新型海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台

摘要

本发明提供了一种为海上风机上部结构-基础-土的动力相互作用的研究提供一整套模型试验平台。它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，基础部分包括矩形体试验槽、吸力式桶形基础，吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片。本发明包括的基础部分及三套不同时装配的组成部分，在实验槽内设置了模拟粉土海床地基后，通过第一套组成部分和第二套组成部分试验所得数据进行第三套组成部分安装后的试验，可以得到风机结构在一定特性的循环荷载作用下的基础刚度及上部结构动力特性发展演变过程。通过本发明试验平台所得到的结论，在一定程度上可以有效填补国内外在这方面的理论研究空白，并对今后海上风机结构设计提供一定的指导作用。

说明书

技术领域

本发明涉及海上试验平台，特别涉及海上风机上部结构、基础与土的动力相互作用的模型试验平台。

背景技术

海上风能作为一种安全、清洁、稳定的可再生能源，在欧美等西方国家已经得到了大规模的开发和利用。随着能源短缺与环境污染问题的日益严重，我国在“十二五”期间也提出了要实现海上风电的总装机容量在2015年达到5000MW的目标。

目前，一座3MW海上风机在正常运行工况下的叶片转动速率大约为8.6～18.4rpm，所产生的1P激振力频率为0.14～0.31Hz；对于三个叶片的风机，由于叶片转动对风机塔架的“遮蔽效应”所产生的3P激振力频率为0.42～0.93Hz。另外，对于海上风机所受的风、浪、流等特殊的环境荷载形式，风和波浪及流荷载的主导频率为0.1～1.0Hz。当前风机结构设计参照较多的国外DNV规范又在1P及3P频率带的基础上，提出了风机结构设计时应预留出的±10%的安全度。因此，在风机结构设计中，为了避免结构的自振频率接近于这些激振力的频率带而发生共振的危险，对于风机结构设计师而言是一项巨大的挑战。目前，在综合考虑结构安全性与经济合理的基础上，一般选择“刚-柔（soft-stiff）”性（风机结构的设计自振频率介于1P与3P频率带之间）的结构设计目标。

海上风机是一种高柔性的结构，其自身动力特性随基础刚度的变化非常敏感。因此，基础结构的安全和稳定是整个结构能否正常运行的根本。而目前海上风机基础结构的建造成本已占到了总成本的34%之多，故风机设计中选择一个合适的基础结构类型及尺寸是高效低成本开发海上风能的关键。若按照极限承载力状态的设计准则，风机基础结构的设计一般均能满足工程要求。但风机结构除了应满足极限承载力状态（ULS）外，更重要的还要满足服役极限状态（SLS）及疲劳极限状态（FLS）的要求。国际上以英国牛津大学Houlsby教授为代表的研究团队，就海上风机基础结构的服役极限状态（SLS）开展了一定不同比尺的模型试验研究，主要关注的焦点是基础在循环荷载作用下的累积变形及刚度衰退等关键科学问题。研究了基础类型(重力式基础、单桩和吸力式桶形基础等)及尺寸、循环荷载类型（单向、双向加载）、加载幅值、加载频率和循环次数等因素对上述问题的影响。并针对能保证上部机舱和叶轮部位正常运行下的对基础累积变形最大容许度（如桩头最大累积转角变形0.5度），提出了以变形控制为目标的设计准则。

海上风机的设计使用寿命为25～30年，在此期间要经历大约10⁸次上部循环荷载的作用。目前，就风机结构在长期循环荷载作用下的疲劳极限状态（FLS）研究，还缺少相应的现场长期实测资料的支撑。根据已有的现场监测数据显示，荷兰Lely风电场的风机结构在运行半年后，结构的自振频率已由设计值的0.41Hz增大到了0.63Hz。总所周知，结构自振频率的变化势必对其造成严重的安全隐患。但是，当前就基础结构在长期循环荷载作用下的刚度变化对上部结构动力特性（如结构自振频率）演变规律的影响，国内外还缺乏相应的研究。尤其是建立上部结构-基础-土为一体的耦合系统，研究循环荷载作用下的该系统内部各个子结构之间的动力相互作用是当前在大力发展海上风机的大背景下亟待解决的一项艰巨的工程难题。详见文献<Bhattacharya S., Adhikari S., 2011.Experimental validation of soil-structure interaction of offshore wind turbines. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 31, 805-816.>和文献<Lombardi D., Bhattacharya S., Wood D. M., 2013. Dynamic soil-structure interaction of monopile supported wind turbines in cohesive soil. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 49, 165-180. >。

如上述荷兰Lely风电场的短期监测数据所报道的，由基础在长期循环荷载作用下的刚度变化而导致上部结构自振频率的变化。这一变化可能就会使得原本安全的结构设计频率落到某一外界激振力的频率带范围内而变得不再安全。如何采取一定的工程措施最大限度降低结构因自振频率变化而带来的安全隐患或是在结构设计时采取怎样的设计方法降低这种负面效应的影响将是工程师所面临的一项巨大挑战。相比于现场原型试验及离心机试验而言，1g小比尺模型试验具有低成本、节约时间、操作简单直观等诸多优点，在某种程度上能揭示一定的物理规律。根据1g模型试验所揭示的基础结构类型及几何尺寸、循环荷载加载性状（幅值、频率和次数）等因素对风机结构动力特性的影响规律，可以为今后风机结构的设计提供一定的指导，这项工作具有十分重要的科学研究意义及工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种为海上风机上部结构-基础-土的动力相互作用的研究提供一整套模型试验平台。

为此，本发明采用以下技术方案：它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，所述基础部分包括设置模拟粉土海床地基的矩形体试验槽，所述粉土海床地基顶端中部设置有吸力式桶形基础，实验槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片。这里风机结构基础部分选择了今后国内外海上风电场中最具发展潜力的吸力式桶形基础模型，今后有研究需要时，可以在本发明装置基础上，将基础模型换成单桩、三桩等其他基础结构模型。

第一套组成部分包括轴向油压安装系统、第一滑轮组、加载重物及安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆，所述轴向油压安装系统包括与试验槽顶端连接的框架部分、轴向油压安装系统面板、油压缸及油压缸下方的第一力传感器及第一力传感器下方连接的垂直于吸力式桶形基础顶面的万向接头，所述第一滑轮组的柔索一端连接在吸力式桶形基础顶面，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器；

第二套组成部分包括与第一套组成部分相同的轴向油压安装系统、加载重物、安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆及与第一套组成部分不同的第二滑轮组和连接至水平加载杆上的位移传感器，所述第二滑轮组的柔索一端连接在水平加载杆上，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器； 

第三套组成部分包括连接在吸力式桶形基础顶部的海上风机模型，所述海上风机模型包括设置在吸力式桶形基础顶部中心的顶端带有集中质量块的钢管及在钢管和质量块上安装的若干个加速度传感器，此外，第三套组成部分还设有与试验槽相邻的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土块，700N高能激振器通过连接杆与钢管垂直刚性连接，并与循环加载操作箱连接；所述加速度传感器在质量块上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一个，在连接杆与钢管的连接部位沿着激振力方向布置了一个，所述连接杆上设置有拉压力传感器。

在采用以上技术方案的基础上，本发明还可以采用以下进一步方案：

试验槽底部为由PVC排水管、砾石、钢丝网和无纺土工布所组成的30cm厚的排水系统，用来加速槽内土体的排水固结。

所述试验槽尺寸为：3m×1.2m×1.5m（长×宽×高），由无缝钢板加工而成，表面经过了防腐处理。

吸力式桶形基础的外径均为26.6cm，其长径比为0.5-1.0。

吸力式桶形基础内外侧布置了若干孔隙水压力传感器。

由于采用了本发明的技术方案，本发明设计了一套模拟海上风机上部结构-基础-土动力相互作用的模型试验平台，它包括了基础部分及三套不同时装配的组成部分，在实验槽内设置了模拟粉土海床地基后，通过第一套组成部分和第二套组成部分试验所得数据进行第三套组成部分安装后的试验，可以得到风机结构在一定特性的循环荷载作用下的基础刚度及上部结构动力特性（自振频率）发展演变过程，并据此研究吸力式桶形基础几何尺寸，循环荷载加载特性（幅值、频率、次数）等因素对其影响规律。通过本发明试验平台所得到的结论，在一定程度上可以有效填补国内外在这方面的理论研究空白，并对今后海上风机结构设计提供一定的指导作用。

附图说明

图1为本发明在测量基础转动刚度的力控制的偏心加载装置示意图。

图2为本发明在测量基础水平刚度及水平刚度与转动刚度之间耦合效应的力控制的水平加载装置示意图。

图3为本发明所述吸力式桶形基础长径比为0.5的示意图。

图4为本发明所述吸力式桶形基础长径比为0.75的示意图。

图5为本发明所述吸力式桶形基础长径比为1的示意图。

图6为本发明在测量结构自振频率及循环荷载加载装置示意图。

具体实施方式

参照图1至图6，本发明包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，所述基础部分包括设置模拟粉土海床地基的矩形体试验槽4，所述粉土海床地基顶端中部设置有吸力式桶形基础7，实验槽4四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片8。

试验槽内设置的粉土海床地基代表了我国东南沿海离岸10km范围内在建或潜在风电场的典型地基条件；所述试验槽尺寸为：3m×1.2m×1.5m（长×宽×高），由无缝钢板加工而成，表面经过了防腐处理。试验槽底部为由PVC排水管、砾石、钢丝网和无纺土工布所组成的30cm厚的排水系统，用来加速试验槽内土体的排水固结。试验槽内粉土海床地基通过泥浆沉降法进行制备，并让其在自重作用下固结沉降1个月，最终形成的粉土层厚度为80cm。

吸力式桶形基础7为今后国内外海上风电场中最具发展潜力的吸力式桶形基础模型，用无缝不锈钢材料加工而成，壁厚3mm。为了研究不同长径比（裙高与基础直径之比）的基础对结构整体动力特性的影响，这里选用了三个不同比尺的吸力桶模型，长径比可以为0.5-1.0，如图3、图4、图5所示，分别表示的是长径比为0.5，0.75，和1的吸力式桶形基础701、702、703，但其外径均为26.6cm。 

参照图1至图6，图1为第一套组成部分，图2为第二套组成部分，图6为第三套组成部分。

第一套组成部分包括轴向油压安装系统1、第一滑轮组101、加载重物3及安装在吸力式桶形基础7顶面的倾角传感器9和外表面带孔的水平加载杆13，所述轴向油压安装系统1包括与试验槽4顶端连接的框架部分、轴向油压安装系统面板15、油压缸16及油压缸16下方的第一力传感器11及第一力传感器11下方连接的垂直于吸力式桶形基础7顶面的万向接头17，所述第一滑轮组101的柔索105一端连接在吸力式桶形基础7顶面，另一端连接有加载重物3，柔索上设置有第二力传感器10。

第二套组成部分包括与第一套组成部分相同的轴向油压安装系统1、加载重物3、安装在吸力式桶形基础7顶面的倾角传感器9和外表面带孔的水平加载杆13及与第一套组成部分不同的第二滑轮组102和连接至水平加载杆上的位移传感器14，所述第二滑轮组102的柔索105一端连接在水平加载杆13上，另一端连接有加载重物3，柔索105上设置有第二力传感器10，第二套组成部分中的柔索105及第二力传感器10与第一套组成部分的相同； 

第三套组成部分包括连接在吸力式桶形基础顶部的海上风机模型，所述海上风机模型包括设置在吸力式桶形基础顶部中心的顶端带有集中质量块15的钢管16及在钢管16和质量块15上安装的若干个加速度传感器17，此外，第三套组成部分还设有与试验槽4相邻的支架22、放置在支架22上的700N高能激振器19和混凝土块21（主要为了固定700N高能激振器），700N高能激振器19通过连接杆18与钢管16垂直刚性连接，并与循环加载操作箱20连接；所述加速度传感器17在质量块15上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一个，在连接杆18与钢管16的连接部位沿着激振力方向布置了一个。通过给循环加载操作箱20输入一定的控制信号，激振器19可以输出一定幅值和频率的正弦激振力信号，并通过刚性连接杆18施加到海上风机模型上。连接杆18上设置有拉压力传感器23。模型中所用的钢管16也可以称之为海上风机的塔架，它其实是长1m，外径3.8cm，壁厚3mm的钢管。钢管16顶端施加的一个集中质量块15代表实际海上风机的机舱、叶片和叶轮等部件的质量，重为2.0kg。所述连接杆18上设置有拉压力传感器23。

所述试验平台的实测数据由以下五类传感器并通过相应的信号放大器及数据采集系统获得。上述位移传感器（LVDT）14，倾角传感器9及柔索105中的拉力传感器10，分别用于量测基础水平位移、转角位移和所施加的拉力大小；刚性连接杆18上的拉压力传感器23用于量测输出的激振力信号；吸力桶7内外侧不同位置处所布置的孔隙水压力传感器8，用于记录吸力桶模型7周围土体中的孔隙水压在上部循环荷载作用下的累积及消散情况，并据此建立与基础刚度变化之间的关系；刚性连接杆18与塔架16连接处及顶部所布置的加速度传感器17，主要用于量测模型在自由振动阶段的加速度信号，该数据经过快速傅立叶变换（FFT）可得到结构的自振频率。

由本发明专利所提供的海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台可按以下步骤进行相关试验的操作：

1）设置试验槽4底部排水系统5，并布置粉土海床地基6。首先，在试验槽4底部铺设5cm外径的PVC排水管，排水管上预留有小孔；再铺上一层平均粒径为2～3cm的砾石，砾石层顶部加一层无纺土工织物防止细土颗粒被渗流水带走；最后，为防止土工织物的移动，可在其表面加上一层钢丝网，这样最终形成了一个厚度大约为30cm的底部排水系统5。将配制均匀的干燥粉土样加水搅拌成泥浆，含水率大致控制在95%～100%，将泥浆倒入试验槽4进行固结，土样在其自重作用下经过近1个月时间固结沉降后所形成的粉土海床地基6厚度大约为80cm。

2）在顶端封闭、底部开口的吸力式桶形基础7内外壁不同高度处粘帖微孔透水薄片8，并通过PVC细管与孔隙水压传感器（PPT）相连，试验前对PVC细管进行排水饱和。在试验前同时检查各类传感器及信号放大器和数据采集系统是否正常。

3）通过试验槽上的轴向油压安装系统1将吸力式桶形基础7安装到位，并连接好偏心加载装置。观察数据采集系统中吸力式桶形基础7周围土体中孔隙水压力的变化情况，当孔压消散到一定程度基本稳定后，表明吸力式桶形基础7的安装对周围土体的扰动已经基本消除，此时可以进行下面的试验了。

4）通过图1所示的试验平台对吸力式桶形基础7施加不同荷载水平的竖向偏心加载作用，并通过倾角传感器9记录每级荷载作用下达到稳定状态时的吸力式桶形基础7顶部所产生的的转角位移，通过偏心距与荷载乘积得到作用在基础中心的弯矩大小，结合顶部转角位移数据即可得到基础的初始转动刚度（忽略竖向刚度与转动刚度的耦合效应）。其中，各级不同大小的荷载通过柔索105中布置的拉力传感器10得到。

5）将带孔的水平加载杆13连接至吸力式桶形基础7顶部，并通过轴向油压安装系统1在一定高度上对吸力式桶形基础施加水平荷载。通过不同级别水平加载作用达到稳定状态下的位移传感器14和倾角传感器9所记录的数据即可得到吸力式桶形基础的初始水平刚度及水平与转动刚度之间的耦合效应。

6）移走吸力式桶形基础7顶部的水平加载杆13和试验槽上的轴向油压安装系统1，并将带有顶部集中质量块15的钢管16通过螺栓连接至基础顶部中心。如图6所示，对模型结构顶部施加一个小幅度位移，使其自由振动，并用布置在模型上不同位置处的加速度传感器17采集相应的加速度随时间变化的信号，经数据分析即可得到结构的初始自振频率。本步骤中的加速度传感器17的布置位置及方式为：在模型顶部沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一个，在连接杆18与钢管塔架16的连接部位沿着激振力方向布置第三个。

7）通过连接杆18将激振器19与钢管16相连，并给循环加载操作箱20输入一定的控制信号参数，使激振器19输出一定大小和频率的正弦激振力，并作用在海上风机模型结构上。经过一定时间的循环加载后（N₁次），断开激振器19与钢管16之间的连接杆18，与步骤6）中操作类似，给塔顶一个微小位移使其自由振动，并测量此时经过N₁次循环加载后结构的自振频率。然后，按步骤4）和5）操作方法，测量此时基础的转动刚度、水平刚度及两者之间的耦合效应。

8）再次连接好循环加载装置，经过另一个循环加载次数后（N₂次），再断开钢管16与激振器19之间的连接，依次按上述步骤6）、4）和5）进行试验操作，可分别得到结构经过（N₁+ N₂）次循环加载后结构的自振频率，及此时吸力式桶形基础7刚度参数。重复以上操作步骤，直到总的循环加载次数达到10⁷～10⁸量级停止试验，清理仪器并整理试验数据。调节循环加载操作箱输入控制信号，在试验槽4内另一位置（与上一次试验位置相距2倍吸力式桶形基础7直径以上）开展下一组试验。

通过1g小比尺模型试验的方法，首先对吸力式桶形基础7施加偏心及水平加载作用，获得吸力式桶形基础7的初始转动刚度、水平刚度及转动刚度与水平刚度之间的耦合效应。由于目前对实际海上风机结构研究中通常忽略水平刚度与转动刚度耦合效应在结构自振频率预测中的影响，而往往不能得到较精确的结果。通过本发明试验平台即可得到转动刚度与水平刚度之间的耦合效应，在今后海上风机自振频率预测中有望得到更精确的结果。然后，在对海上风机结构施加一定幅值和频率的循环荷载作用前，测量其初始自振频率，并研究其动力特性（结构自振频率）随吸力式桶形基础7几何尺寸，及所施加的循环荷载的特征（幅值、频率和次数）等因素的变化规律。通过本发明所述的试验平台试验所揭示的基本规律及整个物理过程中所遵循的与原型结构之间的无量纲化的相似性比尺关系，可以得到实际原型风机结构所反映出来的类似的物理规律过程，为海上风机结构动力特性方面的理论和数值研究提供可靠的物理模型基础，并对今后的风机结构设计提出一定的指导性建议。