海上风电机组基础浪致疲劳分析

第31卷第5期2014年5月长江科学院院报JOURNALOFYANGTZERIVERSCIENTIFICRESEARCHINSTITUTEVO131NO5MAY20L4DOI103969JISSN10015485201405015海上风电机组基础浪致疲劳分析靳军伟H，岫，杨敏H，王伟。，王其标1同济大学A地下建筑与工程系；B岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2上海同济启明星科技发展有限公司，上海200092；3中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032摘要给出了海上风电机组基础波浪荷载导致的疲劳损伤计算方法。基于随机波浪理论，依据海浪谱将随机波浪转换为一系列线性波的组合，由MORISON方程计算得到波浪荷载并进行线性化。根据线性波浪荷载作用下结构的动力分析，求得结构响应并计算得到频域范围内的结构应力传递函数。根据海浪谱和应力传递函数，进而得到结构的热点应力谱。由某海域的海况分布，依据MINER线性累计损伤准则，通过假定结构长期热点应力分布为短期RAYLEIGH分布的组合，计算得到结构在设计周期内的累计疲劳损伤。以某单桩基础为例，验证了计算方法的可行性。计算方法对海上风电机组基础的浪致疲劳设计具有参考价值。关键词海上风电机组基础；疲劳分析；传递函数；谱分析中图分类号TU473文献标志码A文章编号100154852014050074051研究背景近年来，化石燃料的大量消耗，不仅带来了严重的环境问题，而且其有限的存储量，逐渐成为限制经济可持续发展最重要的因素之一。随着中国经济对外界石油进口的依赖性增强，发展绿色环保的可持续能源，成为亟待解决的问题。为此，海上风力发电逐渐被人们所重视，并在国内迅速发展。作为海上风力发电的主要构件，风电机组基础是保证风力发电机正常工作、结构稳定、安全的重要部分。海洋工程环境复杂，基础不仅仅受到上部发电机的荷载、风荷载，还受到波浪荷载的影响J。作为承受随机波浪荷载的风机基础而言，疲劳分析是钢结构基础十分关键的一个环节J。疲劳分析可以采用时域和频域2种方式，从计算精度上来讲，时域计算结果是较为精确的。但是，其巨大规模的计算量都是难以接受。另外，由于海洋工程中，对海浪的描述，都是采用海浪谱的形式，所以对于海洋结构而言，在频域范围内进行疲劳分析是合理的选择。目前国外进行的海上风电机组基础疲劳损伤计算主要采用基于应力一寿命S曲线的线性叠加损伤原理MINER准则进行。如挪威规范DNV、美国规范API，ABS等。国内关于此方面的研究还相对有限。本文以单桩基础为例进行分析，由海浪谱，采用随机波浪理论，基于谱分析理论，通过对应力传递函数的求解，得到结构的热点应力谱；根据MINER线性累计损伤准则，对单桩基础的浪致疲劳损伤进行估算。2海浪谱及随机波浪力计算采用的随机波，根据海浪谱得到的。目前常用的谱形式有PIERSONMOSKOWITZ简称PM谱、JONSWAP谱以及国内海港水文规范建议的海浪谱。本文所采用的形式为PM谱J，即SEXP一寻】。1式中5为波浪谱密度；HS为有效波高；I厂为波浪频率为谱峰频率。海浪可以看作是一个平稳的随机过程，理论上可由无限多个余弦波叠加而成。因此，可以通过将PM谱写为多个线性波的叠加形式，以线性波理论为基础进行计算分析。以图1所示坐标系，假定某线性波7T为TACOSKXWT。2式中T为时间；A为波幅；K为波数；为计算位置；W为圆频率。对于给定的海况，选取波幅A为收稿日期20130412；修回日期20130626作者简介靳军伟1986一，男，河南林州人，博士研究生，主要从事岩土工程与海上风电机组基础方向研究，电话02165983386电子信箱2010JINJUNWEITONGJIEDUCN。第5期8O3式中SW为所选取的加对应的谱值；。为峰值周期W。所对应的谱值。有限水深为D时波长和周期的关系可用下式近似表示“，即靳军伟等海上风电机组基础浪致疲劳分析75海平面VZF泥诸图1波浪及波浪力计算简图FIG1SKETCHOFWAVESANDWAVEFORCECALCULATION，JGD。4式中为波长；T为周期；G为重力加速度。面1面；5历41TDGT。6OT10666，20445，OT3一0105，40272。在T时刻，单位长度平台桩腿上的随机波浪力由莫里森方程计算得到，即厂WTDUZ，TLUZ，TFMUZ，T。7式中。CDPD。，C。为拖曳系数，P为海水密度，D为桩径；CJ口订，CM为惯性力系数。水质点速度“，T币加速度U，T可由式8、式9确定以图1所示坐标为例UZ,TITOS；8J了一；UZ,TI丁2,RR2ACOSHKZSIN一。9为了便于后续的动力分析，可以将波浪力进行线性化，即C以“L0俞聿修认为对于PM谱，线性化系数可简化为1HS。11则作用在柱腿节点上的波浪力为FT。，TDZ。12将计算得到的荷载施加到桩基上，如图2所示。水平向桩土相互作用采用玑桩侧地基土水平抗力系数的比例系数法1来描述，弹簧刚度通过M值与单位长度桩体竖向截面的乘积得到。桩侧与土之间竖向的相互作用也采用线性弹簧，桩土相互作用应力水平的发挥，采用美国石油协会2007所推荐的桩侧荷载一位移TZ曲线形式，如图3水面F桩1_F_泥面ILI苣一心曲线法至所示。其中T表示桩侧摩FIG2SIMPLIFIEDDIAGRAM阻力值发挥值，表示桩OFLOADANDSOILPRING侧摩阻力值最大值，Z表示桩与桩侧土体的相对位移为根据经验公式或工程实测得到的桩侧摩阻力最大值T为桩侧摩阻力残余值，通常为0709T。需要注意的是，黏土中桩侧摩阻力的发挥与桩的直径D有关，即横坐标为ZD。而砂土中应力水平的发挥仅与桩土之间的相对位移有关，横坐标为长度单位，采用虚线表示。黏土ZMM0O0N，5051N761021，71_21O08060402黏。图3桩侧荷载一位移FZ曲线川FIG3CURVEOFTZ1OADALONGPILESHAFTVSDISPLACEMENT对于桩端弹簧，通过桩端荷载的大小与极限端阻力之间的相互关系得到弹簧的力一位移的对应关系。采用美国石油协会2007所推荐的桩端荷载一位移QZ曲线形式得到，如图4所示，其中Q为桩端土体承载力发挥值，Q。为桩端承载力极限值，。为桩端土体位移，为桩端土体极限位移。LO0810,6O4O2一O1DP。U0050儿01502UZDP图4桩端荷载一位移QZ曲线FIG4CURVEOFQZ1OADATPILETOEVSDISPLACEMENT对于不同的连接形式及加强环的设置方式，考虑不同的热点应力放大系数，计算得到结构各个节点的热点应力。热点应力方法系数的计算方法可参考文献12。76长江科学院院报3疲劳分析结构的损伤计算，是以结构热点的应力谱为基础进行的。结构的应力谱通过式13计算得到。应力谱J丑125波浪谱。13式中为传递函数，由式14确定。H14式中为热点应力幅值；O为波幅。采用RAYLEIGH概率密度函数N描述应力的短期分布，即GS唧卜S402一P【一I川式中S为应力；ORM。；M。为应力谱的0阶矩，N阶矩由式16计算得到。ML0SDW。16基于PM疲劳损伤原则，得到结构的损伤度D为I1DDI。17I1I1I应力一寿命S一曲线采用式18的形式，即NAS。18式中为应力循环次数；A为负斜率为R所对应的S一7V曲线在横坐标上的截距；R为SJV曲线的斜率的负倒数。同时考虑厚度修正，雨流修正以及双折线S一曲线形式引，损伤度D可以写成式19的形式。MD2FR21AGF0P。I119式中为设计寿命；F为伽马函数；，N为第I海况的上跨零频率；PI为第I海况所占的概率；人为WIRSCHING雨流修正系数，定义为人R，S8R10R1一SI，20式中口R09260033R，BR1587R一2323；为谱的带宽私为耐力因子，取值范围0L，测定S一V曲线低分支对损伤的影响，定义为SGDS一FSGDS1一。21J5RGDS式中C为负斜率倒数RR的S曲线在横坐标上的截距，RR为折线型S一曲线拐点后负斜率的倒数。将所有海况所产生的疲劳损伤叠加，得到总的累计损伤。对于实际工程，若考虑疲劳设计系数FDF，则要求D。224算例以某海区地区单桩海上风电机组基础为例。风机采用某厂家30MW，高约90M，钢质塔筒底部直径47M，顶部直径307M。单桩基础桩径55M，桩长68RN，其中水中部分265M，泥面以下415M。桩体直径上部46M，壁厚60MM并设置内套筒及混凝土灌浆，下部2213，壁厚54MM。为了简化分析，土体采用弹簧代替，其中水平向弹簧刚度随深度递增，采用M法计算，桩侧竖向弹簧采用曲线，桩底弹簧采用Q曲线，如图2所示。土层参数如表L所示。表1土层参数表TABLE1PARAMETERSOFSOILLAYERS取一种海况为例，假定选取的海况参数为H175M；T6，5S；该海况在所有海况中所占比例007，水深为2651TI。MORISON方程参数为CD12；C20。通过采用第1节的理论，计算得到施加在水下结构上的荷载，之后采用振型叠加法，得到结构的位移及应力。计算得到的最大应力点位于桩基础泥面下变截面位置，如图5所示以某一工况为例。由传递函数，求得最大应力点的传递函数值，从第5期靳军伟等海上风电机组基础浪致疲劳分析Y套筒、桩泥面，、目I应力最大位重I_，一。謇L图5疲劳应力分布图FIG5DISTRIBUTIONOFFATIGUESTRESS而得到该点的热点应力谱，选取ABS规范有阴极保护管型节点曲线参数，如图6所示。设计寿命取为20A，若LS、R曲线采用直线形式，得到波浪荷载下结构图6SN曲线FIG6SNCURVES在该海况分布下的损伤为D0132；若采用双折线形式，D0004。按照其在所有海况表21】中所占的比例007，得到该海况在总损伤中贡献的量值分别为D92410；D2810。所有海况情况下的计算，可采用类似的方法进行，本文此处不再赘述。采用表2所示的海况表，其中和分别为有效波高M和周期S，经计算得到波浪荷载下，不考虑疲劳安全系数的情况下，桩基础变截面位置的总损伤。S一曲线取直线和双折线情况结果分别为D0204和D0013。结果汇总如表3所示，说明在海上风电机组基础疲劳损伤计算中，由于浪致疲劳应力值较小，S一曲线取值对结果影响较大，当按直线进行计算时，结果偏大。因此，在设计计算时需要合理选择S一曲线参数。表3损伤结果对比分析TABLE3RESULTSOFFATIGUEDAMAGEINDIFFERENTCASES5结语海上风电机组基础的浪致疲劳分析，是十分重要的设计验算内容。本文的主要成果及结论如下1将海浪谱转换为虚拟的线性波，由动力分析得到结构的热点应力，通过传递函数，得到在频域内计算海上风电机组基础构件疲劳损伤的分析方法。2以单桩基础为例，说明了该方法实施的关键内容。通过计算，认为在海上风电机组基础疲劳损伤计算中，由于浪致疲劳应力值较小，S曲线取值对结果影响较大，计算中应合理考虑SJ7V曲线折线段分支的影响。3波浪、风荷载作用下，海底桩周土体受力性状将产生变化，将对疲劳寿命产生影响，同时风、浪联合作用下，风电机组基础疲劳分析还不完善，有待进一步的研究工作。表2海况表TABLE2WAVESCATTERDIAGRAM78长江科学院院报2014韭参考文献2345678李俊峰风光无限一中国海上风电发展报告2011M北京中国环境科学出版社，2011LIJUNFENGCHINAWINDPOWEROUTLOOK2011MBEIJINGCHINAENVIRONMENTALSCIENCEPRESS2011INCHINESE王国粹，王伟，杨敏36MW海上风机单桩基础设计与分析J岩土工程学报，2011，33增295100WANGGUOCUI，WANGWEI，YANGMINDESIGNANDANALYSISOFMONOPILEFOUNDATIONFOR36MWOFFSHOREWINDTURBINEJCHINESEJOUMALOFGEOTECHNIEALENGINEERING，2011，33SUP295100INCHINESE王伟，杨敏海上风电机组基础结构设计关键技术问题与讨论J水利发电学报，2012，316242247WANGWEI，YANGMINRESEARCHANDDISCUSSIONOFCRITICALTECHNOLOGYINTHEPROCESSOFOFFSHOREWINDPOWERFOUNDATIONDESIGNLJIJOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING，2012，316242247INCHINESEVANDERTEMPELJDESIGNOFSUPPOSTRUCTURESFOROFFSHOREWINDTURBINESDNETHEDANDSDELITUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，2006俞聿修，柳淑学随机波浪力学及其工程应用第四版M大连大连理工出版社，2011YUYUXIU，LIUSHUXUERANDOMWAVEMECHANICSANDAPPLICATION4THEDITIONMDALIANDALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPRESS，2011INCHINESECHAKRABARTIP，CHAKRABARTISK，MUKKAMALAAAPRACTICALFREQUENCYDOMAINMETHODFORRANDOMWAVEANALYSISANDITSAPPLICATIONTOJACKUPUNITSCPROCEEDINGSOFOFFSHORETECHNOLOGYCONFERENCE，HOUSTON，TEXAS，MAY36，1999DOI10404310795一MSDNVOSJ101，DESIGNOFOFFSHOREWINDTURBINESTRUCTURESSNORWAYDETNORSKEVERITAS，2010竺艳蓉海洋工程波浪力学M天津天津大学出版社，1991ZHUYANRONGMARINEENGINEERINGWAVEMECHANICSLM1TIANJINTIANJINUNIVERSITYPRESS，1991INCHINESE9俞聿修孤立桩柱上不规则波浪力的计算J海洋学报，1980，24114YUYUXIUISOLATEDCOLUMNPILEONIRREGULARWAVEFORCECALCULATIONJMARINEJOURNAL，1980，24114INCHINESE10JGJ942008，建筑桩基技术规范S北京中国建筑工业出版社，2008JGJ942008，TECHNICALCODEFORBUILDINGPILEFOUNDATIONSSBEIJINGCHINAARCHITECTUREANDBUILDINGPRESS，2008INCHINESE11AMERICANPETROLEUMINSTITUTERECOMMENDEDPRACTICEFORPLANNING，DESIGNINGANDCONSTRUCTINGFIXEDOFFSHOREPLATFORMSWORKINGSTRESSDESIGNKWASHINGTONDCAMERICANPETROLEUMINSTITUTE，200712DNVRPC203，FATIGUEDESIGNOFOFFSHORESTEELSTRUCTURESSNORWAYDETNORSKEVERITAS，201013胡毓仁，李典庆，陈伯真船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，2010HUYUREN，LIDIANQINGCHENBOZHENSHIPPINGANDMARINEENGINEERINGSTRUCTUREFATIGUERELIABILITYANALYSISMHARBINHARBININDUSTRIALUNIVERSITYPRESS，2010INCHINESE14程育仁疲劳强度M北京中国铁道出版社，1990CHENGYURENFATIGUESTRENGTHMBEIJINGCHINARAILWAYPUBLISHINGHOUSE，1990INCHINESE15RECOMMENDEDPRACTICEFORPLANNING，DESIGNINGANDCONSTRUCTINGFIXEDOFFSHOREPLATFORMSWORKINGSTRESSDESIGNSWASHINGTONDCAMERICANPETROLEUMINSTITUTE，200716AMERICANBUREAUOFSHIPPINGGUIDEFORTHEFATIGUEASSESSMENTOFOFFSHORESTRUCTURESKHOUSTON，TEXASAMERICANBUREAUOFSHIPPING，201017JTJ21398，海港水文规范S北京人民交通出版社，1999J，RJ21398，CODEOFHYDROLOGYFORSEAHARBOURLS1BEIJINGCHINACOMMUNICATIONSPRESS，1999INCHINESE181GALGOULNSFATIGUEANALYSISOFOFFSHOREFIXEDANDFLOATINGSTRUCTURESEBOL12007061320130221HTTPWWWTUHHDESDBVORTRAEGEWS一200607FATIGNE20ANALYSES20OF20OFFSHORE20STRUCTURESPDF编辑姜小兰ANALYSISONWAVEINDUCEDFATIGUEOFOFFSHOREWINDTURBINEFOUNDATIONJINJUNWEI，YANGMIN，WANGWEI，WANGQIBIAO1DEPARTMENTOFGEOTECHNICALENGINEERING，TONGJIUNIVERSITY，SHANGHAI200092，CHINA；2KEYLABORATORYOFGEOTECHNICALANDUNDERGROUNDENGINEERINGOFMINISTRYOFEDUCATION，TONGJIUNIVERSITY，SHANGHAI200092，CHINA；3SHANGHAITONGJIQIMINGSTARSCIENCEANDTECHNOLOGYDEVELOPMENTCO，LTD，SHANGHAI200092，CHINA；4SHCCDESIGNSCIENCERESEARCHINSTITUTE，SHANGHAI200032，CHINAABSTRACTTHISPAPERPRESENTSANAPPROACHTOCALCULATETHEFATIGUEDAMAGEOFOFFSHOREWINDTURBINEFOUNDATIONCAUSEDBYWAVELOADONTHEBASISOFWAVESPECTRUMANDRANDOMWAVETHEORY，RANDOMSEAWAVEWASTRANSFORMED下转第83页第5期梁志松深基坑三维应力场和渗流场耦合分析与模拟83沉降影响范围内的区域要加强监测工作。参考文献F11DESAICSSEEPAGEANALYSIS,FFEARTHBANKSUNDERDRAWDOWNJ_JOURNALOFTHESOILMECHANICSANDFOUNDATIONSDIVISION1972，98SM11114311632冉启全，顾小云考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型J中国地质灾害与防治学报，1998，9299103RANQIQUAN，GUXIAOYUNACOUPLEDMODELFORLANDSUBSIDENCECOMPUTATIONWITHCONSIDERATIONOFRHEOLOGICALPROPERTYJTHECHINESEJOURNALOFGEOLOGICALHAZARDANDCONTRO11998，9299103INCHINESE3周志芳，朱宏高，陈静，等深基坑降水与沉降的非线性耦合计算J岩土力学，2004，251219841988ZHOUZHIFANG，ZHUHONGGAO，CHENJING，ETA1NONLINEARCOUPLINGCALCULATIONBETWEENDEWATERINGANDSETTLEMENTOFDEEPFOUNDATIONPITSJROCKANDSOILMECHANICS，2004，251219841988INCHINESE4GUXIAOYUN，RANQIQUANA3DCOUPLEDMODELWITHCONSOLIDATIONOFRHEOLOGICALPROPEIESLCLPROCEEDINGOFTHESIXTHINTERNATIONALSYMPOSIUMONLANDSUBSIDENCERAVENNAITALY，SEPTEMBER2529，20003553655吴宏伟，施群深基坑开挖中的应力路径J土木工程学报，1999，3265358NGWWC，SHIQUNCHANGESOFSTRESSPATHCAUSEDBYSTRESSRELJEFDURINGEXCAVATIONSJCHINACIVILENGINEERINGJOURNAL，1999，32678965358INCHINESEFREDLUNDDG，RAHARDJOH非饱和土力学M陈仲颐，张在明，陈愈炯，译北京中国建筑工业出版社，1997FREDLUNDDG，RAHARDJOHSOILMECHANICSFORUNSATURATEDSOILSMTRANSLATEDBYCHENZHONGYI，ZHANGZAIMING，CHENYUJIONG，ETA1BEIINGCHINAARCHITECTUREANDBUILDINGPRESS，1997INCHINESE毛昶熙，段祥宝，李祖贻，等渗流数值计算与程序应用M南京河海大学出版社，1999MAOCHANGXI，DUANXIANGBAO，LIZUYI，ETA1SEEPAGENUMERICALCALCULATIONANDPROGRAMAPPLICATIONMNANJINGHOHAIUNIVERSITY，1999INCHINESENGUYENHV，DFDURSOABSORPTIONOFWATERBYFIBERWEBSANILLUSTRATIONOFDIFFUSIONTRANSPORT【J1TAPPIJOURNAL，198366127679李培超，孔祥言，卢德唐饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型J水动力学研究与进展A辑，2003，184419426LIPEICHAO，KONGXIANGYAN，LUDETANGMATHEMATICALMODELINGOFFLOWINSATURATEDPOROUSMEDIAONACCOUNTOFFLUIDSTRUCTURECOUPLINGEFFECTFJ1JOURNALOFHYDRODYNAMICS，2003，184419426INCHINESE编辑刘运飞ANALYSISANDNUMERICALSIMULATIONONTHECOUPLINGBETWEEN3DSTRESSFIELDANDSEEPAGEFIELDDURINGDEEPEXCAVATIONLIANGZHISONGGUANGDONGTECHNICALCOLLEGEOFWATERRESOURCESANDELECTRICENGINEERING，GUANGZHOU510635，CHINAABSTRACTAMODELOFFULLCOUPLINGBETWEENSEEPAGEANDSTRESSOFUNSATURATEDSOILWASESTABLISHEDTORESEARCHTHECOUPLINGOFSEEPAGEFIELDANDSTRESSFIELDDURINGTHEDEEPEXCAVATIONOFFOUNDATIONPITTHELATERALDEFORMATIONOFSOILRETAININGSTRUCTUREANDTHESETTLEMENTOFGROUNDSURROUNDINGTHEFOUNDATIONPITINDIFF