（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海上风机桩基础设计研究.pdf

哈尔滨i 稗人学硕十学伶论文 摘要 能源的需求带动海上风电技术快速发展 而桩基础的设计是海上j x l 电场 建设的重要组成部分 海上风机桩基础的设计是一个复杂的系统工程 涉及 到海洋环境 风机载荷 桩一土相互作用等多方面 国内尚处于起步阶段 本文对海上风机桩基础做了探讨性设计研究 首先 阐述了现存的海上风机桩基形式 结合特定海洋环境 选择1 5 m w 风机的单桩和三桩结构形式进行概念设计 研究了整体桩基结构所承受的风 载荷 风机载荷 波浪载荷及载荷组合方式 其次 以单桩和三桩为研究对象 分别采用p y 曲线法和等效桩长法建 立有限元模型 对水平荷载作用下的桩基结构进行静力分析 计算结果分析 表明 本文采用的p y 曲线法地基模型可靠 等效桩长法的等效桩长需要根 据地质条件确定 最后 对本文单桩和三桩整体结构模型进行了动力分析 得出结构固有 频率 结果表明单桩能有效避开风机共振 桩基结构频率跟桩体截面尺寸 桩体埋深和设置弹簧单元有关 同时 波浪循环载荷对结构的位移响应存在 动力放大效应 不同桩基模型的静力和动力分析结果表明 p y 曲线法相对复杂 准确 等效桩长法可用于三桩初步设计 方法简单 本文为海上风机桩基础的合理设计提供了一定的理论依据 对我国海上 风电产业的发展有一定的实用价值 关键词 海上风机 桩基础 p y 曲线法 等效桩长法 有限元 哈尔滨i j 稃人学硕十学何论文 a b s t r a c t 功ed e m a n do fe n e r g yp r o m o t e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fw i n dp o w e ro n t h es e a m e a n w h i l et h ed e s i g no ft h ep i l es t r u c t u r ei si m p o r t a n tt os e t t i n gt h e o f f s h o r ew i n df a r m 1 1 1 ed e s i g no fo f f s h o r et u r b i n ep i l es t r u c t u r ei sac o m p l e x s y s t e m a t i ce n g i n e e r i n g i n v o l v i n gt h eo c e a ne n v i r o n m e n t t h el o a do nt h ew i n d t u r b i n e p i l ea n ds o i li n t e r a c t i o na n ds oo n i ti ss t i l lo nt h ei n i t i a ls t a g ei no u r n a t i o n a ne x p l o r a t o r ys t u d yo nt h ed e s i g no fo f f s h o r et u r b i n ep i l es t r u c t u r ei s c a r d e do u ti nt h i st h e s i s f i r s t l y t h ec u r r e n tf o r m so fo f f s h o r et u r b i n ep i l es t r u c t u r ea rei l l u s t r a t e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i e do c e a ne n v i r o n m e n t c o n c e p t u a ld e s i g ni sc o n d u c t e do n t h es i n g l ep i l ef o r ma n dt h r e ep i l e sf o r mo f1 5 m ww i n dt u r b i n e 1 1 1 ew i n dl o a d o nt h ep i l e t h el o a do nt h ew i n dt u r b i n e t h ew a v el o a da sw e l la st h ec o m b i n a t i o n o fl o a d sa r es t u d i e d s e c o n d l y b a s e do nt h es i n g l ep i l ea n dt h r e ep i l e sm o d e l s t h ep yc a l v e m e t h o da n de q u i v a l e n tl e n g t hm e t h o da l eu s e dr e s p e c t i v e l yt os e tu pf i n i t e e l e m e n tm o d e l s t h es t a t i ca n a l y s i so ft h ep i l es t r u c t u r eb e a t i n gt h eh o r i z o n t a l l o a d si sp e r f o r m e d 1 1 1 en u m e r i c a lr e s u l t st e l lt h a tt h ep yc u r v em e t h o du s e di s m o r er e l i a b l e w h i l et h ee q u i v a l e n tl e n g t hm e t h o ds h o u l dh eu s e da c c o r d i n gt ot h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n a tl a s t b yp e r f o r m i n gt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h es i n g l ep i l em o d e la n dt h e t h r e ep i l e sm o d e l t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ep i l ei s g i v e n t h e r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h es i n g l ep i l ec a ne f f i c i e n t l ya v o i dt h er e s o n a n c eo ft h ew i n d t u r b i n e n l ed i a m e t e r t h ei m m e r g i n gd e p t ho fp i l e sa n dt h ed e f i n e ds p r i n g e l e m e n th a v et h ei n f l u e n c eo nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t u r e t h e c y c l i n gw a v el o a dc a nm a g n i f yt h er e s p o n s eo ft h es t r u c t u r ea sw e l l c o m p a r i n gt h er e s u l to ft h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so fd i f f e r e n tp i l e 哈尔滨一1 程入学硕十学何论文 s t r u c t u r e s i ti so b v i o u st h a tp yc u r v em e t h o di sr e l a t i v e l yc o m p l e xa n da c c u r a t e w h i l et h ee q u i v a l e n tl e n g t hm e t h o di ss i m p l ea n dc o u l db eu s e di np r e l i m i n a r y d e s i g ns t a g eo ft h et h r e ep i l e sf o r m t h i sp a p e rc a nb eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n go fo f f s h o r et u r b i n e p i l es t r u c t u r e i th a sp r a c t i c a lv a l u et ot h ed e v e l o p m e n to fo f f s h o r ew i n dp o w e r k e yw o r d s o f f s h o r ew i n dt u r b i n e p i l ef o u n d a t i o n p yc u r v em e t h o d e q u i v a l e n tl e n g t hm e t h o d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由 作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在 文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 木勿整 日期 汐少年罗月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 汇编等 作者 签字 功趁导师 签字 己以们鹨 日期 矽7 年 月 日勿卯 年j 月 日 哈尔滨 r 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的背景和意义 世界能源状况f 1 趋严峻 能源市场结构近年来发生了很大变化 风电作 为一种极具竞争力的可再生能源 经过几十年的研究与发展 已完成了由应 用示范向实用化 商业化的转变 并得到了规模化的应用 其中 海上风力 发电也引起了世界各国重视 截止至u 2 0 0 6 年8 月 近海风电累计装机容量7 9 8 2 力 k w 占全球风电总装机容量1 5 其中丹麦 英国 爱尔兰 瑞典和荷 兰等国家发展较快 丹麦在1 9 9 1 年建成世界上第一个近海风电场 2 0 0 3 年还 在南海岸建成最大近海风电场 n y s t e d 装机容量1 6 5 6 万k w 2 0 0 6 年计 划新建2 0 万k w 近海风电场 累计装机容量达到4 1 6 力 k w 规划至2 0 3 0 年近 海风电场装机容量4 0 0 力 k w 德国政府计划2 0 1 0 年近海风电装机容量达3 0 0 万k w 2 0 3 0 年装机容量2 3g w 荷兰政府计划2 0 2 0 年近海风电装机容量6 0 0 万k w 瑞典计戈 1 j 2 0 1 9 年近海风电装机容量3 3 0 力 k w 欧洲规划至1 j 2 0 2 0 年 近 海风电装机容量达至1 j 2 4 0g w 年发电量7 2 0t w h 可以满足欧洲用电量的 l 3 欧洲风能协会预测 今后1 5 年海上风电将成为风电发展的重要方向 预计至l j 2 0 1 0 年和2 0 2 0 年 欧洲海上风电总装机容量将分别达到1 0g w 和7 0 g w 图1 1 为欧洲海上风电场发展的趋势图拉1 在国外 海上风电已经步入快速发展阶段 而在我国海上风电场的建设 仅仅处于起步阶段 由国家发改 委批准的海上风电场示范项目 上海东海大桥海上风电场1 0 万 k w 风电场已进入实质性建设阶 段 并计划于2 0 0 9 年建成 该近 海风电场的建成将为上海每年 提供2 亿多千瓦时的电能 2 0 0 8 室 嚣 曩 年份 图i 1 欧洲海上风电场发展趋势 哈尔滨i 样人学硕十学位论文 年3 月 由中海油建设的亚洲第一座 高达1 4 0 m 的高科技海上测风塔在威海 北部海域落成 这标志着海上风电场建设迈出了实质性的一步 中国海洋石 油总公司将在山东省威海市海域建设总装机容量1 1 0 j 千瓦的全球最大的海 上风电项目 我国可开发风能资源估计在1 0 亿k w 以上 其中海上风电资源 占75 亿k w 1 具有很大的商业化 觑模化发展的潜力 不仅因为海上飙电贽源丰富 而且海上风电的众多优点也是推动着海上 风电快速发展的主要原因 比如 海上风况优于陆地 海风湍流强度小 使 得风机寿命更长 在海上开发利用风能环保价值可观 不占用陆上土地等 1 同时 高成本也制约着海上风电的快速发展 其中风机基础的投入成本 就占总成本的有很大一部分 欧洲研究报告指出 在海上风电场的总投资中 风电机组占5 1 基础1 6 电气接入系统t 9 其他1 4 海上风机基础成 本投入随海水深度的增加而增加 有时占到总成本的3 0 1 大力发展比较 经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题 目前 海上风力发电机组的基础形式 有单桩 三脚架 导管架式基础 重力基 础 负压桶基和浮动平台结构等形式 每种基础都有其各自的优缺点 适应不同 的海况条件 当设计开发大型海上风电场 时 设计一种适台海上风机特殊要求和特 定海况条件的基础能够节省前期投入 虽 然国外在海上风机基础设计方面有很多成 功经验的报道 但是公开的技术资料很少 国内缺乏海上风机基础设计经验 海上风 机基础设计研究对推动我国海上风力技术 的发展将起到至关重要的作用 海上风机桩基础的设计是一个复杂的 系统工程 图1 2 为单柱式海上风机整体结 幽12 单柱式海上风机档体结构幽 哈尔滨j 程人学硕十学位论文 构图 涉及到海洋环境 港口航道 市场经济 近海桩基工程 海上风机 运转载荷 基础与地基动力相互作用 风机一塔架一地基一基础系统分析等 多个方面 包含众多的设计变量 并且 不同的海上风场特性不同 如何处 理众多设计因素做出合理的设计很有意义 国内海上风机桩基础设计研究处 于起步阶段 海上风机基础设计研究能够为将来海上风电场的设计 建设提 供参考 为将来进行海上风机基础结构优化设计提供借鉴 对中国海上风力 发电事业的腾飞具有举足轻重的意义 1 2 海上风机桩基形式分析 海上风机基础形式众多 1 以下针对常用的重力式基础 桶基单立柱结 构 单立柱结构 单立柱三桩结构等桩基结构形式进行对比分析 图13 为 五种桩基形式的示意图 重力式基础橘型基础簟桩基础 三桩基础 导f 集基础 图13 近海风机的五种不同桩基础形式 1 重力式基础 重力式基础适用水深小于1 0 m 与其它形式的基础结 构相比 重力式基础的体积庞大 但重力式基础的价格远低于单立柱基础 考虑安装成本等因素 丹麦i 的v i n d e b y t u n k o n b 和m i d d e l g n m d e n 即是 采用重力式基础 为混凝土沉箱型 这种基础结构简单 其稳定性和可靠性 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 已得到证实 另一种较新的结构是将圆柱刚管固定在较薄的钢制基座上 填 充重矿物以增加重量 此种结构便于运输和安装 基础的重量需随着水深的 增加而增加 所以随着水深的增加基础建造的费用也会增加 重力式基础不 适宜软基和冲刷海床 2 桶基单立柱结构 桶基单立柱结构适用水深小于2 0 m 桶型基础通 过负压安装 由于桶内土的重力作用 使桶型基础的承载机制与重力式基础 相似 在一个波浪周期内 由于波浪力没有足够的时间将桶基础从海底拔出 这就保证了桶型基础的稳定性 当波浪的作用对桶产生拉力时 桶底和土之 间的负压空问将趋于扩大 然而 负压空间的扩大必须有足够的水充填 以 保证这一过程的继续 但由于波浪周期一般很短 因而 桶基础不会被拔出 不过 拆除时可以利用这个过程 3 单立柱结构 单立柱结构 适用水深小于3 0 m 且海床较为坚硬的水 域 在浅水域中尤其适用 更能体现其经济价值 单立柱结构简单 塔架与 桩体可以直接相连 或者通过过渡段连接 受力明确 工期较短 单立柱基 础在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有利的 主要是由于其对水深变化 的灵活性 单立柱基础对振动和不直度较为敏感 因此 对设计和施工的要 求较高 桩径较大 设备施工的难度很大 费用昂贵 桩的直径根据负荷的 大小而定 一般在3 5m 左右 壁厚约为桩直径的1 插入海床的的深度 与土壤的强度有关 可由液压锤或振动锤将其撞击入海床 或者在海床上钻 孔 二者在桩的直径的选择上有一些区别 撞击入海床的方法 桩的直径要 小一些 海床上钻孔的方法 桩的直径可以大一些 壁厚可适当减小 单桩 基础在丹麦的h o m sr e v 海上风电场中广为应用 4 单立柱三桩结构 单立柱三桩结构 适用水深小于3 0 m 采用对称 的三腿支撑结构 由中心柱 三根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构 构成 钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连 其中心柱提供风机塔架 的基本支撑 这种基础由单塔架结构简化演变而来 同时增强了周围结构的 刚度和强度 目前这种基础己在瑞典的n o g e r s u n d 海上风电场中应用 单立 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 柱三桩结构的刚度大于单立柱结构 因此 适用水深大于单立柱结构 三桩 可有效降低桩的直径 减小施工难度 但在淤泥质粘土中容易发生倾斜 而 且纠偏的难度和费用均较大 为了控制水平度 在工艺上需采用专门的调平 措施 水下焊接与灌浆质量也需严格控制 较适合我国施工设备施工能力 5 导管架结构 导管架结构 适用水深2 0 5 0 m 四腿导管架基础采 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 导管架结构有大量的类似经验可以借鉴 施 工均为常规技术 但其整体重量较大 耗材料量大 造价高 工期长 导管 架结构有x 形支撑 实际制作中还有k 形支撑 单斜式支撑等 其他桩基结构形式还有浮置式 在国外海上风电场建设中应用较多的是 单立柱结构和单立柱三桩结构 表1 1 对不同基础结构形式的特性做了简要 对比 表1 1 海上风机桩基对比 类弛应用范同优点缺点 重力基础多数十壤条件都可以漂浮式安装重量人 桶基单立 安装方便 便丁二移 柱 沙七 软粘土安装的地质材料受限 动 多种条件 最好是浅水简单 轻 通用尺寸人而昂贵 可能需要在岩 单立柱 软地质 0 3 5 m 水深彳i 上钻孔 移动凼难 单立柱二晟好是不深的软地质 刚性强 通用制造和吊装昂贵 不便移动 桩适合3 0 m 以卜 水深 结构刚度更人 技 导管架水深2 0 5 0 m耗材人 术成熟 地基费用低 对水 浮置式水深l o o m 停泊和平台费用高 避开航道 深不敏感 哈尔滨i 稃人学硕十学侮论文 1 3 海上风机桩基础研究综述 1 3 1 国内研究现状 目前 我国海上风电场的建设仅仅处于起步阶段 海上风机桩基础的设 计研究缺乏经验 由国家发改委批准的海上风电场示范项目 上海东海大桥 海上风电场 1 0 万k w 风电场 已进入实质性建设阶段 并计划于2 0 0 9 年建 成 此示范项目由上海勘测设计研究院新能源设计研究分院联合同济大学地 下建筑与工程系进行设计 其中结合工程特殊性 重点分析了海上风机地基 基础特点及海上风机基础与地基非线性动力相互作用 风机一塔架一地基一 基础系统动力模拟分析 基础结构疲劳分析等设计技术关键 将为我囡海上 风电技术规范的建立提供宝贵的经验资料阿1 2 0 0 4 年汕头大学蔡安民在其硕士论文中 对单桩型基础的近海风力机波 浪力仿真计算及其塔基载荷响应及响应谱进行了分析研究啤1 2 0 0 5 年沈阳工业大学风能技术研究所对海上风力发电机组基础的选择进 行了研究 结合海上采油平台形式 对海上风电机组基础的定义 类型及其 选择进行了介绍晦 2 0 0 6 年长安大学公路学院通过对自然界海浪循环力的分析研究确定试 验模型 图1 4 为试验模型 运用加载试验 法确定试验所需海浪循环力大小 通过实验对 砂土中大型海上单柱式风能结构物在循环力 作用下的位移进行了研究阳1 我国尚缺乏海上风电场的建设经验 海 上风机桩基础的设计研究将促进我国的海上 风电场建设 形成我国自主的海上风电技术 6 图1 4 试验模型 哈尔滨f 稃人学硕十学位论文 1 3 2 国外研究现状 国外海上风力发电技术比较成熟 海上风机桩基础的工艺和设计发展比 较快 有许多成功的项目经验积累 制定了一些相关的设计规范 并且在不 断的完善 德国g l 在1 9 9 5 年就出版了第一个用于风机认证的标准 标准中含盖了从 认证范围到载荷 材料 结构 机械 回转叶片 电气 安全和环境监控系 统的整个内容 挪威船级社 d n v 在2 0 0 4 年也出版了其关于海上风机结构设 计的第一个标准 该标准只含盖风机的 支撑 结构 但并不是认证过程中 所要考虑的整个系统n 们 同时 挪威船级社标准中定义了不同风机结构概念 的设计要求 根据海水深度和经济性考虑海上风机基础的选择 丹麦作为海 上风电发展比较先进的国家 曾经发表建议书用来处理海上风机载荷和基础 的相关问题 随着海上风电的快速发展以及发展过程中面临的众多问题 国际组织 o f f s h o r ew i n de n e r g yn e t w o r k o w e n 于2 0 0 0 年三月主持研讨会 对海上风 机结构和基础设计中存在的挑战提供科学理论性的背景 进一步展现和强调 在已经运行的海上风机结构中所存在的知识缺陷n 2 0 0 4 年 汉诺威大学岩土工程学院以a c h m u s 教授牵头的课题小组 主要 针对海上风力发电结构物的受力和海底地基承载能力进行了研究 其中 h e t t l e r 教授通过实验建立了适应海上风能结构物位移计算的经验公式蹭1 h e l g eg r a v e s e n 等人通过研究大型浮冰对海上风机支撑结构的载荷效应 提出了一些新的计算方法来预测极限冰载荷以及冰载荷和风载荷的组合效应 i z o 桩基础是目前国外海上风机普遍采用的一种相对成熟的基础形式 很多 企业和组织在海上风机桩基础的设计和工程施工方面有丰富的经验 但是 各个风场的海况条件不同 结合海上采油平台的丰富经验 海上风机基础的 设计优化空间还相当大 7 哈尔滨t 释人学硕十学何论文 为了提高海上风机的经济效益 必须了解并减轻投资额度 因此评估设 计参数 使其得到优化 t o v ef e l d 等人结合欧洲风电工程项目对海上风机桩 基础的结构和经济性做过优化研究n 3 1 国外海上风力发电技术起步早 桩基础设计研究技术相对成熟 有很多 经验值得我们借鉴 学习并深入研究其成功的项目经验及成果对促进我国海 上风电产业的发展将起到积极的作用 1 4 本文的主要工作内容 以设计比较成熟的1 5 m w 水平轴风机在海上设置安装为背景 结合具体 的设计环境因素 本文将从以下几个方面进行海上风机桩基础设计研究 1 结合现有国内外海上风机工程的众多基础形式 分析具体环境因素 影响 拟选定海上风机单桩和三桩结构形式进行概念设计 2 从设计背景要求出发 分析研究海上风机整体支撑结构所受的波浪 载荷 流载荷 风载荷和风机载荷 3 研究桩基理论 结合工程特点及载荷特性 选定桩基p y 曲线法和 等效桩长法进行研究 结合实际地质参数进行桩一土相互作用特性分析 分 别计算各层土壤的p y 曲线 4 使用a n s y s 有限元软件对海上风机整体结构进行建模 研究有限 元模型的单元设置 边界处理及有效加载方式 通过算例验证本文建模方法 及边界处理的正确性 为海上风机整体结构建模提供参考 5 进行结构计算分析 验证本文结构概念设计的可靠性 对比单桩和 三桩形式的适用性 对比分析本文桩基计算采用的p y 曲线法和等效桩长法的 适用性和局限性 为海上风机桩基结构设计论证提供参考 8 哈尔滨i 稃人学硕十学位论文 第2 章海上风机桩基础设计基本理论 海上风机桩基础的设计研究涉及到众多基础理论知识 其中包括整体结 构的初步概念设计方法 外载荷计算理论 以及桩基分析理论 2 1 风机整体结构 2 1 1 概述 一个工程项目的设计需要经过初步尺寸设计 如结构尺寸的确定 规范 校核和结构优化等步骤 图2 1 给出了海上风机结构设计的基本流程 分析国内外海上风电场和其他工程设计流程 进行海上风机结构尺寸的 概念设计 首先要进行风力资源的调查及风电场选址 然后调研具体环境因 素 通过对环境因素的分析选定风机型号 对比分析各海上风机桩基础特性 结合风机特性和环境因素进行结构形式的初选和整体结构尺寸的概念设计 图2 1 海上风机基础设计流程图 9 哈尔滨f 稗人学硕十学付论文 2 1 2 概念设计因素分析 考虑到海上风机设计在支撑结构上投资比较大 为了尽量提高经济效益 优先考虑采用大功率风机减少桩基个数节约成本 从风机稳定性能考虑采用 1 5 m w 风机 具体参数可见表2 1 表2 1 1 5 m w 风力发电机基本参数 制造商产晶型号风轮直径扫风面积切入风速 基本参数 g ee n e r g y 1 5 s6 53 3 1 7 4 切出风速额定风速转速功率轮毂高度 基本参数 2 51 31 81 5 0 06 4 7 环境因素很大程度上决定了风电场设计方案的可行性 决定了结构形势 的选取以及基座的大概布置方向 比如 海底地貌 海脊走势对电缆走向长 度和铺设有很大的影响 也就关系到整个工程的经济性 安全性和可行性 人文环境也是考虑因素之一 比如 风电场的设计选址需要避丌重要航线和 军事港口 靠近电网中心 远离居民区和避免破坏自然景观 在众多环境因素中 水深是决定海洋结构物支撑形式选择的重要因素 人们根据多年来海洋平台的使用和研究经验 可以按水深确定最佳的平台形 式 对于海上风机的支撑结构形式的选取 水深同样起到了决定性作用 挪 威船级社 d n v 标准中定义了不同风机结构概念的设计要求 4 根据海水 深度和经济性考虑海上风机基础的选择 1 0 m重力基础 3 0 m单桩基础 2 0 m三脚架 导管架式基础 5 0 m浮动平台结构 海上风机整体桩基结构设计要考虑的环境因素有水深 风 浪 流极值 条件 要考虑海洋生物附着厚度 冰 雪的影响参数 还要考虑地震对设计 l o 哈尔滨f 稃人学硕十学付论文 的影响 本文重点在桩基础结构设计研究 把影响较大的风 浪和流的设计 参数作为主要考虑对象 表2 2 列出了用于本文设计参考的某海域的风 浪 流极值条件和一般条件 表2 2 风电场风 浪 流重现期极值 重现期 年 要素 l l o 2 55 0 1 0 0 1 h r 2 1 02 6 o2 8 02 9 13 0 o 1 0 m i n2 2 52 7 9 3 0 o 3 1 13 2 1 风速 m s 1 m i n2 5 73 1 73 4 23 5 53 6 6 3 s e c2 8 43 5 53 7 83 9 2 4 0 4 h s m 1 92 52 83 23 4 t s s e c 5 76 o7 o7 88 1 波浪 h m a x m 3 o4 04 45 15 4 t m s e c 6 o7 27 48 28 4 s u r f 1 2 61 3 11 3 5 1 3 61 3 9 海流 e r a s b o t t o m1 0 31 0 61 0 81 0 91 l o 2 1 3 结构概念设计 结合实际环境 本文选取1 0 m 水深作为结构设计水深 众多结构形式中 单柱式结构除了结构简单 其所受波浪 风 流和冰载荷的计算和定义都比 较清楚 本文塔架结构形式采用单柱式结构 分析众多海上风机桩基结构形 式中单桩形式的优点和国内外成熟的设计经验 结合多桩式固定平台的广泛 设计使用经验 本文选定单柱式单桩和多桩支撑结构形式进行概念设计 概念设计确定一个桩基础的尺寸时 应该考虑以下各项 桩的直径 埋 深 壁厚 桩尖形式 间距 数目 几何特性 位置 泥面约束 材料强度 哈尔滨下程大学硕十学位论文 安装方法和其他需要适当考虑的参数 参考国外1 5 m w 风机单柱结构形式进行塔架尺寸初步概念设计 国外设 计单桩直径一般选取3 3 5 m 多桩直径为0 9 m 负压桶式直径为4 5 m 口副 本 文桩体初步设计参考了国外经验 保守设计桩体尺寸 单柱直径选为4 m 单 桩桩长3 0 m 三桩直径1 5 m 三桩桩长1 0 m 概念设计中 钢管桩壁厚是由桩体强度和稳定性要求与腐蚀裕量所决定 的 同时尚应考虑施工方面的要求 并不得小于规定的最小厚度t a p i 规范 规定钢管桩的最小壁厚t 按下式计算n 6 i t 6 3 5 d 10 0n u n 式中 d 一桩径 m m 本文伊 6 3 5 4 0 0 0 1 0 0 4 6 3 5 m m 结合实际工程初步设计选取6 5 m m 壁 厚 整体结构的初步概念设计偏向保守 图2 2 和图2 3 为本文海上风机单柱单 桩和单柱三桩基础结构的初步概念设计图 蜢q 篮 扭哑 d 4 啦 l 丝 箜 水怖 趔 斗市 图2 2 单柱式单桩概念设计图2 3 单柱式二桩概念设计 1 2 哈尔滨1 稃人学硕十学何论文 2 2 外载荷 海上风机支撑结构所要承受的载荷形式有多种 大体可以分为永久荷载 可变荷载 偶然荷载 本文简化考虑 只对结构设计影响较大的风 浪 流 和风机运行载荷进行分析计算 2 2 1 塔架风荷载 塔架上风荷载计算公式n 7 1 f 毛 乞 p o 4 p o 口 杉2 2 1 2 2 其中 毛 风载荷形状系数 梁及建筑物侧壁取1 5 圆柱体侧壁取0 5 k 2 风压高度变化系数 本文选取参考文献中给定系数 见表2 3 p o 基本风压 n 恤2 4 受风面积 即垂直于风向的轮廓投影面积 杉 时距为t 时间内的设计风速 州s 口 风压系数 0 6 1 3 表2 3 风压高度变化系数 高度 m o 22 55 1 01 0 1 51 5 2 02 0 3 03 0 4 04 0 5 0 系数 0 o 8 411 1 l1 1 81 2 91 3 71 4 3 高度 m 5 0 6 06 0 7 07 0 8 08 0 9 09 0 1 0 0 1 0 0 1 5 0 1 5 0 2 0 0 系数 1 4 91 5 41 5 81 6 21 6 41 7 91 9 哈尔滨f 1 1 人学硕十学何论文 2 2 2 正常运行风机载荷 本文参照 中华人民共和国机械行业标准风力发电机组设计要求 进行 风机载荷的计算n 8 1 1 作用在风轮上的气动载荷 为了计算需求 求取作用在风轮扫掠面积 a 上的平均压力p h p h 由 式 2 3 确定 p h i 鼍 c f b y j 2 3 式中 吾 根据贞茨公式计算 p 一空气密度 k 一额定风速 代入系数值并经量纲转换后得 p h 志 驯聊2 2 4 2 高 删伽 j 4 式中 以的量纲为m s 2 作用在塔架顶部的力为 p 日 a 2 5 3 湍流 风斜流和塔尾流的影响 利用气动力矩风轮中心的偏心距e 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的 影响 气 等 亿6 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 式中 尺一风轮半径 w 一任一方向风的极端风梯度 取w 0 2 5 竺尘或风速梯度的1 5 倍 m 值中取较小值 由此偏心距而产生最大附加力矩为 m y h p n a e 2 7 或 m 蹦 p h a e 2 8 4 扭矩m 由最大输出功率p e l 确定 m 2 焉 2 9 式中 一风轮转动角速度 瑁一发电机和增速器的总效率系数 若无输出功率或总效率系数实际值时 则可假定单位风轮扫掠面积的输 出功率为5 0 0 w m 2 及总效率系数 7 o 7 将r o 7 及p e l k w 代入得 m i 1 4 丛 2 1 0 式中 卜 风轮转速 r m i n 2 2 3 波浪载荷 2 2 3 1 莫尔森 m o r i s o n 公式h 鲫 本文波流作用力根据莫尔森公式来计算 莫尔森公式是一个半经验性质 的公式 该公式假设波流作用力被分成由流体加速度引起的惯性力部分和由 流体速度引起的拖曳力部分 m o r i s o n 公式给出 作用于垂直柱体微小长度上的水平波浪力为 哈尔滨下程大学硕十学位论文 积 丢夕g 盹比 p 等正比 2 夕一海水的密度 q 一阻尼系数 亦称曳力系数 一惯性系数 d 一柱体直径 u 一比段中点处水质点的水平速度 也一比段中点处水质点的水平加速度 出一柱体微元长度 m o r i s o n 公式是带有经验性的计算公式 在使用中一般遵循以下条件 1 质点的瞬时速度和加速度需要根据某些波浪理论求出 如线性波 s t o k e s 波等 这些波浪理论都假定构件的存在不影响波浪特征 因此一般要 求构件的直径d 不超过如下范围 d l 0 2 式中 l 波长 2 系数 根据经验或实验确定 3 构件表面光滑 4 构件是刚性的 且垂直固定于海底 如果构件是浮动的或是固定于海底的柔性构件 则比段上的波浪载荷用 下面形式的m o r i s o n 公式计算 卵 丢p e d i v 戈l v 戈 d z 夕 孚 比 尸孚砒 2 1 2 式中 支一微段比中点处构件运动的水平速度 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 戈一微段比中点处构件运动的水平加速度 由式 2 11 可知柱体上一微段的水平波浪力 要想得到整个柱 体上所受的波浪力 只要沿柱体水面以下积分 ed f 丢 g 她i 屹比 p 孚也改 2 m 2 2 3 2 海流对波浪拖曳力的影响 海流与波浪水质点速度的联合作用将使拖曳力大为增加 因此 在应用 莫尔森公式计算波浪力的时候 如果在有海流的情况下 公式中的速度v 应 该是水质点速度叱与海流速度v o 的和 v v x v c 棚名j 寺c d p j d 屹 v c l v v c i 2 1 4 卯 五1p e d 匕 心 i 匕 v f 胁p 等也比 2 1 5 2 2 3 3 莫尔森 m o ti s o n 公式系数选取 表2 4 给出了a p i 规范和d n v 规范对莫尔森公式系数的选取 表2 4 和c o 值的选取 a p i 规范d n v 规范 波浪理论s t o k e s 五阶波s t o k e s 五阶波 曳力系数c d 0 6 1 0 不小于0 6 o 5 1 2 质量系数 1 5 2 0 不小于1 5 2 不同的波浪理论使用不同 备注c d c m 和选用的波浪理论 的c d c m 高r 数时c d 0 7 对于一般形状的结构物 为确定c 0 和c o 的值 必须进行广泛的实验和 1 7 哈尔演f j 科人学硕十学何论文 分析 为了使用方便 各国船级社和有关部门都对 和c l d 值的选取范围 作了建议 我国海上固定平台入级规范建议 在试验资料不足时 对于圆形 构件 取c l 值为0 6 1 0 值为2 0 心0 1 本文计算波流载荷时选取 c d 0 7 2 0 2 2 4 载荷组合 由于海上风机支撑结构所承受载荷的复杂与多样性 在进行设计结构的 计算载荷施加时 必须要考虑到载荷的组合 海上风机整体载荷组合计算分 析有以下几种主流方式 1 风浪因素单独考虑 线性叠加考虑最佳安全需要 2 风浪因素结合考虑 包括风对海浪的影响因素 3 由于商业机密问题 风机制造商不愿意把风机详细参数给总体设计 师 因此对应的出现了比较复杂的设计方法 基础结构设计吻合预先制作好 的塔架 然后运到风机商那进行总体组装和结构强度校核 对于线性载荷合成来说 通常采用t h r k s t r a 规则口 规则规定当一个载 荷达到最大值时 合成载荷取同时发生的两个载荷的代数和 应用t u r k s t r a 的规则组合两个载荷过程 例如 波载荷和风载荷 意味着当两个载荷任一 个达到最大值时 组合载荷将取得最大值 以q l 和q 2 表示两个载荷作用 最大组合载荷 在时间t 内的算术表达式为 绌 m a x 懈 q o 7 2 1 6 m a x q 7 0 t 嘣 n 1 觚 舳女 y 2 w 2 q 2 2 1 7 2 m 觚1 m m 孑 1 8 哈尔滨f 稃人学硕十学何论文 根据t u r k s t r a 的规则 应用两个载荷的组合进行决定性设计时 g l 和q 2 女 是q l 和q 的特征值 乃和托是相关部分的安全系数 y 为载荷组合因子 对于没有荷载确定组合数据的静力设计多采用极限概率组合 本文参照 d n v 近海结构标准n 引 结合已有环境条件采用5 0 年一遇 r e t u r n 和l0 年一遇 r e t u r n 极限环境条件组合 环境荷载组合分项系数取为1 3 5 具体分极限环境条件和风机正常运转两种情况分别与相应海况组合 动力耦合采用与静强度分析相同的工况 考虑极限环境条件和风机运转 情况与相应极限环境条件的组合 其中 动力耦合载荷组合没有取分项系数 各组合情况表述如下 极限坏境条件 1 恒荷载 5 0 r e t u r n 风 1 0 r e t u r n 浪 1 0 r e t u r n 流 2 恒荷载 1 0 r e t u r n 风 5 0 r e t u r n 浪 1 0 r e t u r n 流 3 恒荷载 1 0 r e t u r n 风 1 0 r e t u r n 浪 5 0 r e t u r n 流 4 恒荷载 5 0 r e t u r n 风 1 0 r e t u r n 流 5 0 r e t u r n 冰 风机运转状态 5 恒荷载 风机j 下常运转荷载 1 0 r e t u r n 浪 1 0 r e t u r n 流 6 恒荷载 风机正常运转荷载 5 0 r e t u r n 浪 1 0 r e t u r n 流 7 恒荷载 风机正常运转荷载 1 0 r e t u r n 浪 5 0 r e t u r n 流 8 恒荷载 风机正常运转荷载 1 0 r e t u r n 流 5 0 r e t u r n 冰 结合海区实际环境条件 在本文中只选取简化的两种组合工况进行计算 分析 工作工况 风机正常运转 l o 年一遇浪 1 0 年一遇流 极限工况 5 0 年一遇风 5 0 年一遇浪 5 0 年一遇流 1 9 哈尔滨l 稃人学硕十学位论文 2 3 桩基分析理论 2 3 1 桩基础设计分析方法 桩基础在使用过程中 桩的应力与变形的大小 不仅随上部结构所传来 载荷的大小 方向与性质而变 而且还随地基的反力分布 沉降大小及其均 匀与否而变 此外 上部结构与地基基础之间也有相互影响 这样 桩基设 计首先就面临一个分析方法的选择问题 在桩基设计的实践中 现行的有三 种做法瞳引 1 最早采用的是结构力学方法 将整个结构平衡体系分割成上部结构 基础和地基三个部分 不考虑它们的共同作用 各自独立求解 这种方法在 计算手段不发达的早期是唯一可行的 但其计算结果与实际情况不符 它只 满足了总载荷与总反力的静力平衡条件 却完全未能考虑上部结构与基础之 间连接点和基底与土介质之问的接触点上位移的连续条件 从而导致结构内 力与变形和基础内力与变形均与实际发生偏离 为防止结构的损坏 设计往 往宁可保守点 从而造成浪费 2 将地基与基础视为一个共同作用的整体来分析 比前一种方法进步了 但却存在某些缺点和困难 一方面 由于弹性地基内各点相互影响 地基的 柔度矩阵是个满阵 在做共同作用分析时不可避免地要解满阵方程组 对于 分析大型群桩基础会带来计算上困难 计算机发展地今天不是问题了 另一 方面 计算得到的基础底板 承台 土反力并非呈双曲面分布 而是呈j 下弦 减型分布 出现了负土反力 这是与实际情况不相符的 文献中提出了采用 迭代分析法求解 通过问接途径来考虑各网格单元间的相互作用 从而可以 避免求解满阵方程组 3 在桩基设计计算中 把上部结构 桩和地基三者结合一体进行整体分 析 这种分析方法比较真实地反映建筑物与桩基的实际受力状态 对计算机 容量提出更高要求 为解决计算机容量问题 现时在考虑共同作用的整体分 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 析中 多采用子结构法及波前法等 前者对高层建筑桩基的分析较为有效 它不仅可以解决大型结构与计算机存贮量小的矛盾 而且可以在反映施工期 间结构逐层增加即结构刚度变化时 共同作用 机理的影响 以及在耦合各 个不同结构单元体系等方面 都有独特的长处 232 水平承载桩的计算理论 桩基础是固定式海洋平台应用最多的一种基础形式 主要功能是用来支 撑甲板及上部结构和抵抗环境荷载对结构的作用 单桩和群桩一般都受竖直荷载 水平荷载和弯矩的共同作用 长期以来 人们偏重于研究桩基在承受竖向荷载时的工作性能 而对横向荷载下桩基的 工作性能研究很少 对于海上风机桩基础 风 浪 流 冰等荷载作用和风机载荷作用以水 平载荷为主 因此桩的水平承载性能是海上风机桩基础设计中关键的问题 海上风机桩基础外载荷主要来自于风机的工作水平载荷和波浪水平循环 载荷和弯矩为丰 图2 4 为单桩和多桩承受水平载荷和弯镇效麻示意图 一 图24 多桩和单桩受力示意图 桩的水平承载性能是指利用桩周土的抗力来承担桩身受到的水平荷载的 能力 桩身在水平荷载引起的力矩作用下 产生水平位移和挠曲 荷载的 一部分由桩本身承担 另一部分通过桩传递给土体 促使桩周土发生相应的 变形而产生抗力 这一抗力阻止了桩变形的进一步发展 哈尔滨f 稃人学硕十学伊论文 一般情况下 埋入土中的桩为弹性构件 可以将它视为弹性梁 采用地 基反力法计算 取桩的轴方向为x 轴 土表面水平方向为y 轴 根据梁挠曲 变形理论 写出水平承载桩的挠曲微分方程如下呦1 日等 8 p x y 0 2 1 8 式中 e 一桩的材料弹性模量 一桩截面惯性矩 b 一桩径 p 伍 一沿桩长分布的土反力 x 一桩在泥面下任意点的深度 一桩身某一点的水平位移 按照文