摘 要：基于真實設(shè)計參數(shù)和環(huán)境荷載，通過PLAXIS Monopile Designer和SACS軟件實現(xiàn)某風(fēng)場機位的縮徑單樁優(yōu)化設(shè)計，并進行結(jié)構(gòu)極限強度、結(jié)構(gòu)變形、自振頻率和疲勞分析計算。相比于相同上部尺寸的常規(guī)單樁基礎(chǔ)，縮徑單樁具有較大的泥面轉(zhuǎn)角和水平位移，較低的豎向位移和自振頻率，計算結(jié)果驗證了縮徑單樁基礎(chǔ)方案的可行性，并可實現(xiàn)節(jié)省10.9%的用鋼量。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場；海上風(fēng)力發(fā)電機；海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)；縮徑單樁基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TU432 文獻標志碼：A

0 引 言

相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)能資源具有不占耕地、裝機容量大、發(fā)電利用小時數(shù)高和沿海就地并網(wǎng)消納等優(yōu)勢［1］。中國海上風(fēng)電起步雖晚［2］，但年新增裝機增速快，據(jù)統(tǒng)計，2021 年新增裝機容量為16.9 GW，約占世界新增裝機容量的80%［3］。2021年的“搶裝潮”使中國海上風(fēng)電累計裝機超越英、德，成為世界第一。

同時，中國海上風(fēng)能資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，5～50 m 水深范圍內(nèi)的潛在裝機容量約為5 億kW［4］，可開發(fā)和利用的海上風(fēng)能資源貯量超過7.5 億kW。初步預(yù)測，到2050 年中國沿海區(qū)域累積開發(fā)利用的海上風(fēng)電裝機容量將達到1.5 億kW［5］，約為三峽水電站總裝機容量的7 倍。目前，海上風(fēng)力發(fā)電機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要有固定式和漂浮式，其中固定式基礎(chǔ)主要有重力式、單樁、多樁、三角架、吸力筒導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。不同基礎(chǔ)形式適用于不同地質(zhì)條件和水深條件的海域［6-9］，新型的固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式層出不窮［10-12］。隨著世界范圍內(nèi)灘涂和近海的海上風(fēng)場規(guī)劃逐漸完備，海上風(fēng)電建設(shè)勢必向中遠海和深海布局發(fā)展，水深在30～60 m 海域的風(fēng)能資源將在近年迎來大規(guī)模的開發(fā)利用。廣東與海南海域憑借優(yōu)越的自然條件，將成為未來中國海上風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)利用的首選區(qū)域，在建及并網(wǎng)發(fā)電的海上風(fēng)場大量涌現(xiàn)。然而，這些海域多為軟弱地基，軟土覆蓋層較厚，若采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式將使造價大幅提升。因此，應(yīng)通過優(yōu)化、革新基礎(chǔ)設(shè)計及運輸安裝方式，在降本增效的同時實現(xiàn)該海域風(fēng)能資源的快速開發(fā)利用。

海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本約占開發(fā)總成本的30%，支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對于海上風(fēng)電降本增效具有重要意義。本文通過PLAXIS Monopile Designer 和SACS 軟件實現(xiàn)某風(fēng)場機位的縮徑單樁優(yōu)化設(shè)計，并進行結(jié)構(gòu)極限強度、結(jié)構(gòu)變形、自振頻率和疲勞分析計算，以期為工程設(shè)計提供理論支撐。

1 數(shù)值模型和邊界條件

目前單樁基礎(chǔ)約占現(xiàn)有全球海上風(fēng)電總量的80%。其端部荷載較小，常規(guī)單樁導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度設(shè)計冗余，而縮徑樁可提高端部樁體的材料強度有效利用率，如圖1 所示。

1.1 模型參數(shù)

本文設(shè)計風(fēng)場基礎(chǔ)樁頂標高+13.0 m，樁底標高-115.1 m，不考慮沖刷的海床表面標高為-31.1 m?；A(chǔ)樁長為128.1 m，常規(guī)單樁的法蘭直徑為8 m，土中樁徑為9.8 m，入土深度84 m，不同高度處的壁厚不同，如圖4a 所示。原型樁為2867.3 t，縮徑樁為2556.1 t，縮徑樁的樁體減重10.85%?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，鋼密度為7850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比取0.3，兩種樁體尺寸與壁厚和基礎(chǔ)模型如圖2 所示。

1.2 土體參數(shù)

土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，SACS 軟件的土體輸入?yún)?shù)如表1 所示。在PLAXIS Monopile Designer 軟件中輸入對應(yīng)的土體參數(shù)，得到該設(shè)計鉆孔的p-y 曲線，并以psiinp.*文件格式的導(dǎo)入SACS。

1.3 邊界條件

參考NB∕T 10105—2018《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［13］，本文設(shè)計的波浪參數(shù)取50 年一遇H1% 的波高8.13 m，周期為9 s，設(shè)計水位如表2 所示，采用國家85 高程系統(tǒng)，50 年一遇的設(shè)計流速見表3。海生物附著厚度取100 mm，海生物附著物密度取1400 kg/m3。

本機位的風(fēng)電機組荷載分為極限荷載和正常荷載，如表4。機頭重504 t，機頭偏心坐標（x，y，z）為（-2.44 m，0 m，2.79 m），轉(zhuǎn)動慣量（Ixx，Iyy，Izz）為（3.08×108 kg·m2，1.73×108 kg·m2，1.76×108 kg·m2）。本文的結(jié)構(gòu)極限強度分析采用極端工況極限荷載進行驗算，結(jié)構(gòu)變形分析采用正常運行工況極限荷載進行校核。塔筒尺寸（直徑與壁厚）如圖3 所示。

2 結(jié)構(gòu)極限強度分析

結(jié)構(gòu)極限強度計算時，荷載組合采用極端工況極限荷載，荷載分項和組合系數(shù)見表5。計算結(jié)果的UC 值（即實際應(yīng)力與許用應(yīng)力之比）隨樁入土深度的變化如圖4 所示。

從圖4 可知，縮徑樁的設(shè)計提升了縮徑段結(jié)構(gòu)的UC 值，更加充分利用了該部分地材料強度，且滿足結(jié)構(gòu)極限強度要求。同圖1 相比可得，在軟弱地基中樁體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，不同深度的UC 值小于0.5，可知結(jié)構(gòu)極限強度分析不是該機位設(shè)計過程的控制工況。

3 結(jié)構(gòu)變形分析

結(jié)構(gòu)變形計算時，荷載組合采用正常運行工況極限荷載，荷載分項和組合系數(shù)見表6。校核對比結(jié)果如表7 所示。縮徑樁和常規(guī)單樁的計算結(jié)果如圖5 所示。從表7 和圖5 可看出，軟弱地基中縮徑樁在泥面處的轉(zhuǎn)角為3.39‰，大于常規(guī)單樁的3.23‰，增加了5%；泥面處的水平位移為98.5 mm，大于常規(guī)單樁的91.97 mm，增加了7.1%?？s徑樁樁身的豎向位移為14.78 mm，小于常規(guī)單樁的15.71 mm，說明縮徑樁的豎向承載力大于常規(guī)單樁，泥面處的豎向位移降低6%。

4 自振頻率

整機支撐結(jié)構(gòu)頻率見表8，可知縮徑樁的一階自振頻率為0.184 Hz，略小于常規(guī)單樁的0.186 Hz，減小約1.1%。圖6所示為縮徑支撐結(jié)構(gòu)振型。

5 疲勞分析

5.1 結(jié)構(gòu)疲勞

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞強度的計算需輸入疲勞載荷和結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后根據(jù)S-N 曲線和累積損傷理論計算疲勞損傷和壽命，其中損傷的倒數(shù)為壽命值。S-N 曲線對應(yīng)的解析式如式（1）所示，本次計算對于浸沒海水中的單樁基礎(chǔ)環(huán)焊縫，采用有陰極保護的海水D 曲線。

式中：t——最可能發(fā)生裂紋的貫穿厚度，mm（厚度小于時t取t =tref）；tref—— 參照厚度，mm（非管節(jié)點焊接連接取25mm，管節(jié)點取32 mm）；k——疲勞強度厚度指數(shù)，無量綱（單面焊的管狀對接焊縫取0.1）。

疲勞荷載如表9 所示，計算結(jié)果見表10，可見在軟弱地基中樁體的結(jié)構(gòu)疲勞損傷較小，最大值為3.1×10-5，遠小于1，疲勞分析的控制工況為波浪疲勞。

5.2 波浪疲勞

計算過程中，波浪譜為P-M 譜，波浪理論采用Airy 線性波理論，波浪選擇應(yīng)保證在結(jié)構(gòu)的一階自振周期附近，以此提高傳遞函數(shù)的準確性，波浪的有效波高和譜峰周期聯(lián)合分布如表11 所示。為此本次計算共選取36 個波浪用來產(chǎn)生傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)如圖7 所示。

非縮徑段的SCF 值按式（2）計算，縮徑段的SCF 值按式（3）計算，各參數(shù)的物理意義如圖8 所示。

式中：Q——應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）；Dj——單樁非縮徑段長度，其中j=S 或L，mm；t——單樁壁厚，其中j=S 或L，mm；tc——縮徑段壁厚，mm；α——縮徑段與豎向方向的夾角，（ °）。

本次計算根據(jù)縮徑段截面處的直徑與壁厚，可得到高程為-76.1 和-106.1 m 的SCF 值分別為1.41 和1.42。在波浪載荷作用下，泥面下高程為-76.1 m 的縮徑截面處的損傷為0.8；而高程-106.1 m 縮徑截面處的損傷為0.017。

基于以上疲勞計算過程，將風(fēng)載荷和波浪載荷產(chǎn)生的疲勞損傷值累加，以此作為兩種載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷值，即總損傷值為0.8。由此可知，在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，泥面下縮徑截面處的損傷值最大為0.8，小于1，滿足標準要求的25 a 設(shè)計壽命。

6 結(jié) 論

對于海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)來說，在水深20～50 m 范圍內(nèi)，單樁基礎(chǔ)極具優(yōu)勢，而縮徑樁基礎(chǔ)可降低10% 以上的結(jié)構(gòu)材料用量，可進一步推動支撐結(jié)構(gòu)的降本增效。本文基于實際工程機位的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化了單樁設(shè)計，提出縮徑樁基礎(chǔ)形式，主要結(jié)論如下：

1）縮徑樁的設(shè)計提升了縮徑段結(jié)構(gòu)的UC 值和材料強度利用率，滿足現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)極限強度標準；同時，相比于砂質(zhì)地基，軟弱地基中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的UC 值較小。

2）軟弱地基中，縮徑樁在泥面處的轉(zhuǎn)角比常規(guī)單樁提升5%，在泥面處的水平位移提升7.1%，在泥面處的豎向位移降低6%；自振頻率減小約1.1%，且符合設(shè)計規(guī)范要求。

3）軟弱地基中，樁基的結(jié)構(gòu)疲勞損傷較??；在波浪載荷作用下，上側(cè)縮徑截面處的波浪疲勞損傷為0.8，下側(cè)縮徑截面處為0.017?？梢?，縮徑段兩端銜接處的累加疲勞損傷值均小于1，滿足風(fēng)電機組25 a 設(shè)計壽命要求。

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