海上风电大尺度筒型基础分舱优化设计

丁红岩,朱　岩

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

海上风电大尺度筒型基础分舱优化设计

丁红岩a,b,c,朱岩c

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

摘要：以世界第一台可整体安装的风机结构“CBF-3-150”为对象，通过气浮理论和MOSES软件分析不同分舱形式下大尺度筒型基础的浮稳性参数，认为对大尺度筒型基础进行分舱可以明显提高结构的浮稳性; 分舱大小会影响大尺度筒型基础的初稳性高和面积比；在内舱半径相同的条件下，四边形和六边形内舱分舱形式较之于有相同分舱数的圆形内舱分舱更优；对于该大尺度筒型基础结构，建议采用外接圆半径为7.5 m的正六边形分舱形式。

关键词：大尺度筒型基础；分舱；MOSES；初稳性高；面积比K；气浮结构

相对于单桩基础和高桩承台基础，作为风力发电基础的大尺度筒型基础具有节省施工安装费用、便于运输、可重复利用的特点。因而关于气浮筒型基础的研究在国内外也相应成为热点。在国外，近年来对于筒型基础研究集中于筒型基础在各种荷载作用下极限响应分析[1-10]。随着海上风电场的整体浮运安装施工技术的优越性使得风机的整体浮运及精细调平技术越来越受到关注。对于单个筒型基础气浮结构，当其重心高于浮心，结构就不能稳定的漂浮。为了使单个浮筒结构稳定的漂浮，可以采用将同时合并多个单筒成一个浮筒系统，来增加浮筒的复原能力。作为风力发电基础的大尺度筒型基础可通过分舱来达到相同的目的。合理的分舱可以提高筒型基础气浮结构的浮稳性[11]，并且是有利于施工下沉[12]和精细调平的。筒型基础的尺寸、分舱的尺寸和布置、拖航中的波浪条件等因素都是影响分舱的主要因素。因此，对大尺度筒型基础的分舱进行优化设计来满足实际要求是很有必要的，然而，相关研究较少。

以世界第一台可整体安装的风机结构“CBF-3-150”为对象，通过气浮理论研究分析不同分舱形式下大尺度筒型基础的浮稳性参数，在既满足浮运拖航稳性又满足拖航就位后精细调平条件下进行分舱的优化设计。气浮拖航过程需要考虑的最重要的问题是拖航作业的安全可靠性，拖航过程中稳性是拖航安全性的最重要因素。为对实际拖航过程提供参考，将主要根据筒型基础的完整稳性曲线进行分舱的优化设计及验证。

1理论

1.1设置分舱增强气浮结构的浮稳性原理

由于单浮筒其浮稳性无法得到保持，这时可以采用将多个单筒捆成一个整体来保持整个浮筒系统的浮稳性。对单个浮筒进行分舱便是采用了这种思想，当将单筒通过在其内部设置分舱，此时单筒便可视为由多个单筒组成的多浮筒系统，整体结构受到微小干扰后将不会散失其浮稳性。分舱会在一定程度上增强气浮结构的浮稳性，其原理如图1所示。

图1　分舱抗倾示意图

气浮筒内分舱后, 当结构在干扰力作用下发生倾覆时,各舱格中的气-水面位置将不同，气浮力作用点也会产生位移，此时气浮力和重力构成扶正力矩, 就可使结构保持气浮结构的稳定。

1.2分舱气浮结构浮稳性分析

对于单个气浮筒体，设筒高为H、直径为D，气柱顶面中心距筒外静水面的垂直距离为h，筒内气水界面距离静水面的距离为hw，筒内气压强度p和hw的关系为

(1)

式中：γ——是海水的重度；

hp0——水柱高度(海平面上的标准大气压力)。

单体浮筒的气浮力Fb：

(2)

由图1可见，浮心作用点位于气浮筒的轴线上，距离静水面的垂直距离为hw/2，据此可得浮心作用点B在相应坐标系中的坐标(xb,yb,zb)。

假设气浮单筒的总质量力为G，该力将由N个分舱共同承担，对应各个分舱的水平面积设为Ai，建立整体浮态三维坐标系(OXYZ)B，取静水平面为XOY平面，背离水面向上作为Z轴为正的正方向。设(xbi,ybi)为每个分舱舱室在水面上的截面形心坐标，进行计算可以得到气浮筒整体结构在位于xoy平面上的的摇摆中心点坐标(xc,yc)。

(3)

式中：N——分舱的个数，

Ai——第i个分舱的面积；

k——气浮力折减系数；

(xbi,ybi)——第i个分舱的截面形心坐标。

同时在在静水平面上建立新的平面坐标系x′o′y′，其原点为(xc,yc)，扰动力矩下筒型基础将绕x′和y′轴摇摆。可根据计算确定摇摆的稳心半径ρx和ρy。

(4)

式中：V——与气浮结构重量G相等的排水体积；

Ix——绕x轴截面惯性矩；

Iy——绕绕x轴截面惯性矩y轴截面惯性矩。

(5)

由此可以计算气浮结构的初稳性高ax和ay，根据初稳性高可以初步确定气浮体在水中受到干扰时具有的稳定性，当ax和ay大于0时，气浮体稳定，ax和ay小于0时，气浮体不稳定。ax和ay计算公式如下。

(6)

式中：zg——气浮结构重心点G的坐标；

zb——气浮结构浮心点B的坐标。

1.3分舱气浮结构浮稳性判断

气浮结构的浮稳性，不能单一由初稳性高决定，参考相应规范，增加面积比K作为分舱气浮结构完整稳性的判断条件。但由于世界各国规范对于同一种结构关于完整稳性各参数的要求规定值的规定并不一样，难以选取一个具体的规范。因而参考世界各国相对主要船级社关于立柱稳定式海上结构物的完整稳性的要求，见表1，并要求数值模拟计算结果满足所有规范所规定的允许值。总结各规范，分别取0.3和1.3作为初稳性高和面积比的最小值。

(7)

A、B、C的意义参见图2，图中横坐标ζ为平台的倾斜角，纵坐标为力矩，ζ1为进水角，ζ2为第2交点角。

图2　完整稳性曲线

规范CCSDNVBVABS初稳性高GM/m≥0.15≥1.0≥0.3(临时状态)≥0.3≥0面积比K自存状态≥1.3≥1.3≥1.3≥1.3其他状态≥1.3≥1.3≥1.3≥1.3

2计算模型

实际结构筒直径为30 m, 筒高度为7.0 m，自重均为2 021 t，坐标原点取在结构底部圆平面圆心处，重心位置均为(0,0,8.42)。图3为各分舱形式的平面布置图，不同半径下的舱室布置计算组合见表2。

图3　分舱示意

半径/m正四边形分舱圆形分舱(5舱)正六边形分舱圆形分舱(7舱)15.0√×√×12.5√√√√10.0√√√√7.5√√√√5.0√√√√

注：1.内舱室为正多边形布置时，所述半径为外接圆的半径，舱室为圆形布置时，所述半径就是圆本身的半径；

2.表中√表示组合存在，×表示组合不存在。

3数据分析

3.1浮稳性分析

大尺度筒型基础在吃水深度4 m时，具有不同分舱形式的筒型基础的初稳性高和面积比K随半径变化的变化见图4、5。可以看出，具有相同外部条件的筒型基础，具有以下特点。

图4　不同半径下初稳性高

图5　不同半径下面积比

1) 4种分舱布置形式下的结构初稳性高都随着内舱半径的增加而降低。

2) 在相同的吃水深度下，四边形分舱形式和六边形分舱形式的初稳性高都比分舱数相同的圆形分舱形式的初稳性高。

3) 当内舱分舱半径小于11.61 m时，六边形分舱形式下的初稳性高大于四边形分舱形式下的初稳性高，当分舱半径大于11.61 m时，则刚好相反。同样，对于面积比K，此时相交点对应半径值为11.83。交点横坐标值非常接近。基本可以认为在同一点发生转化，表明2种稳性参数确定气浮结构稳性的一致性。

4) 面积比K随着半径的增加而降低，变化趋势同初稳性高变化的趋势基本一致。

5) 内舱半径从5.0 m按照2.5 m的幅度增加变化到15.0 m的过程中，四边形分舱的K值先有1个增值为0.11，然后持续降低，降幅依次为3.21%、14.85%、36.57%。这一趋势同样可见于其他布置形式，5分舱数圆形分舱呈现为3.00%、17.45%、47.18%，六边形分舱则为0.71%、9.01%、28.94%、63.14%，而对于7分舱数圆形分舱的降幅依次为2.64%、16.56%、46.50%。

6) 内舱半径从5.0 m到10.0 m变化过程中的降幅明显的小于从10.0 m增加到15.0 m时的降幅，说明尽管内舱半径的降低会相对提高K值，但提高的空间有限。

7) 分别对比分析圆形分舱形式和正多边形分舱形式的初稳性高和K值，发现分舱数的增加在一定范围内提高了结构的稳定性，且其提高值与内舱半径的增加呈负相关。

3.2优化分析

通过上述比较应优先选用正多边形分舱形式。因而对正多边形分舱形式进行更深入的优化比较，在考虑气浮结构浮稳性的基础上考虑精细调平的要求，相应见表3。

表3　正多边形分舱初稳性高及边舱面积与

注：n为正多边形的边数；Ai为相应分舱形式边舱的xy平面沿z轴的投影面积，A0为相应分舱形式内舱的xy平面沿z轴的投影面积。

由表3可见，随着分舱数的增加，初稳性高相应增加，按表中正多边形n值所示变化，增幅依次为19.04%、25.85%、29.26%、30.34%、32.82%、33.12%，增幅值差越来越小，说明随着n值得增加，初稳性高的提高有限。同时可以看出随着n的增大，Ai/A0值相应减小，由精细调平的施工要求可知，各分舱面积比值越接近1，精细调平越容易进行。由于n值得增大对于初稳性高的提高在n>8之后并不明显，故同时为满足精细调平的施工性应优先选用正四边形及正六边形的分舱形式。

经分析比较得到，可以确定满足综合施工要求的最优分舱形式为内舱半径为7.5 m的正六边形分舱。

4筒型基础设计实例

为验证选定的分舱形式的可行性，以世界第一台可整体安装的风机结构“CBF-3-150”为对象，结合气浮理论计算及海洋浮式平台结构设计软件Moses对具有该分舱形式的原型结构进行完整稳性验证及拖航过程中的动力响应验证。

4.1完整稳性验证

筒型基础数值模型的整体坐标为笛卡尔坐标系，模型的原点建立于筒型基础底部圆形平面的圆心位置，x轴为拖航行驶方向，z轴背离海平面指向天空，y轴根据右手定则确定。根据实际工程，对模型基本参数进行设置，确定模型总质量为2 021 t，质量形心为(0,0,8.42)，结合理论计算和MOSES计算在吃水为4、4.5和5 m时的初稳性高和完整稳性曲线，并对大倾角稳性衡准进行校核，见表4。

表4　初稳性高　m

由表4可见，理论得到初稳性高和MOSES计算得到的对应吃水下的初稳性高相差不大。较之于理论计算的计算结果，由MOSES计算得到的值更大，在相应吃水下的增幅依次为1.05%、1.27%、1.21%，增幅值较小，基本可以忽略，因而可以通过MOSES对大尺度筒型基础进行浮稳性分析。

在图6～8分别为筒型基础模型在不同吃水下，筒型基础横摇角0°～30°下的风倾力臂、复原力臂和K的完整稳性曲线。

图6　4.0 m吃水完整稳性

图7　4.5 m吃水完整稳性

图8　5.0 m吃水完整稳性

可见，复原力臂曲线在不同吃水下都高于风倾力臂曲线，说明在所示横摇角范围内，筒型基础均能保持稳定不散失稳性。虽然复原力臂值与风倾力臂值随着横摇角的增加均有不同程度的减小，但是风倾力臂的减小程度较为明显，表现为面积比的值不断增加。同时，对比图6～8，可以发现各曲线在不同的吃水下变化趋势相同，且筒型基础吃水的增大使复原力臂、风倾力臂和K相应减小。但根据完整曲线的变化无法确定该气浮结构的浮稳性是否满足大倾角稳性要求。因而为综合判断筒型基础的浮稳性需对大倾角稳性衡准进行校核，其在不同吃水下的计算值见表5。

表5　大倾角稳性衡准

从表5可以看出，不同吃水下稳性恒准值均满足相应规范要求，都大于1.4。对布置该种最优分舱形的筒型基础进行实际拖航是可行的。

4.2拖航过程中的动力响应验证

现场拖航中筒型基础吃水5.0 m，现场风速为15 m/s，拖航速度2 m/s，波浪条件为波高1 m，波周期7 s。采用MOSES软件计算所得到的实际拖航中拖缆的张力以及拖航过程中的垂荡、横荡和纵荡加速度时程曲线见图9～12。

图9　拖缆力时程曲线

图10　垂荡加速度运动时程

图11　横荡加速度运动时程

图12　纵荡加速度运动时程

由图10可见，拖缆力呈现比较规则的正弦曲线变化，稳定阶段的最大拖缆力为610 kN,由图11～12可见，垂荡加速度运动的最大幅值发生在筒型基础拖航的初始阶段，为0.1 m/s2；由于初始阶段波浪突然作用于基础上，横荡加速度呈不稳定的变化，而在拖航的稳定阶段，横荡加速度以0.04 m/s2的振幅垂直于拖航方向振荡；纵荡加速度初始阶段较小，拖航稳定阶段最大加速度为0.15 m/s2，综上所述，结构在拖航过程中各向加速度的幅值和振荡幅度都很小，拖航是安全的。

上述结果表明布置成半径为7.5 m的正六边形内舱形式能同时满足完整稳性及拖航要求，并能够够满足实际工程需要。

5结论

1) 分舱的形式及数量会影响大尺度筒型基础的浮稳性，浮稳性各项重要参数(初稳性高、面积比K、稳性衡准数和抗倾覆力矩)的值会随着分舱内舱半径的增加而不断下降。

2) 分舱数的提高会相应增加大尺度筒型基础的浮稳性，合理的分舱形式能进一步提高该基础的浮稳性。

3) 在内舱半径相同的条件下，圆形分舱形式的各项浮稳性参数相对小于四边形和六边形分舱形式的浮稳性参数；

4) 满足施工安装要求及相应工况下拖航稳性的要求的该大尺度筒型基础结构的最优分舱形式为半径为7.5 m的正六边形内舱形式。

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Optimal Subdivision Design of Large-scaled Bucket Foundation of the Offshore Wind Power Plant

DING Hong-yana,b,c, ZHU Yanc

(a. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety;b. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education;c. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China)

Abstract:Taking CBF-3-150, the world's first structure of wind turbines with overall installation for example, the stability parameters of large-scale bucket foundation with different styles of subdivision are studied by the air-floating theory and analytic software MOSES to get the optimal designs of subdivision. It is shown that the floating stability of large-scale bucket foundation can be significantly improved by the subdivision in the bucket; the scale of the subdivision has an impact on the meta-centric height and area ratio K, and under the condition of the radius is the same, the amplitude of quadrilateral and hexagonal subdivision are greater than that of round subdivision which have the same subdivisions. The proposed style of subdivision of this large-scaled bucket foundation is regular hexagon, the circumscribe radius of which is 7.5m.

Key words:large-scaled bucket foundation; subdivision; MOSES; meta-centric height; area ratio K; air-floating structure

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.032

收稿日期：2015-12-06

基金项目：国家自然科学基金(51379142、51309179)

第一作者简介：丁红岩( 1963—)，男，博士，教授 E-mail:dhy_td@163.com

中图分类号：U661.2；P752

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0140-06

修回日期：2015-12-22

研究方向:海洋结构工程