10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

[目的]世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。[方法]拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。[结果]结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。[结论]所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

海上风电基础修正p-y曲线模型研究

单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。     

海上大直径单桩基础沉桩施工关键技术研究

[目的]随着我国海上风电开发的迅速发展,近海风电场常采用无过渡段大直径钢管桩结构作为风机基础,该基础形式的应用避免了有过渡段单桩的不利因素,但主要难点在于施工装备要求高、单桩垂直度控制难度大.[方法]文章以采用了大直径单桩基础的广东某海上风电工程项目为例,重点阐述了海上风电大直径无过渡段风机单桩基础沉桩的施工方法和要点...     

基于实测数据的海上风电大直径桩p-y 曲线研究

对砂土的小直径桩实测p-y(水平抗力-水平位移)曲线进行分析计算。分析桩土参数对实测p-y曲线的影响,并选用合理的标准化参数对各p-y曲线进行归一化,选用双曲线拟合归一化曲线。分析目前土体极限抗力的研究成果,选取合理的双曲线模型参数。由双曲线模型推得大直径(4~6 m)单桩的实测p-y曲线,通过软件ABAQUS和SACS对实例进行对比分析,证明双曲线模型以及参数选取的有效性及适用性。由双曲线模型得到的大直径p-y曲线形式简单,同时计算过程较简化。通过参数的选取,可充分考虑桩径和施工效应等因素的影响,普适性较好,可广泛用于工程中水平受载海上风电基础大直径桩的p-y曲线分析。     

长期循环荷载作用时单桩式海上风力机结构自振频率的影响规律研究

基于FLAC^3D有限差分计算平台,建立风力机结构自振频率数值计算模型,并与工程监测的自振频率数据进行对比验证模型的有效性;然后通过嵌入土体刚度衰减模型（DSM）,考虑长期循环荷载对地基刚度的影响;探讨不同大小的循环荷载、不同的循环加载次数对海上风力机结构体系自振频率的影响规律,提出自振频率衰减公式;最后结合既有的风力机结构体系自振频率简化计算方法,建立单桩式海上风力机长期自振频率简化评价方法。结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风力机结构体系自振频率较小;风力机结构体系的设计自振频率应偏移3P,以保证海上风力机的长期运营安全。     

福建某海上风电场项目大直径单桩打入性分析研究

近几年随着国内海上风电建设大军的不断摸索与尝试,大直径的钢管单桩基础结构在海上风电项目中的应用越来越多。由于福建特有的地质情况,大直径单桩沉桩可行性分析被重点关注。精确的可打入性分析可直接判断大直径基础的可行性,可为桩锤选型提供参考,还可为沉桩施工控制给予明确的风险指标,大直径单桩的打入性分析已成为单桩设计必不可少的环节。通过已有试桩工程沉桩数据拟合出打入性分析的主要影响参数,再通过得到的分析参数进行大直径单桩打入性分析,总结打入性分析过程及要点,为单桩沉桩分析提供重要的参考依据,对其他海上风电沉桩施工分析有一定的指导意义。     

近海风电基础桩土作用3D有限元模拟

针对近海风电桩基础型式,采用接触单元法、表面效应单元法分别构建了桩和土的3D全实体、桩体3D实体有限元模型,以典型海上风电基础桩土作用分析算例,实现了两种模型的有限元计算.计算结果表明,表面效应单元法比接触单元法计算速率高但精度略差,比常规的m法计算精度高,为实际海上风电基础桩土作用的有限元计算分析提供了参考.     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

一种可以描述桩端位移累积的新型Q-z模型

海上风电属变形敏感结构,而导管架基础海上风电结构在服役期内下部桩基础会承受较大竖向循环荷载。在竖向受荷桩基的分析与计算中,采用ABAQUS分析桩端影响区域,依据动三轴实验中砂土的应变累积特性,提出一种新型Q-z模型。与传统Q-z模型比较,该模型能通过不同参数取值,模拟在轴向循环荷载下桩端的位移累积。结合有限元软件COMSOL进行二次开发,模拟单桩轴向循环加载工况,与离心机实验进行对比,验证了该Q-z模型的合理性。在数值计算中分别采用美国石油学会（API）规范系列桩土相互作用模型（p-y）、可考虑桩-土界面强度和刚度循环弱化效应的弹塑性t-z模型,可描述桩端位移累积的新型Q-z模型,分析海上升压站在循环荷载下的响应规律,为海上升压站设计提供相应的建议。     

破碎波作用下单桩式海上风机水动力学数值分析

  目的  我国南汇、东海、大丰等海上风电场的设计波浪十分接近波浪破碎极限,需要探究浅水水域单桩式海上风机基础受破碎波载荷的动力响应。  方法  利用FAST耦合分析软件,考虑使用波浪拉伸的方式计算波浪力载荷,对单桩式风机在东海海况下的耦合动力响应特性进行分析。  结果  分析结果表明:使用波浪拉伸方式计算破碎波载荷更加接近实际海上风机所受到的载荷,且明显高于不使用拉伸方式计算的破碎波载荷。破碎波更容易激发塔筒的一阶固有频率,风浪联合作用下风机结构动力响应更加显著。  结论  研究成果为我国浅水非线性波浪区域单桩式海上风电的开发提供了一定的参考。     

大直径植入式单桩在海上风电中的创新型应用

以中国首个岩基海床海上风电工程为依托,针对覆盖层较浅、无法稳桩施工的难题,设计植入式嵌岩桩基施工方案,对嵌岩施工所用整体式平台进行介绍,提出大型嵌岩钻机海上钻孔工艺,论述大直径单桩沉桩及水下灌浆的具体方法,可解决岩基海床地质条件风电开发单桩基础应用的难题,可为中国近海风电规模化开发提供借鉴。     

海上风电大直径钢管桩水平受荷工况试验研究

海上风电大直径管桩在服役期间常遭受水平冲击荷载工况。现行API规范不符合大直径管桩水平冲击荷载工况,其p-y曲线需要复核。为保证结果的可靠性,依托福建平潭某海上风电建设项目,开展海上大直径钢管桩现场水平加载试验,对桩基础在复杂地层条件下受水平荷载的工况进行了p-y曲线分析,研究结果可为水平受荷工况大直径钢管桩的设计和施工提供参考。     

桩土相互作用模拟方法对海上风机整体结构模态分析的影响

鉴于海上风机整体结构自身的频率较低使基础设计往往受其整体频率的控制,以江苏省海上某风电场工程为例,选取m法、p-y曲线法及DP模型实体有限元方法3种桩土相互作用模拟方法,分析了不同方法对海上风机整体结构模态分析产生的影响。结果表明,3种方法计算的频率相差较小,结果可靠。     

一种考虑海上风电支撑结构非零初始条件的动力响应计算方法

提出一种能够考虑海上风电支撑结构非零初始条件的动力响应计算方法。该方法创新之处在于将波浪等环境荷载用一系列极值及留数替代,从而可在Laplace域与非零初始条件影响项进行合并。分别采用海上风电单桩式和导管架式支撑结构进行验证。结果表明:除起始短暂时刻外,所提出新方法与传统时域方法计算结果基本一致。     

新型重力式海上风力机基础结构动力特性分析

提出一种新型海上风力机重力式基础结构形式,介绍其构造与特点。以5 MW风力机为例建立该新型基础及上部结构的整体有限元模型,进行自振特性与地震响应分析,并重点讨论环境水体对结构动力特性的影响。结果表明:1)该新型结构,塔筒柔而基础刚,形成"二元"刚度体系;2)考虑环境水体作用的结构自振频率较未考虑水体作用时小,且振型中的水体淹没部位参与越多,自振频率的减小越显著;3)因水体"附加质量"效应,水下结构地震反应增强,水上结构则不然,其反应略微减小。建议进行重力式海上风力机基础的抗震设计时,应考虑环境水体影响,否则计算偏于危险。     

海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法

  目的  国内海上风电项目的业主在招主机标时,对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量提出要求,在招设计标时很少对设计院提供的基础质量提出要求;详细设计阶段时风机厂商和设计院分别对塔架和基础进行设计,因此通常难以得到塔架和基础总质量最小的全局最优设计。  方法  提出了海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法,通过对某海上风电项目进行试验设计得到多个不同塔架构型、塔底和单桩直径的设计方案,并通过载荷计算、塔架和单桩设计迭代优化得到相应的基础顶载荷、塔架质量和单桩质量等结果。  结果  研究表明:基础顶载荷或塔架质量最小的方案不是塔架和单桩总质量最小的方案。通过试验设计方法可以给出单桩和塔架总质量最小的最优设计。  结论  研究成果表明,在设计中采用一体化试验设计方法寻找塔架和单桩总质量最小的全局最优设计是降低海上风电度电成本的有效方法。业主将制定塔架和基础总造价最小的招标规则,要求采用一体化试验设计方案找到全局最优设计。     

海上风电大直径单桩自沉深度分析

  [目的]  大直径单桩是海上风电最常用的基础形式之一,为了能够更加准确、快捷地预测海上大直径单桩的自沉深度,提前预警可能存在的施工安装风险,分别采用了基于设计参数的方法和基于CPT原位测试的方法进行分析计算并根据现场实际施工数据进行初步反分析。  [方法]  主要分析了基于桩基承载原理结合设计参数的计算方法、DNV推荐工法中的CPT经验公式以及形式更加简单的直接CPT方法。并讨论了计算结果与实际深度之间的关系,分析了计算结果与实际深度差异的原因。  [结果]  分析结果表明:基于设计参数的方法其理论架构更加清晰,但分析结果受参数取值的人为因素影响较大,而基于CPT方法其数据更加客观,但部分关键参数的取值仍然依靠现场经验。  [结论]  因此没有一种方法可以在任何条件下都能够准确预测单桩基础的自沉量,因为地层的水平变化、单桩下沉速度、施工步骤等都会对单桩自沉有影响。为了能够准确评估单桩自沉,保证顺利施工,实际项目中需采用多个方法综合对比,最终确定适合项目的施工方案。     

基于柔性基础模型的海上风电机组支撑结构优化

相比陆上风电机组,海上风电机组支撑结构长期处于风载荷与海浪载荷作用,在设计时还需考虑土壤与基础的相互作用。以某5 MW单桩式海上风电机组支撑结构为模型,考虑基础柔性对机组载荷的影响,应用耦合弹簧模型建立基础模型,计算极限设计载荷,结合有限元模型计算基础部分设计载荷,采用粒子群优化算法,在满足多约束条件下,最小化支撑结构重量。结果表明:考虑基础柔性条件下,应用粒子群优化算法优化支撑结构,在满足各项约束条件的前提下,总体重量降低7.41%。