海上风机基础的防冰结构
冰区海上风电场工程抗冰结构设计与分析
冰区海上风电场工程抗冰结构设计与分析赵业彬; 江山; 褚洪民【期刊名称】《《山东电力技术》》【年(卷),期】2019(046)010【总页数】4页(P51-54)【关键词】冰区; 海上风机; 抗冰结构; 单桩基础; 三维有限元法【作者】赵业彬; 江山; 褚洪民【作者单位】山东电力工程咨询院有限公司山东济南 250013【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言渤海海上风能储备丰富，在国家积极开发和利用可再生能源的战略背景下，渤海近海风电场的建设势在必行。
然而，渤海近海海域每年冬季都会出现不同程度的结冰现象，曾发生过多起因海冰导致的海上油气平台管线断裂、天然气泄漏，甚至海上平台被海冰推倒的重大事故［1］。
可见，海冰将成为渤海冰区海上风电场设计和安全运行的重要影响因素［2］。
因此，如何保障冰区海上风电场在海冰作用下的安全运行成为该海域风机基础结构设计中亟待解决的关键问题。
大量海上油气工程的运行实践表明，在海上平台腿柱潮差段安装由正、倒圆锥体对接构成的抗冰结构可有效减小冰力、降低平台冰激振动［3］。
杨国金等［4］通过对JZ 20-2-3 油气平台冬季运行期间的观测与分析，验证了实际工程中加装抗冰结构的有效性；岳前进等［5］研究了海冰与抗冰结构间相互作用，建立了用于分析海冰作用的冰力函数模型；史庆增等［6］借助敏感性分析方法，研究了海上油气平台抗冰结构中正、倒锥角的最优搭配关系，并指出40°～65°是渤海海上平台抗冰结构实用的锥角范围。
现阶段海上平台抗冰结构的研究以小直径、多腿柱、导管架式的海洋油气开采平台为主，鲜有关于冰区海上风电场超大直径单桩基础抗冰结构设计与分析的系统性研究成果。
依托渤海冰区某拟建海上风电场，在借鉴渤海海上油气平台抗冰经验的基础上，设计了适用于该场区海上风机超大直径单桩基础的抗冰结构，并建立以超大直径单桩基础、抗冰结构和地基作为整体结构的三维计算模型，采用三维有限元法研究了在冰区海上风电场超大直径单桩基础上加装抗冰结构以减小海冰作用的可行性。
海上风电单桩基础抗冰锥结构研究
海上风电单桩基础抗冰锥结构研究作者：刘聪斌来源：《名城绘》2019年第04期摘要：作为一种具有一定高度的柔性支撑结构，海上风机单桩基础很容易受到海冰的负面影响，进而威胁到风机的安全运行。
基于此，必须研究一种具有抗冰能力的单桩基础结构。
本文借鉴我国渤海和黄海海域海上石油钻井平台抗冰装置的设计，结合以往项目的成功经验对海上风电单桩基础抗冰锥结构进行探讨及研究，希望可以为海上风电工程项目建设提供一定的帮助。
关键词：海上风电；单桩基础；冰荷载；抗冰锥结构近几年来，我国海上风电发展十分迅猛，天津、河北、辽宁、山东等省相继开工建设多个风电项目。
在我国北方海域，台风等自然灾害对风电机组的影响较小，但每年冬季长达3个月的冰期时间中，漂流在海中的浮冰会挤压冲击风电单桩基础，产生复杂敏感的动态响应行为，影响到风机的稳定运行。
基于此，为了有效的提升单桩基础的使用效率及寿命，为其建构一种能够抵抗海冰作用的结构型式就显得尤为重要。
1抗冰原理分析冰荷载是重冰海域海洋工程结构物设计的控制荷载，在海上风电工程项目设计建造的过程中，海冰对单桩基础结构的挤压冲击，以及因此所引起的冰激震动，是一个需要重点考虑的问题。
1.1海冰的力学性质首先，海冰的压缩强度。
海冰在很多结构物前的破坏都会表现为挤压破坏，尤其是对于直立的抗冰结构，压缩强度是海冰的重要物理性质，近些年来针对海冰和结构物相互作用的研究大部分都是从该力学性质入手。
结合大量的测量试验结果来看，海冰压缩强度的影响参数主要包括两类，分别是海冰特性和测试条件，前者包括温度、晶体类型、盐度等，后者包括约束条件、加载方向、加载速率等。
例如海冰的压缩强度和盐度呈负相关。
其次，海冰的拉伸强度。
海冰所能承受的最大拉伸应力即是其拉伸强度，这是一种反映海冰抗拉强度的力学参数，拉应力是导致海冰出现裂纹的主要原因。
海冰的拉伸强度和很多参数都存在紧密联系，如局部冰荷载水平、大面积冰排运动等。
再次，海冰的弯曲强度。
海上风力发电机组基础设计
③吸力式基础（如图3所 示）
该基础分为单柱及多柱吸力式沉 箱基础等。吸力式基础通过施工 手段将钢裙沉箱中的水抽出形成 吸力。相比前面介绍的单桩基础， 该基础因利用负压方法进行，可 大大节省钢材用量和海上施工时 间，具有较良好的应用前景，但 目前仅丹麦有成功的安装经验， 其可行性尚处于研究阶段；
二、海上风电机组基础的形式
海况测量
同步
波浪 洋流速度、方向
潮位 ……
地质勘测
海底地形（水深） 地层剖面 土壤条件 ……
场址条件数据库 分析
其他调研
结冰 地震 人类活动 ……
结果
极端风速 风速分布 湍流强度 风切变
……
波浪能量谱 H、T、V概率分布 风、浪方向分布
……
极端洋流 平均水位 极端水位
……
海床运动 剪切强度 土壤刚度阻尼
（一）海上风机基础防腐蚀设计方法和要求
无论何种结构型式，海上风机基础的结 构材料为钢材或钢筋混凝土，其防腐蚀设 计应根据设计水位、设计波高，可分为大 气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥 下区，各区区别对待。具体实施方案如下：
三、基础的设计——防腐蚀设计
1）对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀 一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层 保护；
图 4 多桩式基础示意图
④多桩基础（如图4 所示）
利用小直径的基桩，打入 地基土内，桩基可以打成 倾斜，用以抵抗波浪、水 流力，中间以填塞或者成 型方式连接。适用于较深 的水域。该设计还没有得 到真正的商业应用，仅存 在于部分试验机组。
二、海上风电机组基础的形式
图 5 漂浮式基础示意图（NREL）
⑤悬浮式基础（如图5
所示）
可安装于风资源更为丰富 的深海海域（50-200m）；
三维有限元法在冰区海上风电抗冰结构分析中应用研究
三维有限元法在冰区海上风电抗冰结构分析中应用研究作者：赵业彬褚洪民张发来源：《山东工业技术》2019年第16期有、无加装抗冰锥结构工况下桩基的应力变形规律。
结果表明，海上风机抗冰桩基的最大等效应力和极值静位移较普通桩基均大幅降低，证明了三维有限元法在冰区海上风电工程应用中的可行性。
关键词：冰区海域;海上风电;抗冰结构;三维有限元法DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.16.120在国家积极开发和利用可再生能源的战略背景下，渤海近海风电场的建设势在必行。
然而，渤海海域每年冬季都会出现不同程度的结冰现象，历史上曾发生过多起海上平台被海冰推倒的重大事故[1]。
因此，如何保障冰区海上风电场在海冰作用下的安全运行成为该海域海上风电场设计中亟待解决的关键问题。
本文依托渤海冰区某拟建海上风电场，在借鉴渤海海上油气平台抗冰经验的基础上[2-4]，采用三维有限元法研究在冰区海上风电场超大直径桩基加装抗冰锥结构以减小海冰作用的可行性。
1 计算模型及参数选取本文主要从静冰力角度考察在海上风机超大直径桩基加装抗冰结构的可行性。
结合研究重点，建立了如图1所示的风机抗冰桩基-地基三维计算模型。
计算模型以海平面处桩基圆心为原点，以海床泥面处为地基表面，泥面高程-15m，地基采用三维实体单元模拟，计算范围取60m×60m×70m（长×宽×高）。
桩基和抗冰锥结构则采用壳单元模拟，其中，桩基长70m，桩径6.0m，壁厚70mm，入土深度45m;锥壳板由厚度为22mm的钢板焊制而成，中心点设计标高位于平均海平面处，锥角为60°，高程-3.0m～3.0m，最大锥径9.46m。
计算模型共离散为72216个节点，70117个单元。
计算中，地基侧面约束其水平向位移，底部为全约束。
桩基和地基均采用线弹性本构模型，其中，地基土饱和容重为20kN/m3，弹性模量为30MPa，泊松比为0.28;钢材密度为7850kg/m3，弹性模量为210MPa，泊松比为0.30。
海上风电风机基础结构形式及安装技术
海上风电风机基础结构形式及安装技术摘要：海上风力发电是未来主要风能趋势，且海岸滩涂风力储量丰富，具有巨大开发潜力。
但是海上存在复杂区域条件和不稳定地形，直接开发很容易引起海底土壤侵蚀和液化，这直接影响到海上风力发电机基础安全性和稳定性。
针对现有风力发电机基础，本文分析现有海上风力发电机基础结构形成，探讨其施工安装技术。
关键词：风机基础；单桩基础；安装技术前言：随着传统热能发展停滞，新能源增长会成为全球趋势。
由于热力和煤炭资源不足，清洁能源成为全球能源领域的热门话题。
风力发电作为清洁、无污染的可再生能源，越来越受到人们关注，本文将对海上风电风机进行分析探讨。
1 现状风能具有可持续发展，是一种清洁无污染能源，是未来能源发展方向。
面对我国当前环境污染现实和环境保护以及节能减排的迫切需要，海上风电将进入发展黄金时代。
故此，近年来将是海上风电发展爆发阶段。
海上风电机组安装，现已建成许多套，在基础上对风力发电机进行综合提升[1]。
2 基础结构形式通常，海上风力发电机形态基础结构主要包括重力基础、单桩基础、高桩承台基础、多桩基础及导管架式基础、吸力锚基础，详见下表。
2.3 高桩承台基础高桩承台基础需要根据实际地质条件和施工难度施工，其外围桩通常从一定角度向内倾斜。
地基应用于风电设备建造前，它是由基桩和上部承载平台组成，是沿海码头常见结构。
优点是对水平位移受力和阻力有利；缺点是基底较长，整体结构较重，因此适合于深度小于20米浅海海域。
2.4 多桩基础多桩基础使用多个钢堆，管道方向上部连接在钢桁架基础部分，基础上部连接在塔筒上。
多桩基础主要用于大规模风力发电园区和水深海域，在许多国家都有使用。
适合水深300米内海洋地区，不适合海底岩石多发地区情况。
多桩基础在海上石油和生产平台建设上非常成熟，可以应用于大众化和海上风能。
其优点包括质量轻、基础强度高、安装技术成熟，适用于深海；缺点是需要大量钢材，生产时间长，成本相对高，安装易受到天气影响[3]。
海上风电单桩基础抗冰锥结构设计
海上风电单桩基础抗冰锥结构设计陈立【摘要】海上风机单桩基础作为一种高耸的柔性支撑结构,在海冰的作用下,会产生复杂的动态响应行为,影响到风机的运行及安全.为此,基于渤海及北黄海海域海上石油平台的抗冰锥设计理念,介绍了抗冰锥设计中主要设计参数,给出了单桩基础的抗冰锥设计方法,针对我国北方某实际工程中的3MW海上风电单桩基础进行了抗冰设计,并校核了抗冰锥结构强度.结果表明,设计的抗冰锥能够抵御工程海域中各个水位的冰荷载作用.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2018(044)009【总页数】4页(P93-96)【关键词】海上风电;海冰;抗冰锥;结构设计【作者】陈立【作者单位】上海勘测设计研究院有限公司,上海200434【正文语种】中文【中图分类】TM6140 前言渤海及黄海北部海域风能储备密度大，秦皇岛、曹妃甸、蓬莱等一系列环渤海地区，均已成为我国“十三五”海上风电产业战略部署的重要组成部分。
然而，在渤海及黄海北部海域冬季，伴随巨大风能储备的是大面积的海冰作用威胁和低温冻结威胁。
目前，我国已建立的海上风电场多针对无冰海域，对于有冰海域的海上风电场建设尚缺乏经验。
大量的工程显示，海冰会对海洋结构工程产生巨大的危害。
1969年渤海发生特大冰封，巨大的海冰直接将矗立在海上的“海二井”石油平台推倒，造成了建国以来最大的由于海冰导致的石油平台事故。
多年来的监测数据显示，渤海及北黄海冰区海洋结构(特别是海洋石油平台结构)一直受到海冰的影响，2000年锦州20-2MSW平台在海冰的强烈作用下，平台上的放空管因剧烈晃动而断裂，导致了天然气泄漏事故[1-2]。
放眼全球，阿拉斯加库克湾的采油平台[3- 4]、北欧的Bothnia湾灯塔[5]等冰区海洋结构都不同程度地遭到过海冰的破坏。
因此可以说，海冰是关乎海洋结构安全的全球性问题。
海上风电单桩基础作为一种高耸的柔性结构，较之传统的海洋工程结构，在海冰的作用之下，会产生更加敏感和复杂的动态响应行为。
海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究
2021年 第2期海洋开发与管理93海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究李静晖,陈果,马晟翔(中交上海港湾工程设计研究院有限公司 上海 200032)收稿日期:2020-03-26;修订日期:2021-01-13作者简介:李静晖,工程师,硕士,研究方向为近海工程咨询和设计摘要:文章以大连庄河临近的渤海海域为例,基于S A C S 模型研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能㊂研究结果表明:在静冰力方面,根据不同规范推荐公式设计的大直径单桩基础材料的用量可相差约10%;在动冰力方面,在不同冰速和冰厚的组合工况下,低冰速和大冰厚作用下的大直径单桩基础结构更易产生持续振动㊂关键词:海上风电;大直径单桩基础;冰荷载;渤海;海洋工程中图分类号:P 75;P 731.15 文献标志码:A 文章编号:1005-9857(2021)02-0093-04R e a c t i o n s t o I c eL o a d s o f S i n g l eL a r g e -d i a m e t e rP i l eF o u n d a t i o no f O f f s h o r eW i n dT u r b i n e i nS e a I c eE n v i r o n m e n t o fB o h a i S e aL I J i n g h u i ,C H E N G u o ,MAS h e n g x i a n g(C C C CS h a n g h a iH a r b o u rE n g i n e e r i n g D e s i g n &R e s e a r c h I n s t i t u t eC o .,L t d .,S h a n gh a i 200032,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r t o o k t h eB o h a i S e a a r e an e a r b y D a l i a nZ h u a n g h e a s a n e x a m p l e ,t o s t u d y th e r e a c t i o n s t o i c e l o a d so f s i n g l e l a r ge -d i a m e t e r p i l ef o u n d a t i o no fo f f s h o r ew i n dt u r b i n eb a s e do n t h eS A C Sm o d e l .I nt e r m so f s t a t i c i c e f o r c e ,t h e r e c o mm e n d e df o r m u l a so fd i f f e r e n t c o d e sw e r e c o m p a r e d ,a n d i tw a s f o u n d t h a t a c c o r d i n gt o d i f f e r e n t c o d e s ,i t c o u l d l e a d t o a b o u t 10%d i f f e r e n c e i n t h e a m o u n t o f l a r g e -d i a m e t e r s i n g l e p i l e f o u n d a t i o nm a t e r i a l s .I n t e r m s o f d y n a m i c i c e f o r c e ,d i f -f e r e n t i c e s p e e d s a n d i c e t h i c k n e s s e s c o m b i n a t i o n sw e r e a n a l y z e d .T h e i c e v i b r a t i o n r e s p o n s e o f t h e l a r g e -d i a m e t e r s i n g l e -p i l ef o u n d a t i o ns t r u c t u r ei n d i c a t e dt h a tt h es t r u c t u r e w a s m o r el i k e l y t o g e n e r a t e c o n t i n u o u sv i b r a t i o nu n d e rt h ea c t i o no fc o m b i n a t i o n so f l o wi c es p e e d sa n dl a r g e i c e t h i c k n e s s e s .K e y w o r d s :O f f s h o r e w i n dt u r b i n e ,S i n g l el a r g e -d i a m e t e r p i l ef o u n d a t i o n ,I c el o a d ,B o h a iS e a ,O c e a ne n g i n e e r i n g0 引言我国北方的渤海海域具有丰富的风能资源,可开发潜力巨大,在国家政策的支持下,其海上风电建设将迅速发展㊂渤海因地处寒冷地带,冬季普遍94海洋开发与管理2021年受到海冰的影响㊂根据该海域大量石油平台的建设经验,海冰对海洋结构的作用不可轻视㊂大直径单桩基础结构因具有适应性良好和施工方便等优势,占据海上风电基础形式的主导地位㊂因此,研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能,对于渤海海上风电建设具有积极作用㊂本研究以大连庄河临近的渤海海域为例,研究大直径单桩基础结构在总静冰力和动冰力作用下的抗冰性能㊂1海冰物理力学参数在有实测条件的情况下,海上风电基础结构设计的海冰物理力学参数应由实测结果确定㊂对于无实测条件的区域或处于前期阶段的项目,海冰参数的确定可参考我国企业标准‘中国海海冰条件及应用规定“和国际广泛应用的I S O19906㊂其中,‘中国海海冰条件及应用规定“是我国科研工作者对渤海及黄海北部海域长期观测和实践经验的总结,而I S O19906是多国联合研究的极区海洋工程结构工程设计标准㊂与I S O19906相比,根据‘中国海海冰条件及应用规定“确定的海冰参数更符合渤海的实际情况[1]㊂根据‘中国海海冰条件及应用规定“,庄河海域属于18冰区,平均总冰期为80d,最长有效冰期为22d; 50年一遇的最大单层冰厚为33.2m,50年一遇的平均单层冰厚为20.4m,统计单层冰厚度的平均值为13c m㊁最大值为35c m;海冰压缩强度为2.15M P a;平均冰速为0.3m/s,最大冰速为0.7m/s㊂2总静冰力作用根据国内外观测研究结果,冰在与直立结构的作用中可能产生挤压㊁压屈㊁剪切和弯曲等破坏形式㊂对于单桩结构,应考虑挤压破坏产生的总静冰力㊂根据‘中国海海冰条件及应用规定“,作用在垂直和接近垂直的孤立柱上的水平冰力F=m I f cσc D h;该公式引入形状㊁嵌入和接触系数,适用范围为直径不大于2.5m的桩;而对于直径为2.5~10m 的桩,规范建议I f c的取值为0.4㊂I S O19906提供的直立桩前的挤压冰力F G=P G w h,其中P G= C R(h/h1)n(w/h)m,经验参数m的推荐值为-0.16㊂有学者认为,考虑到大直径单桩比普通单桩具有更高的径厚比,冰排的非同时破坏效应相对显著,结构前会发生局部的压屈破坏;因此,与适用范围较小的‘中国海海冰条件及应用规定“公式相比,I S O19906公式可反应单桩径厚比的影响,更适用于计算大直径单桩结构的冰荷载;同时根据模型试验,建议将m值修正为-0.19,以更好地适应我国渤海的冰情[2]㊂本研究选取的3.0MW海上风电机组采用的大直径单桩桩径为5.5~6.1m㊁壁厚为65~ 75mm㊁桩长为71m㊁入土深度为41m㊁水深为21m,采用‘中国海海冰条件及应用规定“公式㊁I S O 19906公式和修正的I S O19906公式,分别计算总静冰力(表1)㊂表1总静冰力及其比值公式来源总静冰力/k N总静冰力比值‘中国海海冰条件及应用规定“14131.00I S O19906(m=-0.16)38722.74修正的I S O19906(m=-0.19)35592.52由表1可以看出,I S O19906公式的总静冰力计算值是‘中国海海冰条件及应用规定“的2.74倍,可见公式的选取对结构设计的影响很大㊂分别采用‘中国海海冰条件及应用规定“和修正的I S O19906公式计算得到的冰荷载,利用S A C S计算大直径单桩的结果如表2所示㊂表2大直径单桩计算结果项目允许值结果1结果2结果3基桩抗压承载力/k N48679.36663.86663.87067.1泥面转角/ɢ4.364.295.534.26泥面最大水平位移/mm80.056.274.259.4桩底位移/mm8.00.20.340.9最大沉降量/mm100.001.141.141.11杆件U C1.0000.4900.5480.530桩身U C1.0000.5210.6610.534采用‘中国海海冰条件及应用规定“公式算得的较小冰荷载,大直径单桩结构的各项指标(结果1)均能满足设计要求㊂而采用修正的I S O19906公第2期李静晖,等:海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究95式算得的冰荷载,结构的基础泥面转角超过允许值(结果2),不能满足设计要求,须对结构进行调整㊂经试算,在桩长和入土深度不变的情况下,为使大直径单桩结构在修正的I S O19906冰荷载计算值的作用下能满足设计要求,单桩基础桩径须增大为5.5~6.6m,壁厚须增大为65~85mm,调整后的基础S A C S分析结果如表2(结果3)所示㊂据估算,原基础结构的单桩基础用钢量为712.5t,调整后的单桩基础用钢量为786.0t,表明如采用不同的规范,基础的材料费用可能相差约10%㊂目前国内针对大直径单桩结构冰荷载的研究还不多,‘中国海海冰条件及应用规定“的冰荷载计算公式不能适应大直径单桩结构,而国际规范也不能很好地适应我国渤海的冰情㊂因此,为配合渤海地区海上风电的建设需求,相关研究迫在眉睫㊂3动冰力作用海上风电大直径单桩结构具有高耸的特征,同时受上部大型动力设备的影响,对结构振动具有很高的敏感度[3]㊂有研究表明,冰力的主频率集中在0.27~0.84H z[4],海上风电结构系统频率须避开风机机组运行频率,3.0MW风机整体结构的安全频率范围为0.232~0.362H z,与冰力主频率有重合的部分,即动冰力有可能引起海上风电结构的共振,影响结构的安全和寿命[5]㊂利用S A C S得到海上风电大直径单桩结构的固有振型(图1),前6阶的固有频率如表3所示,可见结构固有频率处于安全频率范围㊂根据18冰区的海冰参数,冰厚取10~35c m,间隔取5c m,冰速取0.1~0.7m/s,间隔取0.1m/s,共有35个工况组合[6]㊂当冰速为0.1m/s㊁冰厚大于20c m时,结构将发生持续振动㊂由于结构所处海域50年一遇的平均单层冰厚为20.4m,平均冰速为0.3m/s,可以推得结构发生持续振动的概率不大㊂图1前6阶结构固有振型表3前6阶结构固有频率振型频率/H z周期/s10.3023.31120.3023.31130.6771.47741.1800.84751.1870.84262.6340.380总结计算结果可知,对于大直径单桩结构,在同一冰速下,冰厚越大,冰振响应越显著;当冰速较低而冰厚较大时,结构容易产生持续振动而失稳,即厚冰层的慢速运动对大直径单桩结构不利;随着冰速的增加,冰速对冰振响应的影响不显著㊂选取6个工况组合,结构的前3阶冰振响应如表4所示㊂表4各组合情况下结构的前3阶冰振响应项目组合1组合2组合3组合4组合5组合6设计冰厚/c m151515353535冰速/(m㊃s-1)0.10.30.70.10.30.7基底剪力/k N880.868631.684630.7535777.106993.916986.921倾覆力矩/(k N㊃m)15890.712357.612382.5140661.519379.119343.447 m o d e14.5744.4744.47371.5906.9866.985 m o d e23.1303.0613.06148.8584.7804.779 m o d e30.0000.0000.0001.8850.0000.00096海洋开发与管理2021年由表4可以看出,在工况4的荷载作用下,最大基底剪力和最大倾覆力矩均比其他工况增大近10倍,冰振响应剧烈㊂按有效冰期为22d,计算结构在各组合荷载作用下的疲劳寿命㊂在非持续振动的工况下,结构的疲劳寿命远大于设计使用年限,不是大直径单桩基础设计的控制工况;在持续振动的工况下,结构的疲劳寿命大大减少,可降至1年以内㊂4结语本研究以大连庄河临近的渤海海域为例,研究大直径单桩基础结构在总静冰力作用和动冰力作用下的抗冰性能,主要得到2点结论㊂(1)采用不同的规范推荐公式计算而得的总静冰力差异较大,据此设计的大直径单桩基础材料费用可能相差约10%;针对我国渤海地区大直径单桩结构的静冰力研究迫在眉睫㊂(2)大直径单桩结构在动冰荷载的作用下,当冰速相同时,冰厚越大,冰振响应越显著;当冰速低而冰厚大时,结构易产生持续振动;随着冰速的增加,冰速对冰振响应的影响不显著㊂未引起结构持续振动的动冰荷载对大直径单桩结构的影响很小,不是设计的控制荷载㊂参考文献[1]屈衍,张大勇,许宁,等.‘中国海冰条件及应用“与I S O19906冰荷载规定比较[J].哈尔滨工程大学学报,2018,39(4):629.[2]武海斌,黄焱,李伟.大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究[J].海洋工程,2018,39(2):83-91.[3]马玉贤.渤海海域海上风电工程结构冰激振动研究[D].天津:天津大学,2015.[4]史庆增,徐继祖,宋安.海冰作用力的模拟实验[J].海洋工程,1991,12(2):16-21.[5]王世敬.导管架平台冰激振动响应分析[J].石油矿场机械,2007,36(9):21-24.[6]左晶晶.冰区海上升压站整体结构安全评价[D].大连:大连理工大学,2016.。
海上风机基础结构
海上风机基础结构引言：随着可再生能源的快速发展，海上风电作为一种清洁、可持续的能源形式，受到越来越多国家的重视与发展。
而海上风机作为海上风电的核心设备，其基础结构的稳定性和可靠性对于海上风电的运行起着至关重要的作用。
本文将对海上风机基础结构进行详细的介绍与分析。
一、单桩基础结构单桩基础结构是最早应用于海上风机的一种基础形式。
它的特点是在海底打入一根巨大的钢管桩，通过桩身与海底形成稳定的支撑。
这种基础结构具有施工简单、成本较低的优点，适用于水深较浅的海域。
然而，由于单桩基础结构的支撑面积较小，容易受到波浪和风力的影响，稳定性相对较差。
二、桁架基础结构桁架基础结构是一种较为常见的海上风机基础形式。
它由多个钢管桩和水平连接构件组成，形成一个稳定的框架结构。
桁架基础结构能够承受较大的风力和波浪力，具有较好的稳定性和可靠性。
此外，桁架基础结构的设计还考虑了施工和维护的便利性，能够减少安装和维护的难度。
三、吊装式基础结构吊装式基础结构是一种相对较新的海上风机基础形式。
它的特点是通过将风机组件的整个基础结构在陆上预制完成后，再通过起重设备将其吊装到海底的预定位置上。
吊装式基础结构的优点是施工便利、安装速度快、可重复使用等。
然而，由于吊装式基础结构需要较大的吊装设备和高强度的材料，造价相对较高。
四、沉箱式基础结构沉箱式基础结构是一种将混凝土箱体沉入海底作为基础的形式。
这种基础结构具有稳定性高、耐久性好的优点，能够适应不同水深的海域。
沉箱式基础结构的施工相对复杂，需要专业的工程设备和技术支持，因此造价较高。
五、承重式基础结构承重式基础结构是一种相对较新的海上风机基础形式。
它通过将风机的基础结构与风机塔筒进行结合，共同承担风力和波浪力的作用。
这种基础结构具有结构简单、稳定性好的优点，适用于浅海和中等水深的海域。
然而，承重式基础结构的设计需要充分考虑风机塔筒的结构强度和稳定性，以确保风机的运行安全。
结论：海上风机基础结构的选择与设计直接关系到海上风机的稳定性和可靠性。
海上风电场风机基础结构形式探讨
海上风电场风机基础结构形式探讨徐荣彬【摘要】分类介绍了国内外各种海上风电基础形式.风机基础是其上部结构的重要支撑结构,如何寻找一个既保证安全又经济的基础,是许多国家的重要研究课题之一.【期刊名称】《建材技术与应用》【年(卷),期】2011(000)007【总页数】3页(P7-9)【关键词】风力发电;海上风电;风机基础【作者】徐荣彬【作者单位】广东省电力设计研究院,广东,广州,510000【正文语种】中文【中图分类】TM614引言随着全球不可再生能源如煤炭、石油的日益减少，利用可再生能源呈现方兴未艾之势，风力发电规模越来越大，在我国的海岸及沙漠边缘的风力发电机组越来越多。
目前，已建的风力发电机组均为陆上发电机组，而海上风力发电比陆上风力发电更具有不占用陆地面积、风速比陆地大、风的方向较稳定等优点。
海上风电场风机基础是将风机稳固在海上的重要建筑物，风机基础处在海洋环境，不仅要承受结构自重、风荷载，还要承受波浪、水流力等；同时，风机本身对基础刚度、基础倾角和振动频率等均有非常严格的要求。
目前，很多国家在探索经济安全的海上风电基础形式，这对于我国的海上风电发展很有借鉴意义。
1 单桩基础(Monopile)单桩基础是最简单的基础结构，如图1所示。
它由焊接钢管组成，桩与塔筒之间的连接可以是焊接法兰连接，也可以是套管法兰连接。
单桩基础通过侧面土壤的压力传输风机荷载，插入深度取决于海床地质类型，一般深至海床下10～20 m，直径根据负荷的大小而定，一般在3～5 m，壁厚约为桩直径的1 %。
2 多桩基础多桩基础形式如图2所示。
根据实际的地质条件和施工难易程度，可以做成不同根数的桩，外围桩一般整体向内有一定角度的倾斜。
图1 单桩基础示意图图2 多桩基础示意图3 三脚桩基础(Tripod)三脚桩基础(见图3)采用标准的三腿支撑结构，由中心柱、3根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构组成。
钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连，可以采用垂直或倾斜管套，中心柱提供风机塔架的基本支撑，类似于单桩基础。
三桩基础海上风机结构的比较分析
三桩基础海上风机结构的比较分析1. 引言1.1 背景介绍三桩基础海上风机结构由三根桩组成，分布呈三角形状，可以增加基础的稳定性和承载能力。
相比于传统的单桩基础结构，三桩基础结构具有更好的抗风性能和更高的安装效率，逐渐成为海上风电行业的新趋势。
本文将对三桩基础海上风机结构进行详细比较分析，探讨其设计特点、优缺点、应用案例以及未来发展趋势，旨在为海上风力发电领域的研究和实践提供参考。
通过研究对比不同类型的海上风机基础结构，可以更好地指导工程项目的设计和建设，推动海上风力发电行业的健康发展。
1.2 研究目的研究目的是为了探讨三桩基础海上风机结构在海上风电领域中的应用和发展情况，分析其设计特点、优缺点以及应用案例，进一步比较其与其他类型海上风机结构的优劣之处。
通过对三桩基础海上风机结构的研究分析，旨在总结其优势和局限性，为未来海上风电工程建设提供参考和指导。
本研究也旨在展望三桩基础海上风机结构未来的发展趋势，并提出未来研究方向，以促进海上风电技术的进步和创新。
通过对三桩基础海上风机结构的深入研究，可以为海上风电领域的发展和应用提供重要的理论和实践支持，推动我国清洁能源产业的发展和可持续发展。
1.3 研究意义三桩基础海上风机结构是目前发展较为成熟的一种海上风机基础结构形式，其在风能利用领域具有较大的应用前景和市场价值。
研究三桩基础海上风机结构的意义在于深入了解其设计、特点、优缺点以及未来发展趋势，为提高海上风机的稳定性、安全性和经济性提供重要参考和指导。
通过对三桩基础海上风机结构的比较分析，可以帮助工程师和设计师更好地选择和设计适合特定环境和需求的风机基础结构，从而提高风机的风电利用率和工作效率，同时也降低建设和运维成本。
研究三桩基础海上风机结构还有助于推动我国海上风电产业的发展，促进可再生能源的利用和保护环境的可持续发展。
研究三桩基础海上风机结构的意义不仅在于技术上的探索和突破，更在于为我国能源结构转型和可持续发展做出贡献。
海上风机基础及其施工方法、抗冰装置及风力发电机组[发明专利]
![海上风机基础及其施工方法、抗冰装置及风力发电机组[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/82565bf9cc7931b764ce1512.png)
专利名称：海上风机基础及其施工方法、抗冰装置及风力发电机组
专利类型：发明专利
发明人：周昳鸣,郭小江,闫姝,陈晓路,刘溟江,姚中原,郑枫,李华,杨立华,袁辉,张中鼎,孔超,管春雨,邵斌田,顾健威申请号：CN202110063448.8
申请日：20210118
公开号：CN112727699A
公开日：
20210430
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种海上风机基础及其施工方法、抗冰装置及风力发电机组；抗冰装置包括壳板、肘板、水密隔板、上圈梁和下圈梁，上圈梁和下圈梁分别与肘板的两端连接，肘板沿上圈梁和下圈梁周向均匀布置，水密隔板设置在肘板的中部，肘板的宽度从中心向两端逐渐减小，壳板关于水密隔板上下对称，壳板与肘板、上圈梁以及下圈梁连接，壳板为曲面与现有技术相比，该发明中的抗冰装置可以更有效地把浮冰的冲击力分解成与壳板垂直的支撑力，使浮冰的破坏模式由抗压破坏变成抗弯破坏；布置灵活，可以按照计算分析抗冰锥的尺寸和形状参数，沿主体结构外围布置，达到最佳效果；施工简单、快速，成本低。
申请人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,华能盐城大丰新能源发电有限责任公司,华能国际电力股份有限公司江苏清洁能源分公司,华能海上风电科学技术研究有限公司地址：102209 北京市昌平区北七家镇未来科技城华能人才创新创业基地实验楼A楼
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：王艾华
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海上风机防撞防冰装置[发明专利]
![海上风机防撞防冰装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e22bf53e3186bceb18e8bbd2.png)
专利名称：海上风机防撞防冰装置专利类型：发明专利
发明人：张力伟
申请号：CN201510855080.3申请日：20151130
公开号：CN105297681A
公开日：
20160203
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种海上风机防撞防冰装置，包括两层或两层以上的防撞筒结构，防撞筒结构由两个以上的防撞环构成，防撞环上下层叠设置，防撞筒结构的周向竖直地插入多根串联杆，串联杆逐个穿过防撞环将防撞环串联在一起，防撞环由防撞胶管通过串联杆拼接而成，防撞环的拼接口彼此错开，露出防撞筒结构的串联杆的两端上设置夹紧部件，相邻的防撞筒结构之间通过连接件彼此连接，防撞筒结构套在风机基础上，并通过吊索与风机基础进行吊装。
本发明的有益效果是：易于安装，造价低的优点。
该结构能够有效缓冲运维船只对风机基础的冲击及冬季海面结冰时冰层对风机基础的挤压作用，同时还能有效地减弱海水对风机基础的冲刷作用。
申请人：新誉集团有限公司
地址：213164 江苏省常州市武进区高新技术产业开发区凤林路68号
国籍：CN
代理机构：常州市维益专利事务所
代理人：张晓东
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(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.02.05C N 203420289U (21)申请号 201320485081.X(22)申请日 2013.08.08E02D 31/00(2006.01)E02D 27/52(2006.01)E02D 27/44(2006.01)(73)专利权人上海电力设计院有限公司地址200025 上海市黄浦区重庆南路310号18－22楼(72)发明人邹辉(74)专利代理机构上海富石律师事务所 31265代理人刘峰(54)实用新型名称海上风机基础的防冰结构(57)摘要本实用新型公开了一种海上风机基础的防冰结构，包括一用于抵抗外部撞击的防冰锥和两用于将所述防冰锥固定连接在海上风机桩基础上的抱箍，所述防冰锥包裹环设于海上风机桩基础的高潮位和低潮位之间，所述防冰锥的上端部通过一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的高潮位，所述防冰锥的下端部通过另一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的低潮位。
本实用新型将防冰锥套设在海上风机桩基础最频繁遭遇海冰撞击的高潮位和低潮位之间，有效增强海上风机基础的防撞击性能和抗海冰流激振动动力能力。
同时，在防冰锥的上下两端部处通过抱箍便将其固定安装在所述海上风机桩基础上，施工更加便捷有效。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书3页 附图2页(10)授权公告号CN 203420289 U1/1页1.一种海上风机基础的防冰结构，其特征在于：包括一用于抵抗外部撞击的防冰锥和两用于将所述防冰锥固定连接在海上风机桩基础上的抱箍，所述防冰锥包裹环设于海上风机桩基础的高潮位和低潮位之间，所述防冰锥的上端部通过一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的高潮位，所述防冰锥的下端部通过另一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的低潮位。
2.如权利要求1所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：所述防冰锥由一上圆台和一下圆台对接组成，所述上圆台的上底面通过所述抱箍套设在所述海上风机桩基础的高潮位，所述下圆台的下底面通过另一所述抱箍套设所述海上风机桩基础的低潮位，所述上圆台的下底面和所述下圆台的上底面在所述海上风机桩基础的平均潮位处对接，所述上圆台的上底面直径小于所述上圆台的下底面直径，所述下圆台的上底面直径大于所述下圆台的下底面直径，所述上圆台的下底面直径与所述下圆台的上底面直径相等。
3.如权利要求1或2所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：所述防冰锥的外周侧面覆盖设置有靠泊橡胶护舷。
4.如权利要求1或2所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：在位于所述海上风机桩基础高潮位向上延伸设置有外部船舶辅助爬梯。
5.如权利要求2所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：所述上圆台和下圆台的对接面与所述海上风机桩基础的平均潮位处重合，且所述上圆台和下圆台以所述对接面为对称面上下对称。
6.如权利要求2所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：所述上圆台的母线和所述上圆台的轴之间的夹角为28-32°。
7.如权利要求2所述的海上风机基础的防冰结构，其特征在于：所述下圆台的母线和所述下圆台的轴之间的夹角为28-32°。
权 利 要 求 书CN 203420289 U海上风机基础的防冰结构技术领域[0001] 本实用新型涉及结构安全技术领域，尤其涉及一种海上风机基础的防冰结构。
背景技术[0002] 海上风力发电与陆上风力发电的最大区别在于两者所处的位置，海上风电机组的基础处于海上，故高纬度海域海上风机基础会遭受海水的侵蚀和海冰的撞击，海上风机进行维护时，需要通过检修船靠泊在风机基础上通过爬梯与风机基础进行连接，才能到达风机基础上进行检修。
[0003] 针对于海上风机基础的特殊地理位置，本发明人致力于开发一种能够有效增强海上风机基础的防撞撞击性能和抗海冰流激振动动力能力的海上风机基础的防冰结构。
实用新型内容[0004] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种能够有效增强海上风机基础的防撞撞击性能和抗海冰流激振动动力能力的海上风机基础的防冰结构。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型提供了一种海上风机基础的防冰结构，包括一用于抵抗外部撞击的防冰锥和两用于将所述防冰锥固定连接在海上风机桩基础上的抱箍，所述防冰锥包裹环设于海上风机桩基础的高潮位和低潮位之间，所述防冰锥的上端部通过一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的高潮位，所述防冰锥的下端部通过另一所述抱箍固定连接在所述海上风机桩基础的低潮位。
[0006] 较佳的，所述防冰锥由一上圆台和一下圆台对接组成，所述上圆台的上底面通过所述抱箍套设在所述海上风机桩基础的高潮位，所述下圆台的下底面通过另一所述抱箍套设所述海上风机桩基础的低潮位，所述上圆台的下底面和所述下圆台的上底面在所述海上风机桩基础的平均潮位处对接，所述上圆台的上底面直径小于所述上圆台的下底面直径，所述下圆台的上底面直径大于所述下圆台的下底面直径，所述上圆台的下底面直径与所述下圆台的上底面直径相等。
[0007] 较佳的，所述防冰锥的外周侧面覆盖设置有靠泊橡胶护舷。
[0008] 较佳的，在位于所述海上风机桩基础高潮位向上延伸设置有外部船舶辅助爬梯。
[0009] 较佳的，所述上圆台和下圆台的对接面与所述海上风机桩基础的平均潮位处重合，且所述上圆台和下圆台以所述对接面为对称面上下对称。
[0010] 较佳的，所述上圆台的母线和所述上圆台的轴之间的夹角为28-32°。
[0011] 较佳的，所述下圆台的母线和所述下圆台的轴之间的夹角为28-32°。
[0012] 综上所述，本实用新型将防冰锥套设在海上风机桩基础最频繁遭遇海冰撞击的高潮位和低潮位之间，有效增强海上风机基础的防撞撞击性能和抗海冰流激振动动力能力。
同时，在防冰锥的上下两端部处通过抱箍便将其固定安装在所述海上风机桩基础上，施工更加便捷有效，能节省海上风机结构施工有限的可利用时间。
[0013] 此外，本实用新型的海上风机基础的防冰结构还联合设置了靠泊橡胶护舷和外部船舶辅助爬梯形成了一套海上风机基础防冰撞击、防船撞击、检修船只靠泊和检修人员上下风机塔筒检修通道等的完整体系。
结合如上所述的上圆台和下圆台结构组合形成防冰锥，进一步优化了结构，可以进一步增加海上风机桩基础的整体刚度和海冰撞击区、船舶靠泊区的局部刚度，提高了基础的防撞撞击性能和抗海冰流激振动动力能力，可以节省海冰撞击区风机基础一部分爬梯长度，解决撞击区附属结构防冰撞击，节省附属结构钢材量，且施工质量可靠、简捷，不损伤海上风机桩基础，经济性好。
[0014] 以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明[0015] 图1为本实施例海上风机基础的防冰结构的结构立面图。
[0016] 图2为图1的A-A截面示意图。
具体实施方式[0017] 图1为本实施例海上风机基础的防冰结构的结构立面图，图2为图1的A-A截面示意图。
如图1和图2所示，本具体实施例提出了一种海上风机基础的防冰结构，包括一用于抵抗外部撞击的防冰锥1和两用于将防冰锥1固定连接在海上风机桩基础2上的抱箍，如图1所示，两所述抱箍分别为上抱箍3和下抱箍4。
[0018] 如图1所示，防冰锥1包裹环设于海上风机桩基础2的高潮位和低潮位之间，防冰锥1的上端部通过上抱箍3固定连接在海上风机桩基础2的高潮位，防冰锥1的下端部通过下抱箍4固定连接在海上风机桩基础2的低潮位。
[0019] 具体的，如图所示，防冰锥1由一上圆台11和一下圆台12对接组成，上圆台11的上底面通过上抱箍3套设在海上风机桩基础2的高潮位，下圆台12的下底面通过下抱箍4套设海上风机桩基础2的低潮位，上圆台11的下底面和下圆台12的上底面在海上风机桩基础2的平均潮位处对接，上圆台11的上底面直径小于上圆台11的下底面直径，下圆台12的上底面直径大于下圆台12的下底面直径，上圆台11的下底面直径与下圆台12的上底面直径相等。
[0020] 示例性的，上圆台11和下圆台12的对接面与海上风机桩基础2的平均潮位处重合，且上圆台11和下圆台12以所述对接面为对称面上下对称。
如图1所示，本实施例的上圆台11的母线和上圆台11的轴之间的夹角为30°，下圆台12的母线和下圆台12的轴之间的夹角为30°，当然了，本实施例上圆台和/或下圆台的所述夹角还可以选用28°或32°等其他角度，此处不再赘述。
[0021] 本实施例的防冰锥为上圆台和下圆台分体单独预制成型，然后于现场先套设下圆台，固定后再套设上圆台，现场进行对接而成。
当然了，在其他具体实施例中，防冰锥也可以是一体成型结构，如根据海上风机桩基础的具体情况预制尺寸匹配的防冰锥，然后直接套设在海上风机桩基础上，通过两端抱箍直接进行固定。
防冰锥的形状也可以根据需要进行调整，此处不再赘述。
[0022] 作为本实施例的进一步具体实施方式，防冰锥1的外周侧面覆盖设置有靠泊橡胶护舷5，在位于海上风机桩基础2高潮位向上延伸设置有外部船舶辅助爬梯6。
[0023] 如图所示，本实施例的防冰锥1上下两端分别通过上抱箍3和下抱箍4贴合密封套设在海上风机桩基础2的侧面上，还在防冰锥1的外周侧面上覆盖靠泊橡胶护舷5，在海上风机桩基础2高潮位上侧即防冰锥1上方设置外部船舶辅助爬梯6，各部件的组合形成了一套海上风机基础防冰撞击、防船撞击、检修船只靠泊和检修人员上下风机塔筒检修通道等的海上风机基础的防冰结构，有效增加海上风机桩基础的整体刚度和海冰撞击区、船舶靠泊区的局部刚度，提高了基础的防撞撞击性能和抗海冰流激振动动力能力，节省了海冰撞击区风机基础一部分爬梯长度，解决撞击区附属结构防冰撞击，节省附属结构钢材量，且还具有施工质量可靠、简捷，不损伤海上风机桩基础，经济性好的优点。
[0024] 以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。
应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。
因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
图1图2。