近海浅滩地区大尺度海上风电筒型基础在风荷载作用下的响应

丁红岩 ，郭卫波，张浦阳 ，乐丛欢

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；3. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津 300072)

我国海上风电开发已进入实质性阶段，海洋风机 的基础设计直接影响了其离岸距离和装机规模．风机基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载和地震荷载等水平循环荷载[1]．而我国相关规范中对水平循环荷载作用下风机基础的模型及计算方法论述较少[2]．在离海岸30,km 内近海浅滩处，由于地基持力层较浅，故这一区域以筒型基础居多，筒型基础无论经济效益、施工工艺还是在使用过程中其抵抗荷载方面，均有其自身的优势和特点[3-5]．

2010 年10 月1 日，世界第1 台可整体安装的3,MW 筒型基础风机结构在江苏启东市海域施工完成(见图1)，这标志着海上风电场的整体安装施工技术进入了可实施阶段．这种施工技术的核心在于可自浮拖航岸上预制的大尺度筒顶承载式筒型基础(见图2)．

图1 可整体安装的风机结构Fig.1 Wind turbines structure with overall installation

图2 预制完成的大尺度筒顶承载式筒型基础Fig.2 Precasted large-scale bucket foundation of bearing in the top

该基础型式打破了传统筒型基础筒壁摩阻力受力为主的模式，以筒顶承载式为主的受力模式大幅度提高了筒型基础的承载能力和可靠度，拓宽了其应用领域．

笔者将通过有限元软件ABAQUS 来研究大尺度风机结构在风荷载作用下筒和周围土体的反应：对荷载的处理，是将现场实测的风速时程转化为风荷载时程施加在风机模型上；对于土体非线性问题，通过考虑土体的密度、强度、弹性模量、黏聚力和摩擦角等来研究；通过分析比较不同时段内筒和土体随时间的反应，来研究土体在动力过程中的时程效应；通过改变土体的强度，来研究基础在不同土质中的变化．

1 有限元模型的建立

1.1 基本参数

表1 为模型各部分材料的基本参数．其中土体以砂质黏土为例，其黏聚力c＝15,kPa，内摩擦角φ＝15°，膨胀角Ψ＝0°，考虑到土体中受影响的范围[6]，边界径向尺寸取 200,m(约 7 倍筒径)，深度取35,m(约7 倍筒高)，模型中土体采用Mohr-Coulomb模型[6]．

表1 模型各部分的主要参数Tab.1 Main parameters of model

筒型基础高h＝5.9,m，直径D＝30,m，基础承台高18,m．筒形塔架分为2 部分：下半部分为圆柱体，高19.5,m，外径4.34,m，壁厚50,mm；上半部分为圆锥体，高58,m，底端外径4.34,m，顶端外径2.68,m，壁厚38,mm．由于只考虑水平荷载作用下筒型基础的反应，故为简化计算并节约计算成本，将机舱及风叶用质量块代替，其总质量为127,t，考虑偏心，其重心离中心轴距离为3.1,m．

图3所示为模型尺寸(包括荷载的施加方式)和有限元模型，尺寸简图中略去了筒内分舱板及主次梁等的尺寸．

图3 模型尺寸和有限元模型Fig.3 Size of model and finite element model

1.2 计算条件

塔筒部分由于其高厚比较大，故采用壳(Shell)单元；筒内的钢筋其单元族定义为Truss 单元，在材料性能中将其列为Beam 类型中的Truss 类型；筒型基础筒体(包括筒顶和筒壁)、主次梁、以及土体、机舱的单元块等都采用三维六面体单元(Hex)，按线弹性材料考虑[7]．除土体顶面为自由外，其他面均采用法向固定约束．主要考虑筒体(包括筒顶和筒壁)与土体之间的接触，筒体和土体的接触面模型采用主动-被动面(master-slave surface)模拟，选择刚度大的筒体表面作为主动面(master surface)，刚度小的土体选为被动面(slave surface)．由于土体与筒体之间的相互作用考虑的是库仑摩擦力，摩擦力的大小取决于接触面对之间的正应力的大小，因此必须考虑自重产生的初始应力场的作用．

2 荷载的施加及模型变化参数的选定

2.1 风机受到的实际荷载的施加

本文中对风机施加的荷载来自于样机上传感器的实测值，考虑到风电基础的风荷载主要来自风轮机荷载，塔架风荷载拖曳力部分较小，主要应考虑涡激振动，而风轮机的风荷载动力部分与风的时程是完全不同的，它与风轮机的转速等因素有关．故本文中所施加的荷载包括了以上这些因素，是在机头上实测的综合荷载(包括风、风机自身等荷载的综合效应，即实际所受的荷载)．

首先将实测的x、y 向加速度值转换为x、y 两向的动荷载，加载时是将实测的加速度以边界条件的形式直接施加在模型等位置处，施加方法：在荷载模块边界条件选项内幅值曲线分别输入x、y 方向加速度曲线，以此来计算基础的受力行为．实测x、y 向加速度值如图4 和图5 所示，实测点的加速度计位于机舱底部塔架顶端处．

图4 x 向加速度时程曲线Fig.4 Time-history curve of acceleration of x direction

图5 y 向加速度时程曲线Fig.5 Time-history curve of acceleration of y direction

2.2 风荷载的选定

为确定风荷载作用对风机实际荷载的贡献，主要考虑了风轮机荷载的作用，即将风轮机荷载单独作用在模型中的计算结果与全部荷载作用下的结构沉降和应力进行比较，得出风荷载对实际荷载的贡献．

风力发电机工作时，结构部分所受到的荷载十分复杂．在静力分析过程中，主要的荷载包括叶轮受到暴风作用时的气动推力、机舱重量带来的压力[8]，塔架部分的风荷载主要考虑涡激振动[9]．

叶轮受到的风荷载为

式中：mq 为速度压；biC 为平均风力系数；c 为平均弦长；rΔ 为风方向的叶轮长度；α为沿风方向和水平方向的夹角；ρ为空气的质量密度；hU 为h 高度处的风速；K1（z）为任意高度处的风振系数得到；nH 为机舱的高度；CD为阵风影响系数．

机舱所受风荷载为

式中：Cnd为机舱及轮毂的平均抗力系数；φ=−9 0°；An为风荷载作用下的有效受力面积；Ln为机舱的长度；Rn为轮毂的长度．

图6为模型中施加风荷载的时程曲线，加载时间为143,s，荷载形式为集中荷载．其中平均风速为10.5,m/s，最大风速为13.6,m/s．

2.3 模型中变化参数的选定

水平动力荷载作用于风机，这里主要关注筒的沉降和周围土体的变化，故模型中变化的参数选定为：土体密度、弹性模量和强度(内摩擦角和黏聚力)．

图6 风机轮毂处风荷载时程曲线Fig.6 Time-history curve of wind load at the wheel of wind turbine

表2 参数变化的取值Tab.2 Values of parameters

3 结果分析

3.1 筒和土体中的应力状态随时间的变化分析

施加荷载后，分析不同时间段内筒和土体中的应力状态．分别加载至1,s、6,s 和143,s 时筒和土体中应力的变化如图7～图9 所示．

图7 加载至1,s时筒和土体中的应力Fig.7 Stress of bucket and soil when loading to 1,s

图8 加载至6,s时筒和土体中的应力Fig.8 Stress of bucket and soil when loading to 6,s

图9 加载至143,s时筒和土体中的应力Fig.9 Stress of bucket and soil when loading to 143,s

结果显示：在筒体中底板处的应力最大，但其随时程的变化不大．土体中的应力在加载初期较小，随着荷载的持续施加，其应力值逐渐增大，但加载6,s后土体和筒中的应力和沉降逐渐稳定趋于不变．这一方面是因为随时间增长荷载幅值稍变大，另一方面是由于风荷载的循环往复作用，使得土体中的孔隙水更加难以排出，附加孔压力逐渐增大，故而土体中的应力也逐渐增大[10]．

3.2 加载过程中筒和土体的反应

结果显示，加载初期，由于荷载在前期较小以及循环累积效应不明显，基础及土体都没有明显的反应；随着加载时间的持续，筒周围的土层逐渐下降并形成一个马鞍形的凹坑(见图10)．凹坑在加载方向上的尺寸要大于垂直于加载方向上的尺寸．由于加载时间比较短，其实筒和土体一直在逐渐沉降，只是沉降已非常缓慢，长时间之后将趋于稳定，这将在以后的研究中深入探讨．

在加载方向上，筒周围大约有相当于筒径的土层范围发生沉降，而在垂直于加载的方向上，大概有筒径的80%的范围发生沉降．筒的沉降大于土的沉降，所以沉降结束时筒表面低于土层表面．沉降结束后土体的塑形区域如图11 所示．等效塑性区显示土体在基础下较深的位置大约距筒底2 倍筒高处开始产生塑性，但由于其塑性较小且其位置较深，对基础的稳定不造成影响．

图10 加载结束后筒和土层的沉降及其影响区域Fig.10 Settlement of bucket and soil and influence area after loading

图11 有限元型中加载结束后土体中的等效塑性区Fig.11 Equivalent plastic zone of soil after loading

根据模型中土体的沉降和塑形区域，得出土层中各影响区域的示意如图12 所示．土体中较典型的3个区域中的3 个代表点：代表点1 为筒顶下部与筒顶接触的土体，代表点2 为基础底端下方与底端接触的土体(靠近筒内侧)，代表点3 为筒下方中心位置距筒底垂直距离为1 倍筒高处的土体(如图13 所示)，其应力和位移时程曲线如图14 和图15 所示．由于时程曲线6,s 以后基本不变，故取前6,s 分析即可．

图12 土层中各影响区域示意Fig.12 Sketch of influence areas in soil

图13 模型中选取的典型区域的代表点Fig.13 Representative points of typical regions of model

图14 加载结束后各点的应力时程曲线Fig.14 Stress-time curves of points after loading

图15 加载结束后各点的位移时程曲线Fig.15 Displacement-time curves of points after loading

3.3 不同土质情况下筒和土体的反应

图16所示是在不同土质(淤泥土、粉质黏土和硬黏土)情况下，筒和土体的反应及其影响区域和极值情况．结果显示：筒和土体的竖向位移(短期内的沉降)随着土质的变硬即土层强度的增加而降低[11]，而土层强度的增加意味着荷载幅值与土层强度的比值降低了，因此，受影响区域减小了[12]．

3.4 风荷载施加后与实际荷载结果的比较

将风荷载(主要考虑风轮机荷载)集中施加在模型中机头位置，其土体中的应力情况及沉降、影响区域等情况如图17 和图18 所示．

图16 不同土质的影响结果、影响区域和极值Fig.16 Influences of different soils and their areas，extreme values

图17 风荷载加载结束后筒和土层的沉降及其影响区域Fig.17 Settlement of bucket and soil and influence area after wind loading

图18 风荷载加载结束后筒和土体中的应力Fig.18 Stresses of bucket and soil after wind loading

结果显示，风荷载引起的土体和基础的沉降及土体中的应力与实际荷载相比其影响相差不大，其对荷载的贡献占80%左右，说明风电基础的风荷载主要来自于风轮机荷载，塔架涡激振动等其他因素所占比例只有20%左右．因风机所取风速不是很大，平均风速为10.5,m/s，风机叶子转得不是很快，其结果符合实际情况，验证了选定荷载时做出的判断是正确的．

4 结 论

(1) 风电基础的风荷载主要来自于风轮机荷载，塔架涡激振动对荷载贡献所占比例较小，故近海浅滩处风机基础所受荷载主要为风荷载．

(2) 土体中的应力时程分析表明，在筒体中底板处的应力最大，但其随时程的变化不大；土体中的应力在加载初期很小，随着荷载的持续施加，其应力值逐渐增大．

(3) 加载初期，由于荷载在前期较小以及循环累积效应不明显，基础及土体都没有明显的反应；随着加载时间的持续，筒周围的土层逐渐下降并形成一个马鞍形凹坑．在加载方向上，筒周围大约相当于筒径的土层发生沉降，而在垂直于加载的方向上，有筒径的80%范围的土层发生沉降．筒的沉降大于土的沉降，所以沉降结束时筒表面低于土层表面．受影响区域随着土质强度的增加而减小．等效塑性区显示土体在基础下较深的位置大约距筒底2 倍筒高处开始产生塑性，但由于其塑性较小且其位置较深，对基础的稳定不造成影响．

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