曹春潼

（江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，江蘇南通 226007）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，各種不同形式的支撐結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于海上風(fēng)電機(jī)組的下部基礎(chǔ)上[1]。根據(jù)目前的項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，單樁基礎(chǔ)被認(rèn)為是近海風(fēng)電機(jī)組眾多支撐結(jié)構(gòu)型式中非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種。單樁支撐結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、用鋼量較少，其可將風(fēng)電機(jī)組載荷和環(huán)境載荷直接通過(guò)鋼管樁傳遞到土壤基礎(chǔ)中，使載荷傳遞更加明確，且避免了多根桿件連接造成的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和疲勞問(wèn)題。此外，隨著海上打樁技術(shù)的發(fā)展，取消過(guò)渡段的直接海上打樁安裝方式縮短了單樁支撐結(jié)構(gòu)形式風(fēng)機(jī)的海上安裝工期。這些優(yōu)勢(shì)都體現(xiàn)出了單樁支撐結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

但是，隨著海上風(fēng)場(chǎng)向更深的水域拓展，同時(shí)上部風(fēng)力發(fā)電機(jī)的規(guī)模越來(lái)越大，這些都給單樁支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很多困難和挑戰(zhàn)。單樁支撐結(jié)構(gòu)冗余度較多樁承臺(tái)和三腳架結(jié)構(gòu)要差，而且結(jié)構(gòu)剛度更易落在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的1P和3P頻率之間，也就是引起支撐結(jié)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組的共振頻率。此外，單樁支撐結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)多采用大直徑鋼管樁，使用目前的工程做法，樁土相互作用存在較大誤差[2]。因此，有必要對(duì)單樁支撐結(jié)構(gòu)樁基型式的設(shè)計(jì)和分析方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以應(yīng)對(duì)單樁支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于更深水域及上部風(fēng)電機(jī)組更重的場(chǎng)合

本文以某海上4 MW風(fēng)電機(jī)組的單樁支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，探討了單樁支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析方法。

1 單樁支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

單樁基礎(chǔ)由焊接鋼管組成，樁與塔筒之間的連接可以是焊接法蘭連接，也可以是套管法蘭連接[1]。在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)支撐結(jié)構(gòu)可能遭受的各種載荷工況進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、動(dòng)力特性分析、連接疲勞強(qiáng)度分析和地震極限強(qiáng)度分析等，需要對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基承載力分析和樁強(qiáng)度分析等。

1.1 載荷分析

風(fēng)電機(jī)組載荷是支撐結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)承受的最主要的載荷，這是海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同其他海上固定結(jié)構(gòu)物（如導(dǎo)管架平臺(tái)）的最主要區(qū)別之一。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于海洋工程領(lǐng)域，而風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算屬于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，應(yīng)由專業(yè)軟件（如GH Bladed）計(jì)算。海洋結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)心的只是支撐結(jié)構(gòu)塔筒頂部截面或者塔筒底部基準(zhǔn)法蘭面的載荷，這些數(shù)據(jù)一般由海上風(fēng)機(jī)制造商提供。廠商則會(huì)參照所選取的規(guī)范，計(jì)算一些工況下的極限載荷，其中包括極端工況、正常運(yùn)行工況、疲勞工況和地震工況。有關(guān)文獻(xiàn)的研究分析表明[3]：疲勞工況是海上三腳架形式的風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況。單樁風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)載荷傳遞的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)期明顯較小，但仍需得到足夠的重視。疲勞載荷包括風(fēng)電機(jī)組在役期間的循環(huán)載荷和海洋環(huán)境（主要是波浪）作用在單樁支撐結(jié)構(gòu)上的循環(huán)載荷。

由于海上風(fēng)電機(jī)組處于海洋環(huán)境中，會(huì)受到風(fēng)、波浪、海流載荷，海洋環(huán)境載荷可以按照海洋工程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算[2]。在分析海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（尤其是極限狀態(tài)強(qiáng)度）時(shí)，載荷組合是一個(gè)非常重要的考慮因素。一些規(guī)范給出了極限狀態(tài)下載荷組合原則，如IEC61400-3、DNV-OS-J101 Sec.4 F700[4]等。

1.2 動(dòng)力特性分析

海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)塔筒細(xì)長(zhǎng)、高聳，且風(fēng)電機(jī)組處于塔筒頂部。單樁結(jié)構(gòu)剛度較小、柔性較大，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)整體剛度小，其自振周期和動(dòng)態(tài)位移都會(huì)顯著增大。如此，一來(lái)易與波浪某些頻率發(fā)生共振，動(dòng)力放大效應(yīng)明顯，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大；二來(lái)動(dòng)態(tài)位移明顯增大，不能滿足風(fēng)電機(jī)組的工作限制要求。因此，動(dòng)力特性分析是海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要分析內(nèi)容[3]。雖然塔筒設(shè)計(jì)也是影響動(dòng)力特性的重要因素，但由于其一般由風(fēng)機(jī)制造商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，因而不在本文研究范圍內(nèi)。

1.2.1 樁土約束對(duì)動(dòng)力特性的影響

大量的工程實(shí)踐和研究表明：海底土層對(duì)樁約束會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的動(dòng)力特性產(chǎn)生非常大的影響。

在分析單樁支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性時(shí)，樁-土系統(tǒng)一般被模擬為梁-彈簧系統(tǒng)。海底土層中的單樁基礎(chǔ)使用各向同性的梁理論處理，而土壤剛度則使用帶有剛度的彈簧模擬[5]。其中，分析側(cè)向剛度彈簧對(duì)動(dòng)力特性的影響最為重要。對(duì)于側(cè)向剛度的計(jì)算，業(yè)界最常用的做法是使用海上結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范API RP 2A-WSD[6]中的p-y方法，這種方法一般用于0.6 m～2.0 m直徑的細(xì)長(zhǎng)入泥樁，而單樁風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的樁直徑一般在4.0 m到6.0 m之間，對(duì)此，歐洲一些研究人員做了很多研究，如Jens Wiemann[7]利用彎曲微分方程方法研究了樁徑對(duì)土壤-樁剛度的影響，K. Lesny[8]研究了大直徑單樁在側(cè)向載荷作用下的表現(xiàn)[2]。

1.2.2 沖刷對(duì)動(dòng)力特性影響

海上風(fēng)電場(chǎng)的樁基位于海岸附近，潮汐變化及海流導(dǎo)致樁基土層時(shí)而高于水面，時(shí)而低于水面。這種海水的循環(huán)波動(dòng)會(huì)在樁基附近造成較大的侵蝕作用，導(dǎo)致樁基附近的土壤被沖刷，從而影響地基軸向承載力和表層土壤的側(cè)向承載能力，進(jìn)而影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性。

設(shè)計(jì)階段，可行的做法是假設(shè)一定的沖涮深度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多這方面的研究，許多規(guī)范中也對(duì)沖涮深度給出了建議值，該深度一般被假定為 1.3倍到2.5倍的樁基礎(chǔ)直徑。

本文根據(jù)目標(biāo)工程單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，假定了不同沖刷深度，采用將樁基附近的表層土壤剛度移除的辦法來(lái)模擬樁基附近土壤的沖刷效應(yīng)，從而研究該深度對(duì)整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性（自振周期）的影響。

1.3 疲勞極限狀態(tài)

疲勞工況是海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的工況，其往往是是支撐結(jié)構(gòu)的控制工況，因此在設(shè)計(jì)中必須加以重視。

在進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞分析時(shí)，不能只考慮波浪載荷的作用，還必須考慮風(fēng)機(jī)機(jī)組荷載對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響，這就要求把風(fēng)機(jī)機(jī)組、葉片和支撐結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體來(lái)計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)和疲勞損傷。然而，想要建立風(fēng)機(jī)機(jī)組、葉片和支撐結(jié)構(gòu)的整體模型是不現(xiàn)實(shí)的，一是因?yàn)樯虡I(yè)保密問(wèn)題，二是因?yàn)檎w時(shí)域分析的計(jì)算工作量巨大，對(duì)于設(shè)計(jì)階段的定型和修改來(lái)說(shuō)都不現(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)在普遍的做法是提取上部發(fā)電機(jī)組的循環(huán)載荷，在支撐結(jié)構(gòu)分析中加以考慮。實(shí)際工程中，可建立合適的專業(yè)數(shù)據(jù)接口，并采用合理的計(jì)算方法對(duì)風(fēng)機(jī)疲勞載荷和波浪疲勞載荷進(jìn)行耦合。

風(fēng)電機(jī)組的巨大葉片會(huì)在與風(fēng)的相互作用過(guò)程中產(chǎn)生很大的阻尼，即氣動(dòng)阻尼。在發(fā)電工況下，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組連同葉片向前擺動(dòng)時(shí)（逆風(fēng)向），葉與空氣的相對(duì)風(fēng)速增加，增大了塔頂載荷，從而減小了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組連同葉片向后擺動(dòng)時(shí)，情況正好相反，塔頂?shù)妮d荷減小，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)同樣也會(huì)減少。可以看出：氣動(dòng)阻尼只對(duì)由塔頂載荷引起的結(jié)構(gòu)的整體擺動(dòng)有影響。目前的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析采用的是模態(tài)疊加法，所以在計(jì)算中應(yīng)考慮氣動(dòng)阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)整體擺動(dòng)模態(tài)的影響。

單樁支撐結(jié)構(gòu)具有柔性大的特點(diǎn)，在計(jì)算循環(huán)載荷效應(yīng)即循環(huán)應(yīng)力幅時(shí)，由于支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)顯著，所以應(yīng)將應(yīng)力幅值納入考慮范圍之內(nèi)。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

本文以某風(fēng)電場(chǎng)單樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。該單樁支撐結(jié)構(gòu)使用長(zhǎng)57 m的圓筒形結(jié)構(gòu)，其材料為屈服強(qiáng)度為355 MPa的鋼；樁基頂部直徑5 m；樁基入泥深度46 m；風(fēng)電機(jī)組為4 MW機(jī)型；風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址最大水深5.6 m；下部土壤以砂土質(zhì)為主。

2.2 風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)系統(tǒng)建模

本文使用 ABAQUS有限元軟件對(duì)風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)系統(tǒng)撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。單樁風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模型一般需要考慮3個(gè)方面：1）風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量模型；2）支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型；3）下部樁基礎(chǔ)及其周圍土壤的約束和相互作用模型。

在單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，樁-土壤相互作用模型對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析影響最為顯著。分析計(jì)算地基的承載力和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的詳細(xì)動(dòng)力特性時(shí)，需要考慮計(jì)算效率和工程計(jì)算能夠接受的精度等因素，因此，本次設(shè)計(jì)分析使用了3種樁-土壤模型：1）將樁基周圍的土體建立實(shí)體模型，以建立土體對(duì)樁基的約束；2）將土體約束簡(jiǎn)化為非線性彈簧；3）加入上部塔筒和風(fēng)機(jī)的等效彈簧約束模型，以計(jì)算自振頻率。

風(fēng)機(jī)、塔筒及樁基的坐標(biāo)系示意圖及有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 風(fēng)機(jī)、塔筒及樁基坐標(biāo)系關(guān)系示意圖

圖2 風(fēng)機(jī)、塔筒及樁基有限元模型

2.3 最終極限狀態(tài)分析

最終極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)的最大承載抗力。針對(duì)單樁支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的失效模式，需要分析校核支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性、樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載力以及支撐結(jié)構(gòu)位移。最終極限狀態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 最終極限狀態(tài)分析結(jié)果表

2.4 風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析

本文共進(jìn)行了 3種不同約束情況的模態(tài)分析，如圖3所示，圖3a）為只有塔筒及風(fēng)機(jī)部分的模型，在塔筒底部設(shè)置固定約束；圖3b）為添加樁基之后，只做底部約束；圖3c）為將土壤約束簡(jiǎn)化為非線性彈簧約束。

圖3 不同約束的模型示意圖

經(jīng)計(jì)算，圖3中3種約束前10階自振頻率如表2所示。

從表2可以看出：約束a）的頻率最大，約束c）其次，約束b）的頻率最小。這是因?yàn)榧s束a）可以等效為以下情況：在塔筒與樁基相連接的模型中，將樁基部分全部做固定約束。所以，在同等長(zhǎng)度的模型下，a）的約束最強(qiáng)，因此頻率最大；約束 b）如同在樁基除底端部分外其余全無(wú)約束，因此約束最弱，頻率最??；約束c）在樁基海床面以下用非線性彈簧約束，其約束力介于固定約束和無(wú)約束之間，因此其頻率也處于兩者之間。

表2 樁基各約束情況下前10階自振頻率（Hz）

使用假定沖刷深度的方式來(lái)計(jì)算沖刷效應(yīng)對(duì)自振頻率和陣型的影響。將樁基附近的表層土壤移除來(lái)模擬樁基附近土壤的沖刷效應(yīng)。在本算例中，分別模擬沖刷深度為0.5倍樁身直徑、1倍直徑及1.5倍直徑。前10階自振頻率如表3所示。

從表 3可以看出：法蘭面固定約束為最強(qiáng)約束，其值為自振頻率的上限值；僅樁端固定約束為最弱約束，其值為自振頻率的下限值；其余以非線性彈簧約束的模型其自振頻率均在這二者之間；隨著沖刷深度增加，土壤對(duì)樁基的約束作用逐漸變?nèi)?，因此風(fēng)機(jī)的自振頻率逐漸減小。

2.5 疲勞極限狀態(tài)

算例單獨(dú)計(jì)算波浪、風(fēng)作用在支撐結(jié)構(gòu)上的循環(huán)載荷損傷及風(fēng)電機(jī)組循環(huán)載荷疲勞損傷，之后線性疊加疲勞損傷，計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)總損傷。風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)商根據(jù) IEC61400-3[8]規(guī)定的工況統(tǒng)計(jì)出壽命期內(nèi)（一般為20年）風(fēng)電機(jī)組應(yīng)力幅值和相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，并給出塔筒頂部截面或者支撐結(jié)構(gòu)法蘭面處的應(yīng)力幅值和相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者根據(jù)該數(shù)據(jù)選用適當(dāng)?shù)?S-N曲線，計(jì)算出單樁結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，如變截面的累積疲勞損傷。

本算例中計(jì)算的4 MW風(fēng)電機(jī)組疲勞累積損傷見(jiàn)表4。

表3 樁基各沖刷深度下前10階自振頻率對(duì)比表（Hz）

表4 樁基ZK02疲勞壽命

波浪對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成的疲勞損傷采用譜分析方法，某一波浪海況下的熱點(diǎn)應(yīng)力頻率傳遞函數(shù)和響應(yīng)譜如圖4所示。

圖4 波浪頻率傳遞函數(shù)及響應(yīng)譜

計(jì)算得到單樁支撐結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，選取風(fēng)電機(jī)組造成疲勞損傷最大的支撐結(jié)構(gòu)變截面處焊縫，計(jì)算波浪載荷累積疲勞損傷為0.06。

從上述結(jié)果可以看出：對(duì)于近海地區(qū)水深較淺的單樁風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)而言，波浪作用在結(jié)構(gòu)上的循環(huán)載荷造成的疲勞損傷遠(yuǎn)小于由上部風(fēng)電機(jī)組循環(huán)載荷造成的損傷，風(fēng)電機(jī)組循環(huán)載荷造成的損傷是結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因。

3 結(jié)論與展望

本文在總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電機(jī)組單樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外規(guī)范推薦做法的基礎(chǔ)上，結(jié)合單樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的遇到的典型問(wèn)題，論述了單樁支撐結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

1）單樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在前期應(yīng)該對(duì)場(chǎng)址土壤條件進(jìn)行盡可能詳細(xì)的勘查，減少土壤地質(zhì)條件采樣不確定性對(duì)設(shè)計(jì)的不利影響。

2）在前期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)土壤剛度敏感性進(jìn)行分析，以便設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸（直徑、壁厚）等參數(shù)，并調(diào)整入泥深度，以達(dá)到既能避開(kāi)風(fēng)電機(jī)組激勵(lì)頻率，又能使支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3）對(duì)于近海地區(qū)水深較淺的單樁風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)電機(jī)組循環(huán)載荷造成的損傷是結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因。但是隨著應(yīng)用水深的增加及波浪海況條件的提高，波浪循環(huán)載荷造成的疲勞載荷有可能顯著增加，并且結(jié)構(gòu)對(duì)波浪循環(huán)載荷的動(dòng)力效應(yīng)也會(huì)變得顯著。

4）隨著未來(lái)單樁支撐結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用水深的不斷增加，應(yīng)確保風(fēng)電機(jī)組循環(huán)載荷統(tǒng)計(jì)方法的合理性，并注意循環(huán)載荷幅值計(jì)算時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大效應(yīng)。

5）文章在計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)疲勞循環(huán)載荷時(shí)，采用了單獨(dú)計(jì)算不同種類（風(fēng)電機(jī)組、波浪）載荷疲勞損傷，而后進(jìn)行線性累積的方式，對(duì)波浪循環(huán)載荷在疲勞損傷中占比非常小的項(xiàng)目有適用性。但是隨著應(yīng)用水深的增加及波浪海況條件的提高，波浪載荷同上部風(fēng)電機(jī)組載荷共同作用的問(wèn)題將會(huì)變得越來(lái)越顯著，還需要在今后的研究工作中繼續(xù)研究其聯(lián)合概率分布、疲勞載荷聯(lián)合方法及耦合方式。