海上风电单桩基础波流激振减小方法

摘要

本发明涉及一种海上风电单桩基础波流激振减小方法，通过在单桩基础壁面外布置一活动的减振装置，采用头短尾长的翼型壁面平顺波流、改善流态，从振动源头减小各类水动力激励，同时采用粘弹性阻尼材料隔断并吸收传递的荷载，达到减小桩基振动的目的。通过改变平衡水箱内水体重量，调节装置与水面的相对位置，在重力和浮力共同作用下，减振装置随水位变化自行升降，始终处于波流的主要激励区，在翼型过流壁面的头部压力和尾部吸力共同作用下，减振装置能够灵活跟随波流方向变化，首尾始终保持与波流方向一致，时刻发挥减振功能。本发明可使桩基振动减小70％以上，结构简单，易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减振方法，具体是海上风电单桩基础波浪和潮流激振的减小方法，属于工程减振领域。

背景技术

风力发电是近年来发展最为迅猛的一种清洁能源，海上风能资源丰富、稳定，海上风电已成为世界各 国投资开发的重点，欧洲走在世界的前列，我国尚处于起步阶段，但我国风电“十二五”规划到2015年海 上风电装机达到500万千瓦，预示着我国将迎来海上风电的飞速发展时期。

海上风电基础类型较多，主要包括重力式、桩基、导管架、浮式等，每种类型又包括多种形式，如桩 基有单桩、多桩及我国东海大桥采用的八圆柱高桩承台基础等，各种基础型式适用于不同的条件。目前， 我国的海上风电规划和开发主要集中在近海，单桩基础适用于近海风电，在国外应用较多，国内海上风电 设计也陆续采用，如江苏响水潮间带风电场、广东湛江外罗海上风电场等，单桩基础将成为我国近海风电 中的一个主流形式。

随着风机日益大型化，由风机-塔架-基础组成的高耸结构，动力稳定问题突出，尤其与陆上风电相比， 海上风电还要受到波浪潮流荷载作用，结构动力安全问题愈加复杂。波流水动力荷载主要包括波浪破碎冲 击、潮流脉动、漩涡脱落、绕流漩涡激励等，各种荷载复杂多变，而且激励主频较低，与风机支撑结构自 振频率十分接近，易诱发结构共振，威胁风机安全可靠运行。因此，在风电结构设计时，首先应考虑结构 的自振频率与动力荷载激励频率偏差在20％～30％以上，以避免共振，主要措施是尽量提高结构的自振频率， 然而由于风机支撑体系为薄壁高耸结构，局部结构增强很难有效改变整体的固有属性。目前，风机支撑结 构减振措施主要参考海洋平台，采用阻尼器降低振动响应，该法属于振动出现后的被动减振，激励荷载的 输入没有变化，减振效果不明显，很难消除共振隐患，而且在波流长期作用下桩基的疲劳破坏无法防范。

发明内容

本发明即针对海上风电波浪潮流激励下的风机支撑结构的振动问题，从振源控制和切断传播路径出 发，提出适用于单桩基础的波流激振减小方法，抑制结构振动。

本发明达到上述目的的技术方案是：

在单桩基础壁面外布置一活动的减振装置，从两方面达到减小激励荷载、抑制振动的效果：

(1)采用翼型壁面平顺水流，改善流态，减小波浪破碎冲击和潮流紊动强度，避免因圆柱绕流引起 的漩涡脱落及卡门涡激励，即从振动源头进行主动控制；

(2)切断激励荷载的传递路径，并采用阻尼材料吸收激励能量，进一步减小作用于桩基结构的荷载。

所述的减振装置，为一等截面平面对称的空心柱状结构，套于单桩基础上，从内向外由支撑部件、阻 尼部件、平衡水箱三部分组成，各部分构造尺寸根据工程具体条件进行设计，主要受单桩基础的直径、波 流参数影响，具体步骤如下：

(1)减振装置高度应大于波浪主要冲击作用的范围，取1.2倍以上的设计最大波高。

(2)减振装置断面大小由单桩的直径决定，桩基外第一层为装置的支撑部件，由上部、中部和下部 三圈直径为1/10桩径的光滑半球外接一层薄壁圆管组成，管壁厚度为1/20桩径。支撑部件采用小球与桩基 外壁点面光滑接触，可以满足整个装置灵活地跟随波流条件变化而自由旋转和上下浮动。

(3)尽管大部分的波流激励通过流态改善得以减免，但仍有部分脉动荷载作用于减振装置，故在平 衡水箱与支撑部件之间设置一层厚度为1/20桩径的粘弹性阻尼部件，用于阻断和吸收外层传递过来的激励。

(4)减振装置的最外层为主体结构平衡水箱，平衡水箱内侧与阻尼部件连接，为圆柱面，外侧为波 浪、潮流过流壁面，用于平顺波流。以过桩基中心垂直水流方向的直线为界，水箱在分界线上左右两边的 宽度最窄，取1/20桩径，则分界线上水箱两端的距离为1.4倍的桩径，分别以分界线上水箱两端点为圆心， 以此1.4倍的桩径为半径绘制两段圆弧，两圆弧在分界线上游迎水侧交汇于桩基的正前方，交点与两端点处 于等边三角形的三个顶点，过交点和桩基中心的直线与分界线垂直，为断面中心线，与水流流向平行，两 段交汇的圆弧沿中心线左右对称，构成了头部迎水断面，头部尖角代替钢管桩圆柱面迎水，有效避免了波 浪的雍高及破碎冲击，使过流更加平顺，减小紊动激励。从钢管桩中心沿断面中心线向下游3倍以上桩径 的位置设为尾部末端，绘制过该点与头部两圆弧的切线，切点位于分界线下方，两切线与分界线下游两段 圆弧组成尾部背水断面，尾部采用长渐变收缩体型代替原桩基半圆柱面，有效避免边壁漩涡脱落及尾部卡 门涡激励。

所述减振装置通过两个独特设计确保其时刻发挥减振功能：

(1)在平衡水箱内填充不同深度的水体来控制减振装置相对海水表面的位置，以保证其处于表面波 浪潮流的主要作用区，在重力和浮力的共同作用下，装置会跟随水位变化自动升降，与海水表面的相对位 置始终不变；

(2)水箱外侧壁面采用翼型流线设计，用于平顺水流，减小漩涡脉动激励，翼型断面，头短尾长， 在头部压力和尾部吸力的作用下，减振装置能够灵活跟随波流方向变化，首尾始终保持与波流方向一致。

所述减振装置的平衡水箱和支撑部件采用高分子防腐材料制造，阻尼部件选用粘弹性阻尼材料。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

(1)减振效果显著。本发明提出的改善流态控制振源和切断传递路径相结合的单桩基础波流水动力 激振减小方法，使桩基振动响应减小70％以上，有效预防结构在长期波流作用下出现疲劳破坏；

(2)减振装置设计巧妙。本发明提供的减振装置能够灵活跟随波流条件变化自行调整，时刻发挥减 振功能；

(3)结构简单，易于操作。

附图说明

附图1为单桩基础减振装置正视图；

附图2为单桩基础减振装置俯视图；

附图3为单桩基础减振装置纵剖面图；

附图4为单桩基础减振装置横剖面图。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。

实施例一

本实施例为我国近海大型风电场，共布置67台3MW风机，总装机容量201MW，风机基础采用单根直 径5.5m钢管桩定位于海底，承受波浪、海流荷载，设计最大波高5m。

本实施例单桩基础减振装置如图1和图2所示，图1为正视图，图2为俯视图，钢管桩1外布置减振装置2， 共同承受波流3动力作用。图3为减振装置的纵剖面图，图4为减振装置的横剖面图，减振装置2为平面对称 的柱状结构套于钢管桩1上，采用翼型断面设计，由支撑部件4、阻尼部件5、平衡水箱6三部分组成，平衡 水箱6内置入不同深度的水体7来调整减振装置整体在波流3中的位置。

依据钢管桩1的直径、波高等参数进行减振装置2设计。减振装置2高度应大于波浪主要冲击作用的范 围，取1.2倍以上的设计最大波高，本实施例设计最大波高为5m，即减振装置2高度6m以上。

减振装置2断面大小由钢管桩1的直径决定，本实施例钢管桩1直径为5.5m，钢管桩1外第一层为装置的 支撑部件4，由上部、中部和下部三圈直径为1/10桩径(即0.55m)的光滑半球外接一层薄壁圆管组成，管 壁厚度为1/20桩径，即0.275m。支撑部件4外为阻尼部件5，布置一层厚度为1/20桩径，即0.275m的弹性阻 尼材料，吸收外部传递过来的激励荷载。装置最外层为主体结构平衡水箱6，平衡水箱6为等断面的柱状结 构，其内侧与阻尼构件5连接，为圆柱面，外侧为波浪、潮流过流壁面，用于平顺波流。以过钢管桩1中心 垂直水流方向的直线为界，水箱在分界线上左右两边的宽度最窄，取1/20桩径，即0.275m，则分界线上水 箱两端的距离为14倍的桩径，即7.7m，分别以分界线上水箱两端点为圆心，以此1.4倍的桩径为半径绘制 两段圆弧，两圆弧在分界线上游迎水侧交汇于桩基的正前方，交点与两端点处于等边三角形的三个顶点， 过交点和钢管桩1中心的直线与分界线垂直，为断面中心线，与水流流向平行，分界线上游两段交汇的圆 弧沿中心线左右对称，构成了头部迎水断面，头部尖角代替钢管桩圆柱面迎水，有效避免了波浪的雍高及 破碎冲击，使过流更加平顺，减小紊动激励。从钢管桩1中心沿断面中心线向下游3倍以上桩径(即大于 16.5m)的位置设为尾部末端，绘制过该点与头部两圆弧的切线，切点位于分界线下方，两切线与分界线 下游两段圆弧组成尾部背水断面，尾部采用长渐变收缩体型代替原桩基半圆柱面，有效避免边壁漩涡脱落 及尾部卡门涡激励。至此，减振装置2的构造尺寸均已确定。

在平衡水箱6内置入水体7，改变箱内水量控制减振装置2相对海水表面的位置，以保证其处于表面波 浪潮流3的主要激励区，在重力和浮力的共同作用下减振装置2会跟随水位变化自动升降，与海水表面的相 对位置始终不变。另外，减振装置2壁面采用翼型流线设计，用于平顺水流，减小漩涡脉动激励，翼型断 面，头短尾长，在头部压力和尾部吸力的作用下，减振装置2能够灵活跟随波流方向变化，首尾始终保持 与波流方向一致。两方面独特设计保证了减振装置2能够灵活应对波流条件变化、时刻发挥减振功能。

试验室模型试验得出采用减振方法前后钢管桩1的振动响应见表1，可以看出，实施减振方法后，钢管 桩1振动响应减小70％以上，效果十分显著。

表1减振前后桩基振动响应