海上风机单桩基础疲劳影响因素分析

  [目的]  为提高评估海上风机单桩基础疲劳寿命准确性,重点探讨了影响海上风机单桩基础疲劳寿命计算的影响因子。  [方法]  首先利用简化梁单元模型与局部有限元模型模拟了某工程的单桩基础结构,其次结合波浪谱疲劳方法对单桩基础由波浪载荷造成的疲劳强度进行了评估,最后分别计算并讨论了传递函数、波浪理论和局部开孔的结构形式对风机基础疲劳损伤的影响。  [结果]  分析结果表明:传递函数和局部开孔的结构形式对钢管桩结构的疲劳强度影响显著。  [结论]  所提计算方法和分析结果是正确并有效的,可为实际应用提供指导。     

基于改进RBF代理模型的海上风机单桩基础优化设计北大核心CSCD

文章提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络结合粒子群算法(PSO)的海上风机单桩基础优化设计方法。该方法考虑局部冲刷的影响,提高了优化计算效率和结构安全性。首先,基于6.45 MW海上风机单桩基础工程实际问题,以泥面以下部分的桩径、壁厚和桩长为设计变量,采用拉丁超立方抽样法选取样本点;然后,建立考虑局部冲刷的单桩基础有限元模型并计算响应值,构建RBF代理模型,结合PSO算法进行全局寻优。寻优结果表明:考虑局部冲刷影响的海上风机单桩基础优化设计结果更趋于安全;适当增加桩径和壁厚比增加桩长更加经济;使用RBF代理模型能显著提高优化效率。     

海上风机单桩支撑结构灌浆连接性能分析

填充高强灌浆材料的连接段广泛应用在海上风电场单桩支撑结构上,但是该类结构往往会发生一些无法预测的灾变行为,如过渡段钢管与灌浆材料之间垂向滑移甚至水平张开。引起该现象的主要原因是灌浆连接段的设计几何尺寸以及材料强度并不符合当前海洋工程规范的适用范围,对灌浆连接段的力学行为理解不充分。文章采用有限元软件ANSYS分析了无剪力键单桩结构灌浆连接段组合结构的相互作用行为,灌浆材料与钢管之间的作用采用非线性接触模型,采用弹塑性和断裂力学模型模拟灌浆材料的非线性行为,最终给出合适的高强灌浆材料连接模拟方法,并分析其性能及失效机制。     

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。     

海上三桩风机基础简化及荷载响应对比分析

三桩基础(Tripile Foundation)是一种新型的海上风机支撑结构,广泛适用于地质相对复杂、水位较深的风场。文章理论分析了海上风机基础桩—土相互作用简化方法,运用ANSYS建立3维有限元模型,考虑不同种地基约束简化方法,对单机3 MW三桩基础在不同方向极限荷载作用下进行数值分析。结果表明:三根桩非平均承担结构荷载,不同方向荷载作用结构响应呈规律性变化,荷载为0°方向时结构位移最大,荷载为20~30°方向时结构应力最大。实际工程计算时,需运用不同简化模型进行对比校核,重点考虑基础单桩主受拉、单桩主受压及20~30°荷载方向。     

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...     

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。     

单桩海上风机灌浆连接的抗震性能研究

在地震作用下,灌浆连接段的稳定性直接关系到风机结构的安全。为了探讨灌浆连接的抗震性能,文章以5 MW单桩风机为研究对象,采用OpenSees和ANSYS软件分别建立风机结构及灌浆连接有限元模型;以最不利的地震动为输入,同时考虑风和波浪耦合作用分析灌浆连接的受力及反应。结果表明,地震动使风机灌浆连接处产生较大荷载作用,容易使灌浆层出现高拉应力,导致灌浆材料拉裂,致使灌浆连接失效;地震动强度较小时,风和波浪荷载对灌浆连接受力影响较大,随着地震动强度增大,风和波浪的影响逐渐减弱。风机灌浆连接的抗震设计,应重点分析灌浆层的震动破坏,并充分考虑风和波浪的荷载效应。     

海上风电单桩基础结构设计关键问题探讨

正从上个世纪90年代起,欧洲人已经开始着手海上风电的研究工作,截止2013年欧洲海上风电的装机容量已达6500MW,在技术上已经相对成熟。国内的海上风电起步较晚,目前仅建成一个真正意义上的海上风电项目上海东大桥海上风电场,经验积累及技术研究比较少。海上风电与陆上风电最大的不同在于基础的不同,基础成本约占整个海上风电场投资的25%,因此降低基础成本有利于提高整个风电场的经济性,推动海上风电的发展。     

海上风电大直径单桩自沉与溜桩分析

目的 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,降低施工风险,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分析。 方法 通过API推荐的桩基承载原理,利用现场沉桩数据,结合误差分析,将理论计算结果与实际沉桩数据进行比较,修正设计输入参数。 结果 分析结果表明：计算粘土的自沉与溜桩分析过程中,折减强度系数$ {S}_{\mathrm{r}} $的不同,对沉桩预测差异很大;同时,自沉过程与溜桩过程折减强度系数$ {S}_{\mathrm{r}} $的选取不同。 结论 通过对比分析,得到了广东沿海海域粘土强度折减系数$ {S}_{\mathrm{r}} $取值范围,可以为后面海上沉桩作业提供设计参考,此外,研究发现利用CPT数据能够更好地预测自沉和溜桩现象。     

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

目的  桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。 方法  采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。 结果  计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。 结论  根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。     

基于FAST的近海单桩风机地震响应分析

为研究近海单桩风机塔架地震动力响应特性,以FAST v7软件为基础自编程开发地震分析模块,形成风机地震动力学耦合仿真平台S-FAST,并采用ABAQUS和Seismic软件验证其有效性。基于扩充的S-FAST平台,计算NREL 5 MW近海单桩风机塔架在湍流风、非规则波浪和地震作用下的动力响应。结果表明：地震是塔顶振动的控制荷载,风浪荷载可有效抑制塔顶振动;塔基面内弯矩主要由地震荷载引起,风浪荷载主要影响塔基面外弯矩;风浪荷载引起的塔基面外弯矩占风、波浪和地震耦合作用工况的69%;风浪荷载和地震荷载之间存在非线性耦合关系,结构设计时应采用全耦合的方法进行结构响应计算。     

海上风电单桩基础地基加固技术研究

目的  在以“双碳”为目标的能源政策导向下,海上风力发电作为一种新型的能源技术,得到了广泛的应用,并且在中国迅速发展。单桩基础是海上风电中最经济、应用最广泛的基础。为解决单桩基础的变形及冲刷保护问题,提出了一种地基加固技术,并对该加固技术进行研究分析,给出加固方法的依据。 方法  针对桩基地基加固技术进行方法研究论证,通过针对加固技术路线及工艺研究,选取一种适合于海上施工的地基加固技术,并采用数值分析方法针对加固效果及加固影响范围进行详细分析。 结果  结果表明：在1.15倍荷载下,采用地基加固的单桩基础的水平承载力提升15%以上,通过地基加固可以适用于更大容量的机型。本分析案例中,当地基加固深度、水平范围都达到8 m时,加固深度方向范围的土体比加固平面方向范围的土体获得的收益更大。 结论  利用水泥土加固的技术方案经数值分析验证可靠,对单桩承载能力提升显著,且加固范围合理经济,可为后续海上风电实际工程单桩地基加固技术的应用提供借鉴。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

某近海风电场风机基础选型设计

目的  自2022年起,海上风电的国家补贴将全面退出。海上风电机组基础是风电机组的支撑结构,对海上风电场的安全运行起着至关重要的作用。在平价上网、“30·60”双碳目标和国家“十四五”能源规划等政策的指导下,合理地选择、设计海上风电机组基础,是海上风电场降本增效的有效手段。 方法  文章以某近海风电场风机基础选型设计为例,综合国内海上风电场的建设经验,进行基础型式比选;首先选择单桩基础、导管架基础和高桩承台基础3种基础型式进行初选,然后结合该近海风电场的海洋水文和地质条件,分析不同风机基础型式的适用水深及优缺点,从结构安全性、施工可行性、工期及工程经济性等方面进行了综合比选。 结果  研究表明：风机基础型式的选择与水深、土层地质条件、风电机组固有频率、施工安装设备能力、施工工期、工程造价等几个因素有关。单桩基础结构型式优良、施工可行、工期最短、经济性最优,优势明显。 结论  推荐该近海风电场风机基础采用单桩基础方案。     

海上风机导管架基础灌浆连接段受力分析

开展近海风电导管架基础的灌浆连接段受力分析,对于理解其传力机制与受理机理、保证海上风机支撑结构的安全性能、优化设计等方面具有重要的理论与现实意义。首先利用DNV规范对影响灌浆连接段性能的因素开展参数敏感性分析,再运用有限元软件对导管架基础的灌浆连接段进行模拟,该软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系。根据规范进行的参数敏感性分析,得出一些重要规律和结论,便于工程设计人员更好地理解先桩法导管架基础灌浆连接段的受力特点,选择合适的参数用于灌浆连接段设计,再依据数值模拟,确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。     

Seismic Centrifuge Modelling of Offshore Wind Turbine with Tripod Foundation

The development of offshore wind energy is fast as it is clean, safe and of high efficiency. The harsh marine environment raises high demand on the foundation design of offshore wind turbine. Earthquake loading is one of the most significant factors which should be considered in the design phase. In this paper, a group of earthquake centrifuge tests were conducted on a physical wind turbine model with tripod foundation. The seismic responses of both wind turbine model and foundation soil were analyzed in terms of the recorded accelerations, pore water pressures, lateral displacements and settlements. The results were also compared with those measured in the previous research on mono-pile foundation. It is demonstrated that the tripod foundation can provide better resistance in the lateral displacement and structural settlement under earthquake loading.     

海况条件对海上风力发电机组载荷的影响

文章针对海况条件对海上风力发电机组载荷的影响,以某5 MW海上机组为例,介绍海浪、海流和潮汐在载荷计算过程中采用的理论方法和支撑结构建模方法,对支撑结构和海浪能量分别进行模态分析和频谱分析,同时根据GL2005标准对极限载荷和疲劳载荷分不同情况分析,结果表明海况条件对海上机组的塔筒底部影响较大,对机组其他关键零部件影响很小,为大型海上机组关键零部件选取提供依据。