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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 初稿 Guidelines for Designing Offshore Wind Turbine Foundation Structures DRAFT 2008 年 1 月 20 日 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 i 页 目目 录录 前前 言言 I 1 引言引言 1 1 1 总则 1 1 2 参考标准 1 1 3 支撑结构 2 1 4 结构型式的选取 3 2 环境条件环境条件 5 2 1 总则 5 2 2 风 5 2 3 波浪 5 2 4 海流 6 2 5 水位 7 2 6 冰 7 2 7 土壤调查和岩土资料 8 2 8 其它环境条件 8 3 荷载及荷载组合荷载及荷载组合 10 3 1 总则 10 3 2 固定荷载 10 3 3 活荷载 10 3 4 环境荷载 11 3 5 荷载组合 17 4 钢结构设计钢结构设计 20 4 1 总则 20 4 2 许用应力 20 4 3 组合应力 21 4 4 圆管构件的强度 21 4 5 构件的稳定性 22 5 桩基础设计桩基础设计 27 5 1 一般规定 27 5 2 桩体壁厚的确定 27 5 3 桩体分段的确定 27 5 4 桩体的构造要求 27 5 5 横向荷载下桩基计算 28 5 6 P Y曲线 28 5 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 31 6 钢材料钢材料 32 6 1 总则 32 6 2 设计温度 32 6 3 结构分类 32 6 4 结构用钢 33 7 结构分析计算结构分析计算 34 7 1 总则 34 7 2 结构建模 34 7 3 静强度分析 35 7 4 动力分析 36 7 5 地震响应分析 37 7 6 疲劳分析 37 8 防腐防腐 38 8 1 总则 38 8 2 涂层与镀层保护 38 8 3 阴极保护 39 8 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 前前 言言 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 引言引言 1 1 总则总则 1 1 1 一般要求一般要求 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 参考标准参考标准 1 2 1 一般要求一般要求 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 表表 1 2 1 参考的标准和规范参考的标准和规范 参考标准标题 DNV OS J101DNV 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 B101DNV 规范 金属材料 DNV OS C101DNV 规范 海洋钢结构设计 荷载抗力法 DNV OS C201DNV 规范 移动式海洋平台结构设计 工作应立 法 DNV OS C401DNV 规范 海洋工程结构装配和检测 DNV OS C502DNV 规范 海洋工程混凝土结构 1 3 支撑结构支撑结构 1 3 1 引言引言 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 20m 50m 1 3 4 三腿或四腿导管架结构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 20 50m 1 4 结构型式的选取结构型式的选取 1 4 1 一般要求一般要求 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 表表 1 4 1 不同基础结构形式适用水深范围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0 10 桶基单立柱结构0 25 单立柱结构0 30 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 环境条件环境条件 2 1 总则总则 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 2 4 exp0 5 2 5 4 5 Sexp 4 2 p p ff f p gf ff f 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 2424 5 1 0 287ln Sp Hfg 谱宽参数 f fp 时 0 07 f fp 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 5 11 zp TT 谱峰升高因子 5 3 6 exp 5 75 1 15 3 65 1 5 p s pp ss p s T H TT HH T H 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 1 exp S H h Fh 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 S H Fh 取为 max 1 SS N HyearH FhFh 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 TR 分位数 用表示 表达式为 r S T H 1 max 1 1 1 rS S THyear R HF T 其中 TR 大于一年 2 4 海流海流 1 海流对海洋平台有作用力 此外海洋考虑流对波浪的 Dopple 效应 2 流速一般按照表层 中层 底层给出 3 海流主要有风成流 潮流和环流 4 海流统计数据是表示长期和短期海流环境的基础 用作设计基础的经验统计 数据必须有足够长的时间周期 5 必须相应地考虑海流随水深的变化 6 风电基础结构底部容易腐蚀的地方 需要特别研究接近海底处的海流环境 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 7 页 7 没有详细的现场测量资料时 海流速度随水深的变化认为是 tidewind v zvzvz 其中 z 0 时 1 7 0tidetide hz vzvz h 时 0 0hz 1 7 0 0 0 windwind hz vzvz h v z 水深 z 处海流的总速度 z 到静水面的距离 向上为正 vtide0 静水面的潮流速度 vwind0 静水面的风成流速度 h 水深 取正 ho 风成流的参考深度 ho 50m 2 5 水位水位 1水位由平均水位 潮位和风 压力导致的风暴潮构成 潮差定义为最高天文 潮和最低天文潮之差 2水位统计资料可以用长期和短期水位环境表示 用作设计基础的经验统计数 据必须有足够长的时间周期 3 水位和风是有相关的 因为水位成分里有风成因素 设计中要考虑水位资料 和风资料之间的这种联系 2 6 冰冰 1 如果风电场所在海区可能形成冰或是可能有流冰 冰环境必须适当考虑 2 对于下面的海冰环境和性质要考虑相应的统计资料 冰的特性和几何形状 冰区密度和分布 冰的类型 浮冰 狭长的冰 冰排 冰的机械性能 抗压强度 ru 抗弯强度 rf 流冰的速度和方向 冰厚 3 冰的增长来源于海浪飞溅 雪 雨和潮湿的空气 在不同的海区这些因素要 相应地考虑 4 如果有除去冰雪的设备 由于雪和冰的积累导致的雪和冰荷载可以减小或是 忽略 5 当风荷载和水动力荷载确定之后 要相应考虑冰引起的横截面积的增加和表 面粗糙度的改变 6 冰厚是计算冰荷载的重要参数 冰厚的确定应该基于当地的冰数据 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 8 页 2 7 土壤调查和岩土资料土壤调查和岩土资料 1 土壤调查应该给详细设计提供所有需要的土壤资料 土壤调查分为地质研究 地球物理测量和岩土调查 2 土壤调查的范围和土壤调查方法的选择要考虑风机的类型 大小 重要性 土壤的复杂性和海床环境 实际土壤沉淀物的类型 土壤调查覆盖的区域要 看场地布置和安装的容许误差 3 对于风场中的多重地基 土壤的岩石组成和土壤强度特性范围要在每一层地 基或者每个地基的位置进行相应的评估 4 土壤调查必须提供达到某一深度土壤的相关信息 在此深度以下的薄弱基础 不再会影响到风机和支撑结构及基础的安全性和性能 5 土壤调查通常由下面的调查类型组成 该点的地质调查 海床的地形调查 地球物理调查 土壤钻孔并进行现场测试 土壤取样并进行随后的实验室测试 在采样处进行测试 例如锥形穿透试验 CPT 6 现场的岩土调查包括取样做实验室分析和现场测试两部分 调查应该提供下 面所有重要土层的岩土资料类型 土壤分类和描述的资料 实施要求的分析类型之后提供剪切强度和变形特性 现场应力环境 提供的土壤参数 应该覆盖所有的基础设计和细节要求 包括重要土层 的横向范围和这些土层中土壤特性的横向变化 7 确定土壤的强度和变形特性的实验室测试 应该包括一系列不同类型的实验 每种实验要重复多次 这样才能满足基础详细设计的需要 2 8 其它环境条件其它环境条件 2 8 1 地震地震 1 风电场海域的地震活跃程度必须根据地震活动的历史记录 如地震发生的次 数和量级 以此来进行评定 2 如果能够得到该地区地震活动的详细信息 那么该地区的地震条件由这些信 息来确定 3 如果没有该地区地震活动的详细信息 那么地震条件的确定要根据详细的调 查 这包括地质历史的研究和该地区发生的地震 4 如果某地区被定为地震活跃区并且风机受地震的影响 就需要做当地和该地 区地质评估以确定缺陷的位置和排列 震中和震源的距离 能量释放的机制 和震源到该地的衰减特征 应该考虑当地的土壤条件 某种程度上地震能够 影响到地面的运动 地震设计包括形成该地的地震设计标准 应该与认可的 工业操作相符合 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 9 页 2 8 2 盐度盐度 应该考虑海水的盐度对腐蚀的影响 2 8 3 温度温度 1 高 低温度的极值表示成可能的最高值和最低值 各自有相应的重现期 2 当描述温度环境时 空气和海水的温度都要考虑 2 8 4 海生物的生长海生物的生长 1 海底的植物 动物和细菌引起水下和潮间带的结构部件上的海生物生长 潜 在的海生物生长必须得到重视 海生物增加结构构件的重量 还可能增加构 件上水的作用力 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 10 页 3 荷载及荷载组合荷载及荷载组合 3 1 总则总则 1 该部分定义并详细叙述了在总体强度分析和局部设计中需考虑的荷载及荷载 组合情况 2 风机和支撑结构至少要满足 IEC61400 1 风涡轮发电机系统规范 第一部 分 安全要求 中给出的特定风工况的要求 3 2 固定荷载固定荷载 固定荷载是指平台适用期间 大小 位置或方向不会发生改变的荷载 如 平台结构在空气中的重量 永久安装在平台上的设备和附属结构 作用在结构上的静水力 3 3 活荷载活荷载 1 活荷载是指在与平台使用和正常操作有关的荷载 其大小 位置和方向会发 生改变 例如 人员的变化 起重机操作荷载 船舶撞击 与设备运行有关的荷载 可变的压舱物和设备荷载 存储的材料 设备 气体 液体和流体 救生艇 2 对于海上风机结构 活荷载包括 运动荷载 actuation loads 服务船只的撞击荷载 起重机操作荷载 3 运动载荷 运行载荷是由于风力发电机组的运行和控制产生的 可将它们分成若干 类 每一类都与风轮转数的控制有关 例如通过叶片或其他气动装置的变距 进行扭矩控制 运行载荷包括由风轮停转和启动 发电机接通和脱开引起的 传动链机械刹车和瞬态载荷 以及偏转载荷 4 运行载荷通常认为是风荷载作用在风涡轮机上产生的荷载中一种 因此 在 该标准中 驱动荷载认为是环境风机荷载 不以独立的功能荷载出现在荷载 组合中 5 船舶撞击荷载用于主要的支撑结构和基础的设计以及次重要结构物的设计中 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 11 页 3 4 环境荷载环境荷载 3 4 1 总则总则 1 环境荷载是指平台使用期间 大小 位置和方向会发生改变的自然因素引起 的荷载 包括 风机荷载 由波浪和流产生的水动力荷载 包括拖曳力和惯性力 地震荷载 流致涡激荷载 潮汐效应 海生物生长 雪 冰荷载 2 更加详细的信息请参考中华人民共和国石油天然气行业标准 环境条件和 环境荷载标准 SY T 10050 2004 3 4 2 风机荷载风机荷载 1 风机运行荷载 风力发电机组运行时 其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结 构和传动机构作用在塔架顶端 因此 DNV 规范规定 海上风电机组基础 结构设计应考虑风电机组的荷载 这部分荷载包括 风轮上的静风压引起的 荷载 湍流和尾流引起的荷载 风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组 的重力荷载等 中华人民共和国机械工业部标准 JB T10300 2001 对风力发电机组的 荷载计算做出了具体的规定 A 1 正常运行荷载 1 作用在风轮上的平均压力 作用在风轮扫掠面积A上的平均压力由下式计算 H p 2 HFB 1 2 r pC V 式中 CFB 8 9 空气密度 Vr 额定风速 代入系数值并经量纲转换后得 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 12 页 kN m2 2 H 1800 r V p 式中 Vr 的量纲为m s 2 作用在塔架顶部的力为 XHH Fp A 3 湍流 风斜流和塔尾流的影响 利用气动力距风轮中心的偏心距ew 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的 影响 2 2 w r wR e V 式中 R 风轮半径 w 任一方向风的极端风梯度 取w 0 25或风速梯度的1 5 倍 m s m 二值中取较小值 由于此偏心距而产生最大附加力矩为 YHHw Mp Ae 或 ZHHw Mp Ae 4 扭矩 XH M 由最大输出功率 Pe1 确定 e1 XH P M 式中 风轮转动角速度 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500W m2及总效率系数 0 7 将 0 7 及Pe1 kW 代入得 e1 XH 14 P M n 式中 n 风轮转速 r min A 2 风机偏航荷载 风机偏航运动时 由于陀螺效应 偏航运转将引起作用在塔架顶部的陀 螺力 这就是偏航荷载 对于偏航运动的不同阶段 该荷载分为启动荷载和 匀速转动荷载 1 启转 当风机偏航时 偏航启动作用在塔架上的扭矩为 ZTHw Mp Ae 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 13 页 在偏转运动开始时 除扭矩外 还作用有塔架顶端的横向力 YTMM Fm e 式中 发电机和风轮的总质量 M m 总质量的质心位置距塔架的距离 M e 偏航角加速度 2 匀速偏转运动 如果装被动偏航系统的风力发电机组无合理加速时间数据可用 则可假 定加速持续时间为1s 此外 要使用偏航系统的角速度 对于装主动偏航系 统的风力发电机组 角速度通常很小 可不考虑此荷载情况 在这些情况下 将作用下述荷载 2 XTMM FZm e YTB MZI 式中 Z 叶片数量 叶片相对风轮轴的惯性矩 B I 偏航角速度 2 风在转子和塔架上产生的荷载应当加以考虑 风生荷载包括风直接产生的荷 载以及由风机的运转和风激运动产生的间接荷载 直接风激荷载包括 空气动力轮机叶片荷载 在运转 停止 空闲 制动和启动时 塔架和发电机舱的气动阻力 根据标准 在结构设计中 以下风荷载包括由风间接产生的荷载和风机 工作产生的荷载 叶片上的动力荷载 随着叶片的转动 该荷载随时间不断变化 由转动产生的地心引力和科里奥利力 偏转引起的回转力 风机的制动力 3 以下因素在风荷载的定义中应当予以考虑 塔架的遮蔽 塔架的填塞物和漩涡脱落 即塔架的存在而产生的风紊 流 一个风力涡轮机在另一个的后面产生的伴流效应 例如在风力发电场 中 与回转轴有关的风流方向偏离 例如偏航误差 转动样本 例如 由于轮机叶片切割漩涡 低频的气体紊乱将会变成 高频荷载 气体弹性效应 例如 涡轮机在一面的运动和与另一面的风场的相互 作用 叶片螺距的不同导致的空气动力的不平衡和转子质量的不平衡 风力涡轮机上控制系统的影响 例如 限制穿过叶片螺距上的极限荷 载 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 14 页 气体的紊流和阵风 由停止导致的桨叶和边缘振动所引起的不稳定性应当避免 阻尼 风力涡轮机控制器 3 4 3 风荷载风荷载 1 风速的选取 参考 SY T 10030 2004 2 3 2 条款 2 风力的计算 计算公式如下 2 2 1 AVCF s 式中 F 风力 N 空气的密度 kg m3 A 物体的迎风面积 m2 V 风速 m s Cs 形状系数 3 形状系数和遮蔽效应 参考 SY T 10030 2004 2 3 2e 和 2 3 2f 条款 3 4 4 波浪荷载波浪荷载 1 在波浪荷载的计算中 应根据水深 环境条件级结构形式采用合适的波浪理 论 2 对于细长结构 如导管架结构构件和单桩结构 可用 Morison 方程求解波浪 力 3 对于大尺度结构物 波浪运动因结构物的存在受到干扰 应当进行波浪绕射 分析以确定局部 压力 及整体波浪荷载 4 作用在诸如浸没在水中的圆柱体等细长结构部分上的波浪力 可通过 Morison 方程预测得到 在该方程中 作用在水深 z 处的竖直单元 dz 上的水 平力表达如下 第一项是惯性力 第二项是拖曳力 CD和 CM是拖曳力和惯性力系数 D 是圆柱体直径 是水的密度 是水质点的水平速度 z 由静水面处测量 x z 轴向上 因此 在海底处 z d 水深为 d 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 15 页 5 作用于圆柱体上总的水平波浪力可由 Morison 方程沿高度 z 从 d 到波浪顶端 的积分得到 6 当结构物的尺寸接近波长时 如 D 0 2 那么 Morison 方程不适用 惯性 力将占主导地位 可由绕射理论计算得到 7 波浪容易在结构物所在地或其周围发生破碎 那么在结构设计中应当考虑破 碎波的波浪荷载 破碎波的波浪荷载取决于破碎波的类型 崩破波 卷破波 和激破波之间有区别 三种类型波浪的动力学不同 8 在波浪荷载的计算中 可用增加结构构件外径的方法来考虑海生物的生长 3 4 5 流荷载流荷载 1 单独流力的计算 VDVCF d 2 1 2 与波浪同时出现 流速应与波浪的水质点速度矢量迭加 然后计算 3 流致涡激振动 对暴露于流中的细长构件 应考虑周期性的漩涡脱落引起的涡激振动的影响 3 4 6 冰荷载冰荷载 1 静冰力计算 海冰对结构的作用力取决于海冰的破坏形式 海冰的挤压破坏强度为弯曲 破坏强度的 3 4 倍 因此 一般采用挤压破坏时的冰力作为设计冰荷载 各国 学者提出了不同的静冰力计算公式 其中被普遍认可而且在海洋平台结构设计 中广泛采用的冰力计算公式为 Korzhavin Afanasev 公式 简称 K A 公式 K A 公式表达的静冰力为 Im sc Fkdt 式中 嵌入系数 取值为I51 t I d 桩柱形状系数 圆截面柱取0 9 m 桩柱与冰层的接触系数 一般取0 3 k 冰块试样的极限抗压强度 Pa c 桩柱直径 dm 冰层计算厚度 tm 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 16 页 2 动冰力的计算 动冰力的计算根据DNV规范DnV OS J101中建议的动冰力曲线 如下图所 示 其中取的是静力计算得到的 为冰作用的周期 其影响条件是冰 0 F s F 0 1 T 的破坏长度和冰的漂移速度 L ice U 0 1 ice TL U 图图3 1 DNV J101建议的动冰力时程建议的动冰力时程 图示动冰力时程的表达式如下 0 0 1 0 1 0 00 10 10 1 0 1 0 00 10 10 1 0 1 8 0 200 7 7 7 0 7 0 70 8 0 3 0 8 0 8 2 F FT T F FFTTT T F FTTT T DNV规范推荐了两种确定破坏长度的模型 L 1 其中是桩的外径 是的函数 由图3 2 12 LD D 2 Wf Dt 中确定 其中 是冰的弯曲强度 是水的重度 为冰的计算厚度 f W t 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 17 页 图图3 2 冰的破坏长度确定参数冰的破坏长度确定参数的确定的确定 2 其中是冰的弹性模量 是冰的泊松比 0 25 3 2 12 12 1 W Et L v Ev 以上两种模型都表明冰的破坏长度和冰的漂移速度是相互独立的 冰L ice U 的漂移速度根据所给环境资料取值 冰的破坏长度取值相对来说比较不确定 L 因此 在动力响应计算中要考虑范围相对比较广泛的冰周期 以保证结构在 0 1 T 冰载荷作用下有足够的强度 3 群桩上的冰力 但大面积冰层挤向平台时 应适当考虑群桩的遮蔽效应 后面的桩排应 乘以折减系数 4 对在寒冷地区的平台 应参考 API RP2N 确定冰荷载 3 4 7 地震荷载地震荷载 1 当风机设计的场所可能发生地震时 结构应当设计成具有抵抗地震荷载的能 力 2 当风机建在易发生地震引发海啸的地带 那么海啸对结构的荷载效应也应当 加以考虑 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 18 页 3 5 荷载组合荷载组合 3 5 1 荷载组合的原则荷载组合的原则 1 根据应用海域的具体环境条件 对实际有可能出现的各种荷载 应按照最不 利情况进行组合 2 在荷载组合过程中 应考虑荷载组合的合理性和可能性 3 对受水位影响的荷载 必须把水位作为一个组合条件考虑 3 5 2 荷载组合荷载组合 1 DNV OS J101 推荐的荷载组合 2 我国海域的荷载组合 针对我国渤海和南海海域 极端环境条件下的荷载组合工况见表 3 2 表表 3 2 渤海和南海极端工况荷载组合渤海和南海极端工况荷载组合 组合工况风浪流冰 表表3 1 DNV荷载组合荷载组合 定义相关荷载效应特征荷载值的环境荷载类型和重现期 极限荷载荷载联合风浪流冰水位 150年一遇5年一遇5年一遇50年一遇 25年一遇50年一遇5年一遇50年一遇 35年一遇5年一遇50年一遇50年一遇 最终极 限状态 450年一遇5年一遇50年一遇平均水位 注 最终极限状态下 风机处于停转状态 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 19 页 150 年一遇50 年一遇50 年一遇 渤海 210 年一遇10 年一遇50 年一遇 南海100 年一遇100 年一遇100 年一遇 对于风机正常运转的情况下 在我国渤海和南海海域 可以采用以下的荷 载组合形式 如表 3 3 所示 表表 3 3 渤海和南海操作工况荷载组合渤海和南海操作工况荷载组合 组合工况风浪流冰 1风机运转10 年一遇10 年一遇 渤海 2风机运转10 年一遇10 年一遇 南海风机运转10 年一遇10 年一遇 3 每次对包含风荷载效应贡献的荷载联合进行研究时 应当根据风机的两种不 同状况假定来分析 运转中的风机 停止状态 空转和静止 设计时应当使用相应两种分析结果的最大荷载效应 3 5 3 瞬态荷载情况瞬态荷载情况 1 来自风机运转和控制产生的激励荷载会产生瞬态风荷载 以下情况会产生瞬 态荷载 应当加以考虑 从停止或闲置状态下的启动 正常关闭 紧急关闭 正常故障事件 控制系统的故障及电力网络连接的损失 非正常故障事件 保护系统和电力系统故障 偏航 2 特征瞬态风荷载效应计算为 10 分钟周期的最大荷载效应 在该周期内 风 强度取在切入和切出风速范围内最不利 10 分钟平均风速 为了确定临界风 速 例如 在瞬态荷载中产生最严重荷载的风速 则应当考虑阵风 湍流 风向变化 风剪切 故障时间和梯度损失等因素 3 特征瞬态风荷载效应应当与 10 年一遇的波浪荷载效应联系起来 该联合可 根据线性联合模式起作用 线性联合值可通过独立计算的特征波浪荷载效应 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 20 页 和风荷载效应计算设计荷载效应 该联合可通过时间域内结构分析的特征联 合荷载效应的模拟来实现 该时间域同时适用于风荷载和波浪荷载的模拟时 间列 当瞬时风荷载与波浪荷载相联合时 应当考虑它们之间的不一致性 对于非轴对称支撑结构 应当假定最不利风荷载方向和波浪荷载方向 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 21 页 4 钢结构设计钢结构设计 4 1 总则总则 1 本章对风电机组基础结构中钢质圆管构件的设计作了规定 适用于钢材屈服 强度 s 420N mm2 构件径厚比 D t 120 的圆管构件 局部屈曲公式的有 效范围是 D t60 时 在轴向压力或弯矩作用下 应考虑 管壁的局部屈曲而引起的失稳 当圆管的径厚比 D t 300 且 t 6mm 时 通常为非弹性局部屈曲 而在 残余应力及初始缺陷影响较大时 特别是对于高强度钢 也可能在弹性范围内 产生局部屈曲 1 弹性屈曲时 其弹性局部屈曲临界应力为 xe N mm2 DtE xe 6 0 式中 E 弹性模量 N mm2 2 非弹性屈曲时 其非弹性局部屈曲临界应力为 xc N mm2 xesxc k 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 25 页 式中 k 局部稳定系数 按下式计算 4 23 0 64 1 tDk 式中 D 圆管公称直径 mm t 圆管壁厚 mm 2 整体临界应力 无加筋圆管构件 在轴向压力作用下 其稳定性由整体屈曲临界应力控制 可按下式验算整体稳定性 N mm2 cs A N 式中 N 轴向压力 N A 圆管截面积 N mm2 钢材屈服强度 在本式中当圆管 D t 60 时 应以局部屈曲临界应 s 力 或 取小者 替代 N mm2 xe xc s 许用屈曲临界应力 N mm2 c 整体稳定系数 由下式决定 当时 2 0 3 00 2 0 044 0 265 0 67 1 25 0 1 当时 2 0 2 0 92 1 1 式中 s 0 构件的长细比 构件整体屈曲的临界应力等于钢材屈服强度的长细比 按下式计算 s s s E 2 对于圆管 可取 ED Kl s 9 0 0 4 5 4 无加筋圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲无加筋圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲 无加筋圆管构件在弯矩作用下 当 D t 60 时 可能产生局部屈曲 应按 下式验算其弯曲应力 N mm2 k W M 1 1 式中 M 构件的最大弯矩 N mm W 截面的剖面模数 mm3 对于圆管可取 t D W 4 2 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 26 页 k 局部稳定系数 4 5 5 轴向压力和弯矩联合作用的稳定性轴向压力和弯矩联合作用的稳定性 1 无加筋圆管受轴向压力和弯矩的联合作用时 应满足下式要求 N mm2 c yx W MM A N 22 5 1 式中 N 轴向应力 N Mx My 计算截面绕 x 轴和 y 轴的弯矩 N mm A 圆管截面积 mm2 W 圆管截面的剖面模数 mm3 整体稳定系数 2 钢管桩一般可不进行整体稳定性计算 但受横向荷载作用的桩 同时又有很 大的轴向力作用时 在计算中要考虑荷载位移 P 效应 可将桩模拟为 非线性弹性基础上梁进行内力分析 当 D t 60 时 应按下式验算局部稳定性 N mm2 W MM A Nyx x 22 9 0 4 5 6 静水中无加筋圆管构件的稳定性计算静水中无加筋圆管构件的稳定性计算 1 圆管在外水压力作用下产生的环向压应力 应不超过环向的许用应力 h h N mm2 2 hc hh h pD tk 式中 p 设计静水压力 MPa 环向屈曲安全系数 工作环境条件 2 0 极端环境条件 h k h k 1 5 h k 环向屈曲临界应力 N mm2 hc 无加筋圆管构件如满足规定的圆度公差 环向屈曲临界应力可由下 hc 列步骤确定 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 27 页 按下式计算弹性环向屈曲应力 he N mm2 2 9 0 D t E he 确定环向屈曲临界应力 hc 当时 N mm2 hhe 5 0 hc he 当时 N mm2 shes 25 0 heshc 2 04 0 2 当轴向拉力和外水压力共同作用时 圆管构件应满足下列公式 0 16 0 2 2 h hx h hx 式中 N mm2 hbax 5 0 其中 轴向应力的绝对值 N mm2 a 弯曲应力的绝对值 N mm2 b 环向应力的绝对值 N mm2 h 3 承受轴向压力和外水压力共同作用的无加筋圆管构件 在下述两个环境条件 下 应同时满足公式要求 1 工作环境条件 0 1 2 2 4 2 he h hexe hex 0 1 2 xc x 0 1 2 hc h 式中 N mm2 hbax 5 0 2 极端环境条件 0 1 5 1 2 3 2 he h hexe hex 0 1 5 1 xc x 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 28 页 0 1 5 1 hc h 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 29 页 5 桩基础设计桩基础设计 5 1 一般规定一般规定 1 为确保风电机组基础结构在工作环境条件下能正常工作 在极端环境条件下 具有一定的安全度 应对桩体结构的强度和稳定性以及桩基承载力进行分析 验算 此外 桩基础设计还应包括打桩过程中的桩体强度校核 以及桩可打 入性分析 桩基础应能承受静力的 循环的和瞬时的荷载而不致产生过大的 变形或振动 应特别注意循环荷载对支撑土壤强度的影响以及对桩结构动力 响应的影响 2 应调查海底相对于基础构件产生位移的可能性 应预估此位移引起的作用力 并在基础设计中加以考虑 3 由于海流和波浪作用引起的海床冲刷可能严重影响桩基轴向和横向支承能力 应对风电机组基础结构所在海域的海床冲刷情况进行调查 如有冲刷现象 则设计时应加以考虑 4 在基础施工过程中 由于达不到设计要求需要采取的可能补救措施应在施工 前进行研究并做出规定 5 2 桩体壁厚的确定桩体壁厚的确定 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 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 钢管桩的最小壁厚 t 按下式计算 t 6 35 D 100 mm 式中 D 桩径 mm 5 3 桩体分段的确定桩体分段的确定 确定桩体的分段长度时 应考虑起吊能力 打桩工艺 打桩时桩体强度 刚度和稳定性 现场焊接条件以及土质情况等因素 5 4 桩体的构造要求桩体的构造要求 1 在桩顶和桩尖处 一个桩径长度范围内的桩壁厚度 必要时应加厚最小壁厚的 1 5 倍 2 钢管桩在泥面处厚壁段的上下均应留有适当富裕长度 以适应桩体实际入土 的深度的变化 每一桩段应留有 1m 左右的余量 以备因锤击损伤后 将此 长度割去 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 30 页 3 桩体与导管 或套管 之间的环形空间 一般宜用水泥浆充填 以实现钢桩 与导管 或套管 之间的荷载传递 应该设置定位块在桩和其周围结构之间 保持一个均匀的环行空间 为封闭水泥浆应使用封隔器 并提供正确地将水 泥浆灌入环行空间的方法 在具有软弱的海底泥土的地方 应考虑采用封闭 器或其它方法尽量避免泥土侵入环行空间 5 5 横向荷载下桩基计算横向荷载下桩基计算 1 横向荷载作用下桩的内力及变形 一般可以通过求解桩轴挠曲的微分方程或 用有限元法得到 计算中宜考虑土的非线性特性及泥面冲刷 滑移和沉桩对 土体扰动的影响等因素 2 桩侧土抗力 P 应按下式计算求得 P Esy N mm2 式中 Es 计算点的土抗力模量 MN m3 其值随土质 深度和位移而变 y 计算点的桩侧位移 mm 3 土抗力模量 桩在横向荷载作用下 其侧向位移较小时可不考虑土的非线性特性 按 一般公认的线性假定确定土抗力模量 横向荷载下桩的计算 考虑土的非线性时 宜以计算点的 P y 曲线为依 据 取其割线斜率作为土抗力模量 5 6 P y 曲线曲线 1 P y 曲线的线型与土质 深度及荷载性质等有关 一般应根据现场或室内试 验资料的分析结果绘制 缺乏资料时 可以参考使用本节所附 P y 曲线 2 砂性土的 P y 曲线 砂性土分为浅层土和深层土 浅层土和深层土的极限土抗力转折点深度 XR按下式计算 mm 1 23 C DCC XR 式中 C1 C2 C3 系数 以为参数 砂性土内摩擦角 deg D 外径 mm 当 x96KPa 比软粘土脆性更大 工程中应以实际试验资料绘制 P y 曲线为准 文献中的 P y 曲线经验证后方可采用 5 7 桩的轴向承载力桩的轴向承载力 5 7 1 一般要求一般要求 确定桩的轴向承载力有下列几种方法 1 现场试桩 2 静力公式 3 桩的动力公式 基于波传播理论的公式 4 地区性的半经验公式 桩基设计可用上述方法确定承载力 但动力公式不能单独使用 最好是用 几种方法综合确定 5 7 2 受压桩的极限承载力受压桩的极限承载力 1 受压桩的极限承载力 Qd可用下式计算 KNqAAfQQQ psiipfd 式中 Qf 桩侧摩阻力 kN Qp 总的桩尖阻力 应不大于土塞承载力 kN fi 第 i 层土的单位面积侧摩阻力 KPa Asi 第 i 层土中的桩侧面积 m2 Q 单位面积桩尖阻力 KPa Ap 桩尖毛面积 m2 2 粘性土中桩的单位面积侧摩阻力 f 和单位面积桩尖阻力 q 按下列选取 1 粘性土中桩的单位面积侧摩阻力 f 可按下式计算 f ac KPa 式中 a 系数 a 1 0 c 不排水抗剪强度 KPa 系数 a 可按下式计算 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 32 页 当时 0 1 5 05 0 a 当时 0 1 25 0 5 0 a 式中 0 pc p0 有效上复压力 KPa 2 粘性土中桩的单位面积桩尖阻力 q 取桩尖处土的不排水抗剪强度 c 的 9 倍 3 砂性土中的单位面积侧摩阻力 f 和单位面积桩尖阻力 q 按下列选取 1 砂性土中的单位面积侧摩阻力 f 可按下式计算 tgpkf 00 式中 k0 土层的侧压力系数 一般为 0 5 1 0 p0 有效上复压力 Kpa 桩土间摩擦角 度 2 砂性土中的单位面积桩尖阻力 q 可按下式计算 q Npq 0 式中 Nq 阻力系数 可参考表 5 7 1 选用 表表 5 7 1 砂土类型内摩擦角 桩土摩擦角 Nq 砂 35 30 40 粉质砂土 30 25 20 砂质粉土 25 20 12 粉土 20 15 8 注 此表值用于中密 密实的砂性土 3 计算砂性土中的单位面积侧摩阻力 f 和单位面积桩尖阻力 q 时 应考虑 土质及埋深等情况 并应符合下列条件 f 100KPa 及 q 10MPa 4 用静力公式确定桩的极限承载力时 尚应考虑桩和土塞的重量及浮力的影响 5 在分层土中 当与桩尖所处土层相邻近的土层是松土层时 则桩尖在所处土 层中的贯入深度应为 2 3 倍桩径 并且桩尖离该土层底线约 3 倍桩径 以防 桩尖刺入软土层 如果达不到上述距离要求 则对桩尖阻力应作修正 5 7 3 受拉桩的极限抗拔力计算 1 计算受拉桩的极限抗拔力时 一般假定桩尖阻力为零 且可考虑桩体有效重 量的影响 2 粘性土中抗拔桩的单位面积侧摩阻力 3 砂性土中抗拔桩的单位面积侧摩阻力小于受压桩的值 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 33 页 5 7 4 安全系数安全系数 1 桩基的容许承载力为极限承载力除以安全系数 所用安全系数应符合表 5 7 2 规定 表表 5 7 2 设计环境条件荷载情况安全系数 K 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最大 活荷载 工作环境条件 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最小 活荷载 2 0 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最大 活荷载 极端环境条件 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最小 活荷载 1 5 5 8 群桩效应群桩效应 5 8 1 一般要求一般要求 当桩间距小于 8 倍桩径时 应考虑群桩效应 5 8 2 对横向承载力的影响对横向承载力的影响 1 当群桩中的桩距小于 8 倍桩径时 横向荷载作用下的荷载 变形关系应考虑 群桩效应的影响 2 对于埋置于粘性土或无粘性土中的桩 在正常情况下 群桩的变形要大于单 桩承受群桩平均荷载时的变形 影响群桩变形和荷载分布的主要因素包括桩 的间距 桩的贯入深度与桩径之比 桩相对于土壤的柔性 群桩的尺寸以及 土壤的剪切强度 刚度模量等因素随深度的变化 5 8 3 对轴向承载力的影响对轴向承载力的影响 对于粘性土中的群桩 当桩距小于 8 倍桩径时 应考虑群桩效应对承载力 及变形特性的影响 在砂性土中 可不考虑群桩效应对承载力的影响 海上风电机组基础结构设计标准 初稿 第 34 页 6 钢材料钢材料 6 1 总则总则 本章主要介绍在海洋钢结构的设计和建造中钢材的选择和检验原则 6 2 设计温度设计温度 1 设计温度作为钢材等级选择依据的参考温度 设计温度应当根据最低日平均 温度确定 2 所有局部低温冷藏或其他低温环境降低工作温度的地方 应当考虑这些因素 对最小设计温度的影响 3 漂浮装置的设计温度不应超过不同结构部分定义的钢材最小工作温度 4 最低水线以上的外部结构应按照与装置运行处的最低日平均温度相同的工作 温度进行设计 5 对于不同结构构件 设计温度的详细规定将在结构标准中给出 6 最低水线以下的结构不需要按照 0 以下的工作温度进行设计 如果有足够 的依据可以表明最低平均温度适用于相应的实际水深 可采用较高的工作温 度 7 位长期供暖房间的内部结构不需要按照 0 以下的工作温度进行设计 8 对于固定装置 最低天文潮以上的结构材料应按照低于最低日平均温度的工 作温度进行设计 9 最低天文潮以下的结构材料不需要按照 0 以下的工作温度进行设计 如果 有足够的依据可以表明最低平均温度适用于相应的实际水深 可采用较高的 工作温度 6 3 结构分类结构分类 1 结构分类的目的 是确保有足够的材料强度和合适的检验方法来避免脆性断 裂 检验的目的也是消除在结构服役内中可能造成疲劳裂纹的缺陷 2