model of wind turbine-tower- foundation based on the typhoon-wave time history loads，as the key technologies for evaluating the cumulative deformation and bearing capacity of foundation under long-term dynamic load. The paper can provide reference for the design of suction bucket foundation in China.

Tubular jacket suction bucket foundation；Typhoon；Wave；Coupling analysis

TK83

A

0258-0918（2022）02-0246-09

2021-11-25

黎鵬飛（1979—），男，湖南邵陽(yáng)人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)從事海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究