海上风电机组单桩支撑结构和基础设计研究

曹春潼

（江苏龙源振华海洋工程有限公司，江苏南通 226007）

0 引言

随着国内海上风电行业的发展，各种不同形式的支撑结构被应用于海上风电机组的下部基础上[1]。根据目前的项目实施经验，单桩基础被认为是近海风电机组众多支撑结构型式中非常具有竞争力的一种。单桩支撑结构型式简单、用钢量较少，其可将风电机组载荷和环境载荷直接通过钢管桩传递到土壤基础中，使载荷传递更加明确，且避免了多根杆件连接造成的复杂节点和疲劳问题。此外，随着海上打桩技术的发展，取消过渡段的直接海上打桩安装方式缩短了单桩支撑结构形式风机的海上安装工期。这些优势都体现出了单桩支撑结构的经济性。

但是，随着海上风场向更深的水域拓展，同时上部风力发电机的规模越来越大，这些都给单桩支撑结构的设计带来很多困难和挑战。单桩支撑结构冗余度较多桩承台和三脚架结构要差，而且结构刚度更易落在风电机组运行的1P和3P频率之间，也就是引起支撑结构和风电机组的共振频率。此外，单桩支撑结构的桩基础多采用大直径钢管桩，使用目前的工程做法，桩土相互作用存在较大误差[2]。因此，有必要对单桩支撑结构桩基型式的设计和分析方法进行进一步的研究，以应对单桩支撑结构应用于更深水域及上部风电机组更重的场合

本文以某海上4 MW风电机组的单桩支撑结构和基础设计为例，探讨了单桩支撑结构的设计分析方法。

1 单桩支撑结构及基础设计

单桩基础由焊接钢管组成，桩与塔筒之间的连接可以是焊接法兰连接，也可以是套管法兰连接[1]。在设计阶段，需要对支撑结构可能遭受的各种载荷工况进行极限强度分析、动力特性分析、连接疲劳强度分析和地震极限强度分析等，需要对桩基础进行地基承载力分析和桩强度分析等。

1.1 载荷分析

风电机组载荷是支撑结构及桩基础承受的最主要的载荷，这是海上风电机组结构设计同其他海上固定结构物（如导管架平台）的最主要区别之一。海上风机支撑结构设计属于海洋工程领域，而风机载荷计算属于风机设计领域，应由专业软件（如GH Bladed）计算。海洋结构工程师所关心的只是支撑结构塔筒顶部截面或者塔筒底部基准法兰面的载荷，这些数据一般由海上风机制造商提供。厂商则会参照所选取的规范，计算一些工况下的极限载荷，其中包括极端工况、正常运行工况、疲劳工况和地震工况。有关文献的研究分析表明[3]：疲劳工况是海上三脚架形式的风电机组支撑结构设计的控制工况。单桩风电机组支撑结构由于结构载荷传递的优势，其结构疲劳损伤预期明显较小，但仍需得到足够的重视。疲劳载荷包括风电机组在役期间的循环载荷和海洋环境（主要是波浪）作用在单桩支撑结构上的循环载荷。

由于海上风电机组处于海洋环境中，会受到风、波浪、海流载荷，海洋环境载荷可以按照海洋工程规范和标准进行计算[2]。在分析海上风机支撑结构的结构强度（尤其是极限状态强度）时，载荷组合是一个非常重要的考虑因素。一些规范给出了极限状态下载荷组合原则，如IEC61400-3、DNV-OS-J101 Sec.4 F700[4]等。

1.2 动力特性分析

海上风电机组支撑结构塔筒细长、高耸，且风电机组处于塔筒顶部。单桩结构刚度较小、柔性较大，导致风电机组-支撑结构-桩基础整体刚度小，其自振周期和动态位移都会显著增大。如此，一来易与波浪某些频率发生共振，动力放大效应明显，使结构响应增大；二来动态位移明显增大，不能满足风电机组的工作限制要求。因此，动力特性分析是海上风电机组支撑结构和桩基础设计的重要分析内容[3]。虽然塔筒设计也是影响动力特性的重要因素，但由于其一般由风机制造商负责设计，因而不在本文研究范围内。

1.2.1 桩土约束对动力特性的影响

大量的工程实践和研究表明：海底土层对桩约束会对风电机组-支撑结构-桩基础系统的动力特性产生非常大的影响。

在分析单桩支撑结构的动力特性时，桩-土系统一般被模拟为梁-弹簧系统。海底土层中的单桩基础使用各向同性的梁理论处理，而土壤刚度则使用带有刚度的弹簧模拟[5]。其中，分析侧向刚度弹簧对动力特性的影响最为重要。对于侧向刚度的计算，业界最常用的做法是使用海上结构物设计规范API RP 2A-WSD[6]中的p-y方法，这种方法一般用于0.6 m～2.0 m直径的细长入泥桩，而单桩风电机组支撑结构的桩直径一般在4.0 m到6.0 m之间，对此，欧洲一些研究人员做了很多研究，如Jens Wiemann[7]利用弯曲微分方程方法研究了桩径对土壤-桩刚度的影响，K. Lesny[8]研究了大直径单桩在侧向载荷作用下的表现[2]。

1.2.2 冲刷对动力特性影响

海上风电场的桩基位于海岸附近，潮汐变化及海流导致桩基土层时而高于水面，时而低于水面。这种海水的循环波动会在桩基附近造成较大的侵蚀作用，导致桩基附近的土壤被冲刷，从而影响地基轴向承载力和表层土壤的侧向承载能力，进而影响整个风电机组-支撑结构-桩基础的动力特性。

设计阶段，可行的做法是假设一定的冲涮深度，国内外已经有很多这方面的研究，许多规范中也对冲涮深度给出了建议值，该深度一般被假定为 1.3倍到2.5倍的桩基础直径。

本文根据目标工程单桩基础的结构，假定了不同冲刷深度，采用将桩基附近的表层土壤刚度移除的办法来模拟桩基附近土壤的冲刷效应，从而研究该深度对整个支撑结构动力特性（自振周期）的影响。

1.3 疲劳极限状态

疲劳工况是海上风机支撑结构设计中一个非常重要的工况，其往往是是支撑结构的控制工况，因此在设计中必须加以重视。

在进行海上风机支撑结构疲劳分析时，不能只考虑波浪载荷的作用，还必须考虑风机机组荷载对结构造成的影响，这就要求把风机机组、叶片和支撑结构作为一个整体来计算动力响应和疲劳损伤。然而，想要建立风机机组、叶片和支撑结构的整体模型是不现实的，一是因为商业保密问题，二是因为整体时域分析的计算工作量巨大，对于设计阶段的定型和修改来说都不现实。

现在普遍的做法是提取上部发电机组的循环载荷，在支撑结构分析中加以考虑。实际工程中，可建立合适的专业数据接口，并采用合理的计算方法对风机疲劳载荷和波浪疲劳载荷进行耦合。

风电机组的巨大叶片会在与风的相互作用过程中产生很大的阻尼，即气动阻尼。在发电工况下，当风电机组连同叶片向前摆动时（逆风向），叶与空气的相对风速增加，增大了塔顶载荷，从而减小了风电机组的运动。当风电机组连同叶片向后摆动时，情况正好相反，塔顶的载荷减小，风电机组的运动同样也会减少。可以看出：气动阻尼只对由塔顶载荷引起的结构的整体摆动有影响。目前的结构动力分析采用的是模态叠加法，所以在计算中应考虑气动阻尼对结构整体摆动模态的影响。

单桩支撑结构具有柔性大的特点，在计算循环载荷效应即循环应力幅时，由于支撑结构的动力效应显著，所以应将应力幅值纳入考虑范围之内。

2 工程实例

2.1 项目概况

本文以某风电场单桩支撑结构设计为例进行相关计算。该单桩支撑结构使用长57 m的圆筒形结构，其材料为屈服强度为355 MPa的钢；桩基顶部直径5 m；桩基入泥深度46 m；风电机组为4 MW机型；风电场场址最大水深5.6 m；下部土壤以砂土质为主。

2.2 风电机组-支撑结构-桩基础系统建模

本文使用 ABAQUS有限元软件对风电机组-支撑结构-桩基础系统撑结构进行有限元建模。单桩风机支撑结构系统的模型一般需要考虑3个方面：1）风电机组和风机叶片的质量模型；2）支撑结构的有限元模型；3）下部桩基础及其周围土壤的约束和相互作用模型。

在单桩基础结构的设计中，桩-土壤相互作用模型对结构设计和计算分析影响最为显著。分析计算地基的承载力和结构系统的详细动力特性时，需要考虑计算效率和工程计算能够接受的精度等因素，因此，本次设计分析使用了3种桩-土壤模型：1）将桩基周围的土体建立实体模型，以建立土体对桩基的约束；2）将土体约束简化为非线性弹簧；3）加入上部塔筒和风机的等效弹簧约束模型，以计算自振频率。

风机、塔筒及桩基的坐标系示意图及有限元模型如图1和图2所示。

图1 风机、塔筒及桩基坐标系关系示意图

图2 风机、塔筒及桩基有限元模型

2.3 最终极限状态分析

最终极限状态对应支撑结构的最大承载抗力。针对单桩支撑结构及基础的失效模式，需要分析校核支撑结构强度和稳定性、桩基础结构强度和承载力以及支撑结构位移。最终极限状态分析结果见表1。

表1 最终极限状态分析结果表

2.4 风电机组-支撑结构-桩基础动力特性分析

本文共进行了 3种不同约束情况的模态分析，如图3所示，图3a）为只有塔筒及风机部分的模型，在塔筒底部设置固定约束；图3b）为添加桩基之后，只做底部约束；图3c）为将土壤约束简化为非线性弹簧约束。

图3 不同约束的模型示意图

经计算，图3中3种约束前10阶自振频率如表2所示。

从表2可以看出：约束a）的频率最大，约束c）其次，约束b）的频率最小。这是因为约束a）可以等效为以下情况：在塔筒与桩基相连接的模型中，将桩基部分全部做固定约束。所以，在同等长度的模型下，a）的约束最强，因此频率最大；约束 b）如同在桩基除底端部分外其余全无约束，因此约束最弱，频率最小；约束c）在桩基海床面以下用非线性弹簧约束，其约束力介于固定约束和无约束之间，因此其频率也处于两者之间。

表2 桩基各约束情况下前10阶自振频率（Hz）

使用假定冲刷深度的方式来计算冲刷效应对自振频率和阵型的影响。将桩基附近的表层土壤移除来模拟桩基附近土壤的冲刷效应。在本算例中，分别模拟冲刷深度为0.5倍桩身直径、1倍直径及1.5倍直径。前10阶自振频率如表3所示。

从表 3可以看出：法兰面固定约束为最强约束，其值为自振频率的上限值；仅桩端固定约束为最弱约束，其值为自振频率的下限值；其余以非线性弹簧约束的模型其自振频率均在这二者之间；随着冲刷深度增加，土壤对桩基的约束作用逐渐变弱，因此风机的自振频率逐渐减小。

2.5 疲劳极限状态

算例单独计算波浪、风作用在支撑结构上的循环载荷损伤及风电机组循环载荷疲劳损伤，之后线性叠加疲劳损伤，计算支撑结构总损伤。风电机组生产商根据 IEC61400-3[8]规定的工况统计出寿命期内（一般为20年）风电机组应力幅值和相应的循环次数，并给出塔筒顶部截面或者支撑结构法兰面处的应力幅值和相应的循环次数。支撑结构设计者根据该数据选用适当的 S-N曲线，计算出单桩结构薄弱环节，如变截面的累积疲劳损伤。

本算例中计算的4 MW风电机组疲劳累积损伤见表4。

表3 桩基各冲刷深度下前10阶自振频率对比表（Hz）

表4 桩基ZK02疲劳寿命

波浪对支撑结构造成的疲劳损伤采用谱分析方法，某一波浪海况下的热点应力频率传递函数和响应谱如图4所示。

图4 波浪频率传递函数及响应谱

计算得到单桩支撑结构薄弱环节，选取风电机组造成疲劳损伤最大的支撑结构变截面处焊缝，计算波浪载荷累积疲劳损伤为0.06。

从上述结果可以看出：对于近海地区水深较浅的单桩风电机组支撑结构而言，波浪作用在结构上的循环载荷造成的疲劳损伤远小于由上部风电机组循环载荷造成的损伤，风电机组循环载荷造成的损伤是结构疲劳破坏的主要原因。

3 结论与展望

本文在总结当前国内海上风电机组单桩支撑结构设计经验和国内外规范推荐做法的基础上，结合单桩支撑结构设计分析中的遇到的典型问题，论述了单桩支撑结构及桩基础设计中的关键和难点。

1）单桩支撑结构设计中，在前期应该对场址土壤条件进行尽可能详细的勘查，减少土壤地质条件采样不确定性对设计的不利影响。

2）在前期设计阶段，应对土壤刚度敏感性进行分析，以便设计和优化结构尺寸（直径、壁厚）等参数，并调整入泥深度，以达到既能避开风电机组激励频率，又能使支撑结构经济合理的目的。

3）对于近海地区水深较浅的单桩风电机组支撑结构而言，风电机组循环载荷造成的损伤是结构疲劳破坏的主要原因。但是随着应用水深的增加及波浪海况条件的提高，波浪循环载荷造成的疲劳载荷有可能显著增加，并且结构对波浪循环载荷的动力效应也会变得显著。

4）随着未来单桩支撑结构在国内应用水深的不断增加，应确保风电机组循环载荷统计方法的合理性，并注意循环载荷幅值计算时的结构动力放大效应。

5）文章在计算支撑结构疲劳循环载荷时，采用了单独计算不同种类（风电机组、波浪）载荷疲劳损伤，而后进行线性累积的方式，对波浪循环载荷在疲劳损伤中占比非常小的项目有适用性。但是随着应用水深的增加及波浪海况条件的提高，波浪载荷同上部风电机组载荷共同作用的问题将会变得越来越显著，还需要在今后的研究工作中继续研究其联合概率分布、疲劳载荷联合方法及耦合方式。