海上风电机组多桩导管架基础设计方法探讨

周 凯 张晓明 曾启东

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

海上风电机组多桩导管架基础设计方法探讨

周 凯 张晓明 曾启东

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

对多桩导管架基础的设计问题进行了探讨，并对基础结构的构件强度、管节点、灌浆连接、动力分析以及桩基础等问题进行了阐述和分析，提出了多桩导管架基础结构设计时需要注意的事项。

海上风电，基础结构，动力分析，多桩导管架基础

0 引言

多桩导管架基础最早出现于欧洲，在英国的Beatrice、德国的Alpha Ventus等风电场均采用了该基础，它将多根钢管桩打入海床，通过灌浆连接将上部的导管架与钢管桩牢固连接，不仅结构刚度大，稳定性好，对海床要求低，而且施工便利，特别适合于单机容量大、水深较深的项目。目前，国内的如东潮间带、珠海桂山等[1]海上风电场都采用了该基础型式。从设计的角度来讲，多桩导管架基础为全钢结构，大部分构件为钢管组成，而且长期处在复杂的海洋环境中，受到风、波浪、海流和地震等荷载作用，除了要进行常规的结构静力分析外，还需考虑海洋工程中所必须面对的动力分析问题。目前国内还没有专门针对于多桩导管架基础的设计标准，国内现有已建成的多桩导管架基础主要是参照挪威的DNV海上风电规范[2]、美国的API石油平台规范[3,4]和国内的港口工程规范等资料来设计。本文通过对国内外相关规范和文献的分析，对在运用这些方法设计多桩导管架基础时所遇到的问题进行了探讨，为推进多桩导管架基础结构设计方法的研究和类似工程结构设计提供参考。

1 静力分析

1.1 圆管构件强度

多桩导管架基础的构件均由钢管组成，按受力性质可分为轴向受力构件、受弯构件、偏心受力构件，除此之外还受到外水压力和扭转等作用，结构设计时应按不同类型的构件分别进行计算，验算各构件的强度、刚度和稳定性。

一种最直接的方法就是采用具有模拟管、梁、壳单元的有限元软件，通过建立多桩导管架基础的有限元模型，计算各构件的设计应力，使构件的设计应力小于钢材的容许应力。目前国内较常用的有限元软件主要有ANSYS和ABAQUS等，但使用这类软件进行海上风机基础结构设计时，无论是在建模、计算以及结果的后处理方面都比较繁琐，而且一般结构设计时的计算工况较多，设计效率不高。

由美国Engineering Dynamics公司开发的一款专门用于海洋石油平台结构设计的软件SACS也可以用来设计多桩导管架基础。SACS是按照API的《Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-WSD或LRFD》[3,4]来进行设计的，其基本的静力计算理论也是以材料力学和结构力学为基础。其中LRFD方法与国内钢结构设计常用的以概率理论为基础的极限状态设计方法相比，主要是抗力系数不一致。我国《钢结构设计规范》[5]中是以钢材的屈服强度除以抗力分项系数作为钢材的设计强度，抗力分项系数一般取1.087～1.111。而LRFD方法中是以抗力系数乘以屈服强度作为钢材的设计强度，抗力系数一般取0.80～0.95，较《钢结构设计规范》略保守。此外，SACS的建模、计算以及结果的后处理功能都很方便，对于提高设计效率有很大帮助。

1.2 管节点强度

导管架各圆管构件的汇交处应力状态极为复杂，由于撑杆和弦杆在荷载作用下变形差引起的协调应力(几何应力)，还有由于焊缝趾部形状及缺陷等因素引起的局部应力，通常存在很高的应力集中现象。大量的海洋工程经验表明，管节点是导管架最关键也是最薄弱的部位，API规定管节点除应满足强度要求外，还应满足韧性要求，它认为节点不能先于杆件破坏，节点的设计应留有一定的强度储备。API规范中校核管节点强度的公式主要是以试验数据为依据的半经验半理论公式，分为冲剪应力法和节点承载力法，除此之外还可按薄壳理论用有限元数值计算。

除了由于管节点处复杂的相贯线造成的几何应力外，管节点处的焊接也是需要重点关注的问题，《钢结构设计规范》规定管节点处的连接焊缝可视为全周角焊缝，角焊缝的计算厚度沿撑管周长是变化的。但实际管节点处的连接焊缝分为对接焊缝和角焊缝，API给出了管节点相贯线上不同部位的坡口形式和焊缝尺寸，它认为管节点的焊接只要符合该做法即可满足强度要求。圆管构件连接处的焊缝强度计算，目前尚无其他求解办法，除非采用有限元模拟焊缝。

1.3 灌浆连接

灌浆连接是连接导管架与桩基的重要结构节点，该方法具有整体性能好、施工方便和造价低等优点，在我国海上石油平台的应用中积累了较丰富的经验，并且该方法已成功应用于国外的很多海上风电场。影响灌浆连接强度的主要因素有[6]：1)灌浆体的强度与弹性模量；2)灌浆环形空间的几何尺寸；3)是否采用剪力键；4)灌浆的长度与桩径比值；5)与水泥浆接触的管状表面的表面条件；6)水泥浆收缩或膨胀；7)载荷历史。

国外最早提出灌浆连接段计算方法的是API规范，它认为海洋石油平台腿柱的灌浆连接段以受轴力作用为主，因此给出了在轴向荷载作用下分有剪力键和无剪力键的许用轴向传递荷载。而DNV规范[2]在灌浆体的强度分析时则保守的将轴向力与弯矩考虑为互不影响的两种效应。它认为灌浆连接应满足两个单独的要求，第一个要求是在假定没有同时作用的弯矩和剪切力情况下，当轴向荷载和扭矩共同作用时应满足规定的承载能力要求；第二个要求是在假定没有同时作用的轴向力和扭矩情况下，当弯矩和剪切力共同作用时应满足规定的承载能力要求。

实际的海上风机基础灌浆连接段可能受到轴力、扭矩和弯矩三者的组合作用，若按照DNV的方法设计，对于轴向荷载和扭矩的作用可根据解析解计算，但对于弯矩和剪力作用，DNV只提出了灌浆体的应力要求，只能通过有限元或试验方法来分析。

2 动力分析

2.1 模态分析

海上高耸的风机结构体系在风和波浪等荷载作用下会产生显著的动力效应，而这些动力效应总是趋向于增加应力数值并损害结构的长期承载能力。因此应尽量避免风机结构体系的自振频率与风和波浪等载荷的频率相遇。模态分析的目的主要就是计算风机—塔架—基础—地基这个高度耦合系统的动力特性，同时也是进行其他动力分析的基础。

通常在设计中，风机厂家会提供一个允许的频率范围，为了防止整机共振，整机的自振频率应落在允许的频率范围内，因此，准确的计算整机的自振频率就显得尤为重要。根据目前的研究结果，影响海上风机基础自振频率最重要的因素是结构模型的模拟，完整的建模应该建立包含机舱、轮毂、叶片、塔筒、基础和地基的整体模型，但这会使得建模过程非常复杂，耗时耗力。实际设计中通常是将叶片、轮毂和机舱等效为一个集中质量加在塔筒顶部，将地基与基础的相互作用用具有一定刚度的等效弹簧模拟或按等效刚度固定在海床上，根据相关研究结论[7]，这样简化对模态分析的结果影响不大。除此之外，在海上风机基础结构20年的寿命期内，钢管腐蚀、海生物附着、基础冲刷等都会对基础的自振频率产生影响，要将这些工况全部计算是难以实现的，而且根据有关研究结论[8]，这些因素对模态分析的结果影响较小，在设计中可不予考虑。

2.2 地震分析

对抗震设计的研究已有近百年的历史，地震载荷虽然出现的频率低，且持续时间也很短，但强烈地震对海上风机基础的破坏却是很严重的。目前，各国规范对结构在地震荷载作用下的响应还是以振型分解反应谱法为主，首先根据模态分析得到结构的各阶振型，计算各阶振型所受到的地震力，然后按静力法求得结构的响应，经组合后求得总响应。由于地震的随机性和地震方向的不确定性，通常需考虑三个方向的地震力，其中2个互相垂直的水平方向取100%的地震力，与水平面垂直的方向取50%～65%的地震力。

按照反应谱法进行抗震设计，通常要输入地震设计反应谱，目前，很多规范都给出了设计反应谱曲线，其中，《建筑抗震设计规范》[9]给出了适用于我国三阶段设防目标的地震设计反应谱，可根据不同的设防标准选择对应于多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震动峰值加速度，但其主要应用于中国陆上地区。API也给出了地震设计反应谱，API谱是基于美国近海岸，特别是南加利福尼亚地区的地震活动强度和地震区划的研究结果，其计算出的地震力较《建筑抗震设计规范》大。由于我国近海海域地震研究程度的限制，尚未进行海域地震区划研究，因此在进行海上风机基础的抗震设计时最好按照《工程场地地震安全性评价技术规范》的要求，进行专门的地震动参数研究给出海底泥面的场地谱。

除此之外，抗震设计还可以采用时间历程法，时间历程法可以考虑结构的延性等更多因素，使得结构抗震计算更加符合实际情况。但采用这种方法需要输入实际强震记录或人工模拟地震波，结构的分析结果会因为输入的地震波不同而产生较大的差别，因此必须正确的选择所施加的地震波。

2.3 疲劳分析

目前，海上风机基础结构的疲劳分析主要采用基于S—N曲线的Palmgren Miner线性累积损伤法则。该理论假定每一个循环荷载对结构产生的疲劳损伤是相互独立的，只要计算出每级循环荷载所产生的热点应力幅，则可按选定的S—N曲线计算各级荷载的损伤，经线性累加后得到总损伤。

DNV认为海上风机基础结构所受到的疲劳荷载主要包括风荷载和海浪荷载。风荷载对基础结构的疲劳损伤，可按确定性方法计算。一般风机厂家会根据风的随机性和风电机组的运行工况计算各种情况下的风机荷载，然后按雨流计数法统计出等效风机疲劳荷载以及对应的循环次数，但风机厂家一般都没有考虑风的方向性。

DNV和API对海浪荷载产生的疲劳损伤，都推荐采用谱分析法。谱分析法将长期波况模拟为许多各态历经的平稳随机过程，假定构件的应力分布为窄带正态过程，其峰值服从瑞丽分布，将整个结构假定为一线性系统，联系海浪谱与应力幅谱之间的传递函数用规则波计算。该方法需要有一年的波浪长期分布统计资料，并要选择合适的海浪谱。然而在实际工作中要获得海上风电场内波浪长期分布统计资料需要专门设站观测，而且各地的海浪谱差异也较大，最好能由实测资料分析得到。

采用完全时域模拟法将风机疲劳荷载与波浪疲劳荷载全时域内计算，能够充分考虑叶片的气弹性、水动力、控制系统等与整体结构的相互耦合作用，是最理想的疲劳分析方法。但该方法计算量大，且要求风机资料与基础、环境资料实现共享，实际工程中很难实现。

3 桩基础

桩基础的设计需考虑桩基的承载力和桩土相互作用，桩基的承载力这部分工作目前已经很成熟，国内外规范均给出了详细的计算方法，而桩土相互作用目前在设计中主要采用m法、P—Y曲线法和实体有限元法[10]。m法仅能反映土的弹性性能，计算结果对m值的选取非常敏感，但该方法计算简单、使用方便。P—Y曲线法能综合反映桩周土的非线性、桩的刚度以及外荷载的性质等，还能进行弹性、弹塑性分析且适用于循环荷载、动载及类似的地基，是目前海上风机基础设计使用最多的方法。实体有限元法是对桩体、土体进行实体模拟，其所需输入的参数是反映桩、土特征的常规参数(弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角等)，而且这些参数的获取更为方便，理论上其模拟精度应强于m法或P—Y曲线法。但其缺点也是显而易见的，单元数目众多，影响计算效率，特别是对于多桩结构形式的基础，土体实体模型所涵盖的单元数目将是非常庞大的。

4 结语

海上风机基础结构的设计是一个复杂的系统工程，涉及到海洋环境、海洋结构物设计、地基与基础相互作用等多个方面。目前我国海上风机基础结构设计还处于起步阶段，海上风机基础设计缺乏经验，大部分的设计方法和经验都是参照国内外类似结构的标准或规范等，这些结构与海上风机基础无论从受力特点、结构型式还是工作环境来讲都有一定区别，对于部分新构件的分析方法尤其还需要进行深入的研究，以总结出一套适合于我国国情的海上风电机组基础设计标准。本文根据多桩导管架基础的特点，探讨了该基础型式在设计的各个阶段中所遇到的困难和问题，希望能对类似工程结构设计提供参考。

[1] 朱荣华,李少清,张美阳.珠海桂山海上示范风场风电机组导管架基础方案设计[J].风能,2013(9):94-98.

[2] DNV-OS-J101，Design of offshore wind turbine structures[S].

[3] API RP 2A-WSD，Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-working stress design[S].

[4] API RP 2A-LRFD，Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platform-load and resistance factor design[S].

[5] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[6] 姜 萌.近海工程结构物——导管架平台[M].大连：大连理工大学出版社,2009.

[7] 丁明华,李 昕.海上风机结构不同计算模型的比较研究[J].水电能源科学,2011,29(10):49-52.

[8] 刘凌飞.导管架基础近海风力发电结构模态研究[J].低温建筑技术,2011(9):39-40.

[9] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[10] 李 炜,郑永明,周 永.海上风电基础ANSYS数值模拟[J].水运工程,2010,444(8):125-129.

Disscussion design of multiple jacket for offshore wind turbines

Zhou Kai Zhang Xiaoming Zeng Qidong

(PowerChinaZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changsha410014,China)

The paper explores multiple-jacket foundation design problems, describes and analyzes foundation structure component strength, pipe joint, grouting connection, dynamic analysis and pile foundation and so on, and finally points out matters needing attention in multiple-jacket foundation structure design.

offshore wind power, foundation structure, dynamic analysis, multiple-jacket foundation

2015-03-04

周 凯(1984- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)14-0065-03

TU753

A