一种海上风机桩基础设计方法及应用

摘要

本发明公开了一种海上风机桩基础设计方法，按照海上风机基础设计规范及海上固定平台设计规范，基于海洋工程设计分析软件SACS进行设计计算分析，所述设计计算分析包括基本分析、模态分析、地震分析、冰载荷分析、吊装分析、运输分析及安装分析，所述方法全面考虑了海上风机所处的实际环境条件，分析精确，结果可靠，设计效率高；同时，该设计方法还考虑了海上风机基础设计、吊装、运输及安装的各个环节，具有系统性、全面性的优点；本发明的上述方法还可以应用在潮间带风机桩基础设计中。

说明书

技术领域

本发明涉及潮间带及海上风机桩基础设计技术领域，具体地，涉及一 种海上风机桩基础设计方法，该设计方法也可应用到潮间带风机桩基础设 计中。

背景技术

海上风力资源丰富。通常离岸10km的海上风速要比沿岸陆上高出25 ％，深海区域的风力资源比近海区域更为丰富。据统计，美国海域在水深 60～900m处的海上风力资源达到1533GW，而近海0～30m的水域只有430 GW。据国家发展和改革委员会能源研究所等机构的研究，中国近海10m、 20m和30m水深以内的海域风能资源分别约为1×10⁸kW、3×10⁸kW和4.9 ×10⁸kW。按比例计算，深海60～900m处的海上风能资源将约有17.4× 10⁸KW。海上风力发电发展前景广阔。

海上风机基础有重力式、桩式及浮动式等几种基础型式。桩基础是目 前应用最多的一种基础型式，适用于潮间带以及100米以下水深海域，有 单桩、多桩之分，基础结构包括打入海底土壤的钢桩和上部支撑结构两部 分。

海上风机基础与陆上风机基础不同，除了承受风载荷、上部风机运行 载荷以外，还承受波浪载荷、海流载荷、冰载荷等，海底土壤条件也与陆 上基础土壤条件差别较大。

由于海上风机在我国刚刚起步，目前还没有形成一套比较系统的海上 风机基础的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种海上风 机基础的设计方法，该设计方法系统性强，具有分析精确，结果可靠，设 计效率高的特点。

本发明的另一个目的是提供一种上述方法在潮间带风机桩基础设计 中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上风机桩基础设计方法，按照海上风机基础设计规范及海上固 定平台设计规范，基于海洋工程设计分析软件SACS进行设计计算分析， 所述设计计算分析包括基本分析、模态分析、地震分析、冰载荷分析、吊 装分析、运输分析及安装分析，其中：

所述基本分析为：第一步，用所述海洋工程设计分析软件SACS建立 设计计算模型，包括由钢桩及支撑结构组成的基础结构模型及塔筒模型； 第二步，在所述设计计算模型中输入设计相关数据，包括钢桩的间距、长 度、直径及壁厚，支撑结构的型式及支撑结构中支撑钢管的长度、直径及 壁厚，钢桩与支撑结构之间的连接型式及具体尺寸；塔筒的高度、直径及 壁厚；以及钢桩、支撑结构及塔筒的材料常数；第三步，在所述设计计算 模型上施加外载荷，所述外载荷包括风机重力载荷、风机运行载荷以及海 洋环境载荷；所述风机重力载荷包括基础结构重量、塔筒重量、风机叶片 重量、轮毂重量及机舱重量；所述海洋环境载荷包括风载荷、波浪载荷、 海流载荷，还包括二次弯矩以及水动力放大效应引起的载荷；第四步，在 所述设计计算模型上施加泥面以下的钢桩与海底土壤的边界条件，所述边 界条件以土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线、桩尖载荷-位移Q-z曲线以及 侧向承载力-位移p-y曲线模拟；第五步，在所述设计计算模型及、外载 荷及施加在模型上的边界条件基础上，按照所述规范，计算结构静强度、 屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结 果是否符合规范要求。

所述模态分析为：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载 荷，分析结构的模态，计算结构的基频，避开风机1P-3P之间的频率和所 在海域的波浪频率。

所述地震分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、 再考虑地震加速度及地震谱，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢 桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求。

所述冰载荷分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载 荷、风机运行载荷、风载荷、海流载荷，再考虑冰载荷，计算结构静强度、 屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结 果是否符合规范要求。

所述吊装分析、运输分析及安装分析：在所述基础结构模型的基础上， 考虑所述基础结构重力载荷及海洋环境载荷，分析基础结构的强度及稳定 性是否符合规范要求。

根据以上分析结果判断设计是否合理，如不合理则重新建立设计计算 模型或适当调整第二步中的输入数据。

进一步地，所述风机重力载荷中的基础结构重量、塔筒重量根据设计 计算模型中输入的尺寸及材料常数由SACS软件自动计算，所述风机叶片 重量、轮毂重量及机舱重量以集中力形式施加于塔筒顶端。

进一步地，所述风机运行载荷由风载荷软件计算得出，以集中力及力 矩施加于塔筒顶端。

进一步地，所述风载荷软件为BLADED软件。

进一步地，所述海洋环境载荷中，风载荷需输入风速、参考高度与方 向，以均布力施加于水面以上的设计计算模型结构上；波浪载荷、海流载 荷需输入水深、波高、波浪方向、流速、流向，以均布力施加于水面以下 的设计计算模型结构上；二次弯矩是由设计计算模型结构轴向压力和整体 侧向位移联合作用产生的力和弯矩，根据设计计算模型的结构整体侧向位 移与结构重量计算，以集中力施加于设计计算模型结构重心；水动力放大 效应是由波浪或波浪和海流共同产生的动力效应，根据设计计算模型结构 基频和波浪频率计算，以集中力施加于设计计算模型结构重心。

进一步地，所述土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线、桩尖载荷-位移 Q-z曲线以及侧向承载力-位移p-y曲线根据勘查得到的海底土壤物理及 力学性能，依据规范API RP 2A计算得出。

进一步地，所述海洋环境载荷考虑1年一遇以及50一遇数据。

进一步地，所述基本分析时的规范可以采用载荷系数法，也可以采用 工作应力法。

进一步地，所述疲劳强度分析可以采用应力时程方法，也可以采用等 效载荷方法。

上述海上风机桩基础设计方法还可以应用在潮间带风机桩基础设计 中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种海上风机桩基础设计方法，所述方法按照海上风机 基础设计规范及海上固定平台设计规范要求，基于海洋工程设计分析软件 SACS进行设计计算分析；该设计方法全面考虑并真实反映出海上风机所处 的实际环境条件，设计合理，分析精确，结果可靠，适用于海上风机以及 潮间带风机桩基础设计；其次，该设计方法还考虑了海上风机基础设计、 吊装、运输及安装的各个环节，具有系统性、全面性的优点；再次，该设 计方法简便易行、效率高、节省人力物力成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是海上风机四桩基础结构基本分析模型及载荷图；

图2是基本分析基础结构静强度及屈曲强度分析结果；

图3是基本分析管节点冲剪能力分析结果；

图4是基本分析钢桩承载能力分析结果；

图5是吊装分析、运输分析及安装分析模型立面图；

图6是吊装分析、运输分析及安装分析模型平面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种海上风机桩基础设计方法，按照海上风机基础设计规 范：Design of Offshore Wind Turbine Structures,DNV-OS-J101,2011； Design Requirements for Offshore Wind Turbines,IEC 61400-3,2009 及海上固定平台设计规范：Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms__load and  resistance factor design，1993；Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms__working  stress design,2007，基于海洋工程设计分析软件SACS进行设计计算分 析，所述设计计算分析包括基本分析、模态分析、地震分析、冰载荷分析、 吊装分析、运输分析及安装分析，本实施例以四桩基础型式为例进行详细 说明：

基本分析为：

第一步，用所述海洋工程设计分析软件SACS建立设计计算模型，包 括由钢桩及支撑结构组成的基础结构模型及塔筒模型，具体如图1、6所 示，包括4根钢桩1、支撑结构2以及塔筒3。

第二步，在所述设计计算模型中输入设计相关数据，包括钢桩1的间 距、长度、直径及壁厚，支撑结构2的型式及支撑结构2中支撑钢管的长 度、直径及壁厚，钢桩1与支撑结构2之间的连接型式及具体尺寸；塔筒 3的高度、直径及壁厚；以及钢桩1、支撑结构2及塔筒3的材料常数。

第三步，在所述设计计算模型上施加外载荷，所述外载荷包括风机重 力载荷、风机运行载荷以及海洋环境载荷；所述风机重力载荷包括基础结 构重量、塔筒重量、风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量；所述海洋环境 载荷包括风载荷、波浪载荷、海流载荷，还包括二次弯矩以及水动力放大 效应引起的载荷。其中，所述风机重力载荷中的基础结构重量、塔筒重量 根据设计计算模型中输入的尺寸及材料常数由SACS软件自动计算，所述 风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量以集中力4形式施加于塔筒3顶端。 所述风机运行载荷由BLADED软件或其他风载荷软件计算得出，以集中力5 及力矩6施加于塔筒3顶端。风载荷需输入风速、参考高度与方向，以均 布力7施加于水面以上的设计计算模型结构上；波浪载荷、海流载荷需输 入水深、波高、波浪方向、流速、流向等参数，以均布力8施加于水面以 下的设计计算模型结构上；二次弯矩是由设计计算模型结构轴向压力和整 体侧向位移联合作用产生的力和弯矩，根据设计计算模型的结构整体侧向 位移与结构重量计算，以集中力9施加于设计计算模型结构重心；水动力 放大效应是由波浪或波浪和海流共同产生的动力效应，根据设计计算模型 结构基频和波浪频率计算，以集中力10施加于设计计算模型结构重心。 其中，所述海洋环境载荷考虑1年一遇以及50一遇数据。

第四步，在所述设计计算模型上施加泥面以下的钢桩与海底土壤的边 界条件，所述边界条件以土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线11、桩尖载荷- 位移Q-z曲线12以及侧向承载力-位移p-y曲线13模拟；这些曲线根据 勘查得到的海底土壤物理及力学性能，依据规范API RP 2A计算得出。

第五步，在所述设计计算模型、外载荷及施加在模型上的边界条件基 础上，按照所述规范运行SACS软件进行基本分析，其中规范可以采用载 荷系数法，也可以采用工作应力法，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强 度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力等，并分析计算结果是否符合规范 要求。其中，疲劳强度分析可以采用应力时程方法，也可以采用等效载荷 方法。

模态分析为：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷， 分析结构的模态，计算结构的基频，避开风机1P-3P之间的频率和所在海 域的波浪频率。

地震分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、再 考虑地震加速度及地震谱，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩 承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求。

所述冰载荷分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载 荷、风机运行载荷、风载荷、海流载荷，再考虑冰载荷，计算结构静强度、 屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结 果是否符合规范要求。

所述吊装分析、运输分析及安装分析：在所述基础结构模型（如图5 所示）的基础上，考虑所述基础结构重力载荷及海洋环境载荷，分析基础 结构的强度及稳定性是否符合规范要求。

根据以上分析结果判断设计是否合理，如不合理则重新建立设计计算 模型或适当调整第二步中的输入数据。

如图2所示，为基本分析基础结构静强度与屈曲强度分析结果，最大 值为0.9（小于1.0为安全）；如图3所示，为基本分析管节点冲剪能力 分析结果，最大值为0.919（小于1.0为安全）；如图4所示，为基本分 析钢桩承载能力分析结果。由上述分析结果可以看出，该设计合理，符合 规范要求。

本发明的上述海上风机桩基础设计方法还可以应用在潮间带风机桩 基础设计中。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领 域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。