海上风电机组基础结构设计标准

海上风电机组基础结构设计标准（初稿）Guidelines for Designing Offshore Wind Turbine Foundation StructuresDRAFT2008 年 1 月 20 日海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 i 页_目 录前 言 .I1. 引言 .11.1 总则 .11.2 参考标准 .11.3. 支撑结构 .21.4 结构型式的选取 .32. 环境条件 .52.1 总则 .52.2 风 .52.3 波浪 .52.4 海流 .62.5 水位 .72.6 冰 .72.7 土壤调查和岩土资料 .82.8 其它环境条件 .83. 荷载及荷载组合 .103.1 总则 .103.2 固定荷载 .103.3 活荷载 .103.4 环境荷载 .113.5 荷载组合 .174. 钢结构设计 .204.1 总则 .204.2 许用应力 .204.3 组合应力 .214.4 圆管构件的强度 .214.5 构件的稳定性 .225. 桩基础设计 .275.1 一般规定 .275.2 桩体壁厚的确定 .275.3 桩体分段的确定 .275.4 桩体的构造要求 .275.5 横向荷载下桩基计算 .285.6 P-Y 曲线 .285.7 桩的轴向承载力 .29海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 ii 页_5.8 群桩效应 .316. 钢材料 .326.1 总则 .326.2 设计温度 .326.3 结构分类 .326.4 结构用钢 .337. 结构分析计算 .347.1 总则 .347.2 结构建模 .347.3 静强度分析 .357.4 动力分析 .367.5 地震响应分析 .377.6 疲劳分析 .378. 防腐 .388.1 总则 .388.2 涂层与镀层保护 .388.3 阴极保护 .398.4 防腐系统的检查与维护 .41海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 i 页_前 言大规模的海上风电场建设即将在我国拉开帷幕，为此，在渤海海上风电示范项目的基础上，海油（北京）能源投资有限公司组织开展了海上风电机组基础结构研究。在借鉴国外海上风电场建设经验和相关规范的基础上，经过项目研究起草了本标准（初稿） 。在本标准各章节的编制过程中，通用部分以 API 为主，并参考了部分其它相关规范、资料，具体 各部分参考的规范如下：（1） 结构形式主要参考 DNV 规范和欧洲海上风电场建设经验，并结合我国海上固定式采油的设计建造经验提出；（2） 环境条件、荷载计算（除风机静荷载和动冰力荷载） 、钢结构设计、桩基础设计和结构分析计算主要参考 API 规范确定；（3） 风机荷载根据中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求（JB/T10300-2001）确定；（4） 动冰力荷载采用了 DNV-OS-J101 建议的冰力计算方法。本标准（初稿）仅作为海上风电机组基础结构设计的建议。本标准（初稿）主要起草人：李华军、黄维平、王树青、张兆德、孟珣、石湘海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 1 页_1. 引言1.1 总则1.1.1 一般要求1、本标准提供海上风力发电结构的设计原则和技术要求。2、本标准用于海上风电机基础结构的设计。3、本标准不包括机舱、转子、发电机、变速箱等风电机构件的设计。1.1.2 目标本标准给出了海上风电场结构设计的一般原则和指南。1.1.3 范围和应用1、本标准适用于所有类型的海上风力发电机的基础和支撑结构。2、本标准适用于整体结构设计，包括水下结构和基础，但不包括风机部件，如风机吊舱和转子等。3、本标准提供了下列内容：环境条件荷载与荷载组合钢结构设计桩基础设计钢材料结构数值计算与分析腐蚀防护1.2 参考标准1.2.1 一般要求表 1.2.1 中的标准包括了本标准中的一些参考标准，它们构成了本标准的部分条款。海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 2 页_表 1.2.1 参考的标准和规范参考标准 标题DNV-OS-J101 DNV 规范: 海上风电机组基础结构设计标准JB/T10300-2001 中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求SY/T 10030-2004 中国石油天然气行业标准: 海上固定平台的规划、设计和建造的推荐作法-工作应力设计法SY/T 10049-2004 中国石油天然气行业标准: 海上钢结构疲劳强度分析推荐作法SY/T 10008-2000 中国石油天然气行业标准: 海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀控制SY/T 10050-2004 中国石油天然气行业标准: 环境条件和环境荷载标准DNV-OS-B101 DNV 规范: 金属材料DNV-OS-C101 DNV 规范: 海洋钢结构设计荷载抗力法DNV-OS-C201 DNV 规范: 移动式海洋平台结构设计 工作应立法DNV-OS-C401 DNV 规范: 海洋工程结构装配和检测DNV-OS-C502 DNV 规范: 海洋工程混凝土结构1.3. 支撑结构1.3.1 引言1、大型海上风电场开发的基础结构可以根据它们基础类型、安装方法划分成：桩基结构重力基础结构桶基结构浮式结构2、根据基础之上的结构型式可分为 3 种基本结构：单立柱结构导管架结构浮式结构3、将不同基础与上部结构组合可以产生具有不同类型的混合基础结构。1.3.2 单立柱基础1、单立柱单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，基础施工采用打桩或钻孔方法。单立柱结构一般为钢质，塔架通过单桩支撑，塔架与桩之间可以直接连接，或者通过过渡段连接。桩和立柱均为圆柱形结构。2、桩的贯入深度取决于环境和土壤条件。单桩结构在海床活动海域和冲刷海床海域是非常有利的，因为，它对水深有较大的灵活性。这种结构的一个弱点是倾斜和振动，因此，对设计和施工的要求较高。3、这种类型的结构受到海底地质条件和水深的制约，适合于水深从 0 米到 25海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 3 页_米的海域。1.3.3 单立柱三桩结构1、单立柱三桩结构有三条桩腿埋入海床，其上部连接一个单立柱，单立柱是圆柱形钢管。基础宽度和桩的贯入深度取决于实际的环境和土壤条件。2、海上风电机组的单立柱三桩结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体。3、三脚架的中心立柱与塔架连接，三脚架的桩可以是竖直的，也可以是倾斜的。当结构采用自升式钻塔安装时要使用倾斜桩。4、单立柱三桩结构的刚度大于单立柱结构，因此，适用水深为 20m50m。1.3.4 三腿或四腿导管架结构1、海上风电机组的三腿或四腿导管架结构完全借鉴于海洋石油平台的概念，采用了比单立柱三桩结构刚度更大的结构形式。因此，其适用水深和可支撑的风机规格大于单立柱三桩结构。2、四腿导管架的适用水深为 2050m。1.4 结构型式的选取1.4.1 一般要求1、风电机组基础结构为高耸结构形式，结构受荷载影响很大，尤其要认真考虑风机荷载和地震荷载的影响。2、结构型式的选取不仅要考虑静强度，还必须充分考虑结构的动力特性和动力响应，使结构的固有频率避开外荷载频率，尤其是风荷载，从而不致产生过大的动力响应。3、风电机组基础结构还必须进行疲劳分析和屈曲分析，以及腐蚀疲劳问题。4、风电机组基础结构可以是刚性结构，也可以是柔性结构。柔性结构的设计要保证平稳地度过穿越频率。1.4.2 不同结构型式适用的水深范围表 1.4.1 中列出了推荐的不同基础结构形式适用的水深范围。海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 4 页_表 1.4.1 不同基础结构形式适用水深范围基础类型 水深(m)重力式基础 010桶基单立柱结构 025单立柱结构 030三腿/四腿导管架 20浮式结构 50海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 5 页_2. 环境条件2.1 总则1、海上风电平台设计应考虑与特定海域和操作有关的各种环境条件，主要包括风、浪、流、潮、冰和地震等。2、环境条件应根据长期的统计数据来分析得到，并根据最新的海况统计资料确认，包括极端海况和正常操作海况。2.2 风1、 风速可以分成两种：（1）持续风速：平均持续时间大于 1 分钟的风速；（2）阵风风速：平均持续时间小于 1 分钟的风速；2、 一般来说，持续风速用于计算平台上部的总风力，而阵风风速用于局部构件的作用力计算3、 详见 SY/T 10030-2004 的有关条款；2.3 波浪1、波浪使用有效波高 Hs 和谱峰周期 Tp 来表示。2、波浪统计资料是长期和短期波浪状态表示的基础。用于设计的经验统计资料必须经过足够长的时间周期。3、波浪和风是有联系的，因为波浪通常是由风导致产生的。在设计中需要考虑波浪和风的联系。4、当地的海面运动的谱密度可以由已有的波浪资料确定。5、在没有实测资料的情况下，海浪的谱密度函数可以用 JONSWAP 谱来表示， 24exp0.5254Sexppfpgfff 其中：f波浪频率，f=1/T；T波浪周期；fp谱峰频率，fp=1/Tp ；Tp谱峰周期；g重力加速度；归纳的 Phillips 常数， 2445/10.287lnSpHfg谱宽参数，f fp 时，=0.07 ；ffp 时，=0.09；谱峰升高因子；上跨零点周期 Tz 取决于谱峰周期 Tp，由下面的关系来确定，海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 6 页_51zpT谱峰升高因子 5.3.6exp.715.5.5pspps spsTHTT若 若若其中：Tp 单位是秒，Hs 单位是米。6、从当地已有资料获得的波浪参数 Hs 和 Tp 的长期概率分布可以用一般分布形式或者散点图的形式表示。典型的一般分布包括有效波高的 Weibull 分布和与 Hs 有关的 Tp 的对数分布。散点图给出的是点对（ Hs,Tp）在给定的（Hs,Tp）区间里发生的频率。7、有效波高服从 Weibull 分布 1expSHhFh当 表示任意 t 小时有效波高的分布时，每年最大有效波高的分布可以SHFh取为： ,max1S SNHyerHFhF其中：N 是一年中 t 小时海浪间隔的个数，t=3 时，N=2920 。8、以年为单位的重现期为 TR 的有效波高，在每年最大有效波高的分布中定义为(1-1/T R)分位