砂质海岸单桩基础的冲刷特征与防护措施试验研究

目的 海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上风电基础支撑结构,近年来,单桩结构成为海上风电机组的主要基础形式。单桩基础在海洋环境中的局部冲刷问题对风机结构的稳定性有重要影响。 方法 通过开展系列物模试验,对某建于砂质海床并采用大直径单桩基础的风电场工程的桩基局部冲刷特征进行了研究,分析了不同直径、水深、波浪以及水流等因素对局部冲刷深度和范围的影响,并研究了砂被和沙袋等措施的防护效果。 结果 研究结果表明,对于直径7.0 m和6.5 m两种桩基,冲刷最深处均在单桩迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的0.8~0.9倍。 结论 采用无搭接方式铺设砂被并且采用沙袋填充冲刷坑可对桩基结构周围底床形成很好的防护,可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

基于实测的海上风电基础局部冲刷及防护措施效果对比研究

海上风电单桩基础局部冲刷普遍存在,且极限冲刷深度是开展基础结构设计的重要参数。因此,针对海上风电单桩基础,基于江苏某海上风电场的冲刷实测数据,研究韩海骞公式、王汝凯公式、Qi&Gao公式冲刷计算值与实测值之间的关系;分析对比抛石、固化土及砂被3种冲刷防护措施的防护效果。结果表明：3种计算方法可较为准确预测单桩基础的局部冲刷深度;固化土、砂被、抛石对冲刷防护的效果呈递减趋势。     

海上风电场单桩基础局部冲刷深度计算方法适应性研究

针对在海上风电中应用最为广泛的单桩基础，基于山东、江苏、浙江等地海上风电场的冲刷实测数据，对海上风电场的冲刷深度分布情况进行讨论。同时，运用Qi&Gao公式、韩海骞公式、王汝凯公式对各风电场的理论冲刷深度进行计算，并分析计算结果与实测数据之间的关系，研究各冲刷计算方法的适应性。结果表明，上述3种计算方法可在一定程度上预测单桩基础的局部冲刷深度。     

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。     

海上升压站导管架基础的冲刷试验研究

[目的]海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上升压变电站,近年来,海上风电场升压站基础的主要形式为导管架结构。[方法]结合拟建于砂质海岸的某风电场工程,设计了不同比尺的导管架基础波流局部冲刷物理模型试验,分析了波浪、水流对局部冲刷深度的影响,研究了波流联合作用下桩基基础局部冲刷的范围、深度,以及砂被和沙袋的防护效果。[结果]研究结果表明:对于升压站导管架基础,冲刷最深处均在基础的迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的1.75倍。[结论]研究方法及有关结论可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

延河包西铁路大桥冲刷规律及其防护措施

研究包西铁路大桥冲刷规律及其防护措施,对于减少灾害,保护大桥安全意义重大。基于延河庙沟堤防工程的动床河工模型试验,观测了不同流量工况下包西铁路大桥的群桩基础局部冲刷情况,着重分析了局部冲刷成因。在此基础上,简化群桩基础模型,提出以四面六边透水框架群作为防护措施,并采用Fluent软件进行三维数值模拟,对比分析了有无防护措施两种情况下的流速分布特征。结果表明,四面六边透水框架群可大幅降低群桩基础前部及两侧行进流速,可达到减速落淤效果,该防护措施可行。     

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。     

海上风电场单桩基础结构冲刷实验研究

针对海上风电场单桩基础结构的冲刷问题进行物理模型试验研究,采用7个直径分别为0.025、0.050、0.075、0.100、0.400、0.700、1.000 m的模型,试验流速根据实验室条件分别取0.1、0.3、0.5和0.6 m/s。试验结果显示,桩的冲刷深度与桩径的关系呈二次抛物线型。冲刷深度与桩径的比值随桩径的增大呈二次抛物线衰减,无量纲冲刷深度随流速的增大也呈二次抛物线增大,与DNV规范的推荐计算方法吻合。冲刷坑的大小与冲刷深度的比值基本为常数,与现行规范的计算方法吻合。     

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。     

考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐质量阻尼器参数优化研究

将被动调谐质量阻尼器（TMD）应用于单桩基础海上风力机，以降低风、浪联合作用下风力机塔筒结构动力响应。利用等效桩长法模拟桩基础柔性，将该方法引入气动-水动-伺服-弹性-振动控制风力机仿真程序FAST-SC，建立能考虑桩基础柔性影响的固定式风力机-TMD耦合数值仿真模型。同时，选取固定式海上风力机支撑结构一阶弯曲模态为主模态，并将TMD简化为单自由度体系，基于拉格朗日方程建立简化的单桩海上风力机-TMD耦合模型。基于该简化模型，采用响应面法分别对刚性桩基础和柔性桩基础条件下的海上风力机的TMD参数进行优化。将优化的TMD参数代入所建立的能考虑桩基础柔性影响的海上风力机-TMD耦合数值模型中，对比不同风、浪作用下TMD对采用不同桩基础边界条件的海上风力机减振效果的差异。通过对比得出：不同桩基础边界使得单桩基础海上风力机结构频率不同，所得的最优TMD设计参数也不相同，优化设计后的TMD对风、浪联合作用下柔性桩基础海上风力机的减振效果明显优于刚性桩基础。     

一种新技术在海上风机基础冲刷防护的应用研究

  目的  随着我国海上风电开发的迅速发展,大直径单桩基础得到广泛应用,基础冲刷情况也日益严峻,选择合理适用的防冲刷方案对风电场长周期安全稳定运行、保证经济效益具有重要意义。  方法  通过某海上风电项目运行一年后大直径单管桩基础出现严重冲刷现象引出问题,对桩基础冲刷原理、目前国内外常规采取的防冲刷方案进行了概述,对某海上风电项目采用淤泥固化方案进行桩基础防冲刷试验的原理、参数、方案、工程实施进行了详述。  结果  通过对试验桩位长达两年的多次扫测、潜水员下水探摸,基本确定淤泥固化土层与桩身结合紧密、覆盖完整、试验效果良好。  结论  淤泥固化这种新型材料在海上风电基础的防冲刷应用具有一定的借鉴、推广意义。     

圆柱桥墩清水局部冲刷透水三杆架体防护特性试验研究

鉴于透水三杆架体在护岸工程应用中表现出的较好防护效果,通过变坡水槽试验研究了圆柱桥墩采用透水三杆架体防护后行近流速、行近水深、布设密度、冲刷历时等特征因素对防护效果的影响,并分析了透水三杆架体的防护特性及最优设计防护范围。结果表明,布设密度相同时桥墩前最大冲深随流速和水深的增加而增大,水流条件不变时增加布设密度能有效缩减桥墩周围最大冲深;透水三杆架体杆件体积率大于0.229后水流条件和布设密度的变化均不能影响防护效果;透水三杆架体能有效减缓冲刷进程,冲刷历时最大可增至无防护时的3.28倍;最优设计防护范围可在不同布设密度时透水架体防护下的最大冲刷范围和2.8倍墩径之间选取。     

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。     

异常地质条件下嵌岩单桩桩芯砼加强方案研究

选取福建近海岩基海床某海上风电场大直径单桩基础应用实例,结合单桩基础实际施工过程中因地质条件出现异常而导致单桩基础入岩深度降低、难以钻孔至设计桩端高程等问题,提出在单桩基础结构内部灌注桩芯砼的加强方案,并对方案在实际工程中应用的可行性进行分析,为大直径单桩在岩质海床实际应用提供切实可行的解决方案。     

海上风机单桩基础桩形影响因素分析

  [目的]  随着大直径单桩基础建造与施工能力的日益进步，单桩基础型式的应用正向更大水深发展，需要研究深水海域单桩基础不同桩形的优缺点，为同类工程提供参考。  [方法]  按高中低三种锥段位置，对广东阳江某海上风电场的单桩基础机位参数进行分组统计，分析其中的桩形选用规律。  [结果]  分析表明:高锥段大桩径设计会导致风机疲劳荷载偏高，机位浅层土中砂土和黏土的比例及具体力学指标决定了最佳桩形的锥段位置。  [结论]  通过对比研究:发现降低锥段是降低大桩径机位疲劳荷载的最佳方法，砂土含量高且内摩擦角较大的机位可通过提高锥段减小桩径，而黏土含量高地质偏软的机位则适用较低锥段的桩形。提出用单桩最优解的泥面刚度矩阵行列式大小来衡量机位的地基刚度水平，并分析了地基刚度水平与基础钢料量的关系。     

冲刷作用下砂土地层中桩的侧向力学性质分析

  [目的]  冲刷是在水流以及波浪作用下土体流失的一个过程,它通常发生在桥梁、港口码头、以及海岸平台等结构的基础周围,造成基础的承载力下降,危及上部结构的安全。目前在分析桩的侧向力学行为时,只考虑了冲刷深度对桩的侧向承载力的影响,而忽略了冲刷形成的冲刷孔的影响。事实上,冲刷孔的几何形状不仅包括冲刷深度、还包括了冲刷孔的宽度以及冲刷孔的坡度。目前,工程设计中广泛采用的侧向桩分析方法,即p-y曲线方法无法考虑冲刷孔三维几何形状对桩的侧向力学性质的影响。  [方法]  针对这个问题,文章提出了一种修正的p-y曲线方法以用于分析砂土地层中桩在冲刷作用下的侧向力学响应。  [结果]  该方法改进了基于锲形体破坏模型的Reese p-y曲线法,从而能考虑冲刷孔三维几何形状的影响。将计算得到的结果与三维有限差分数值分析的结果进行了比较,验证该修正方法的可靠性。  [结论]  计算结果表明:在冲刷孔的几何形状参数里,冲刷深度对桩的侧向力学性质的影响最大,其次是冲刷孔的宽度与坡度。忽略冲刷孔几何形状的影响,桩在地面位置的侧向位移会增加49%～68%。     

海上风机单桩基础选型设计方法

海上风电资源的开发为中国可再生能源的发展提供了巨大的潜能。寻求一种经济和技术方面的最优解决方案,对基础设计和建造工艺提出了很高的要求。超大直径单桩基础具有显著优势,正被越来越多地应用于海上风电大容量机组。整机固有频率、基础水平变形以及大直径桩的可打入性等多个因素决定着单桩基础的可用性,因此,能够快速判别风电场址对于单桩基础的可用性就显得非常重要。基于广东省多个海上风电场设计实践和经验,归纳了海上风机单桩基础设计的流程和要点,可为海上风电机组桩基设计提供参考。     

医用氧舱（低压容器）舱体圆柱壳上矩形大开孔加强结构研究

分析了医用氧舱圆柱壳体上超规范矩形大开孔的几种加强估算，探讨了开孔处结构加强一文所采用的理论估算方法和结构加强型式，经液压试验校核和应变测量结果分析，证明这种型式能保持壳体安全可靠，并且已用于实际工程中。     

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。