浅谈导管架式海上风电基础结构分析

浅谈导管架式海上风电基础结构分析

风能是清洁性能源，具有可再生性以及独特的优越性，随着社会和科技的不断进步，推动了海上风能的开发以及利用。在海上风电产业发展的背景下，我国对新型能源的需求量在不断增加，从而促使海上风机发展成海洋工程结构物，目前，我国已经建成的具有代表性的海上风电场有山东的荣成项目、上海的东海大桥项目等。

标签：导管架式；海上风电；基础结构

风能是一种清洁性能源，具有可再生性、可利用性、长期性、周期性等特点。风能与煤炭、石油等化石能源的特性不同，不存在能源勘探、能源挖掘、能源加工等问题，在其使用过程中，不会因为使用量的增加而减少，其中风能的应用主要是风力机发电，而海上风力机会受到海洋环境以及桩基结构的影响。

一、海上风电基础结构型式

目前，针对海上风电的开发阶段，降低海上风电场建设的经济投资是海上风电开发和利用的关键，其中经济投资中成本占比最大的是风电机组基础结构的建设成本，而这部分也直接影响风机运行的结构稳定性和安全性，因此，风电基础结构的研发成本低、可靠稳定性高，能够保证海上风电场的顺利建设[2]。在海上风电场的利用和发展过程中，通过对海上固定式平台基础结构的加工和衍变，形成了我国现有的海上风机基础结构，根据海上风机装机容量的不同，以及海水深度、海水环境、建设投资的不同，可以将海上风电基础型式分为以下四种：

①重力式基础：是指海上风电基础结构需要依靠其自身的重力来维持结构的稳定性和强度性，常见的型式是钢筋混凝土结构。如图1所示

②桩承式基础

桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承担结构的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩周土接觸产生的侧向力来承载结构的竖向荷载。桩承式基础分类

按材料分：钢管桩基础和钢筋混凝土桩基础；按结构形式分：单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩承台基础。如图2所示

③浮式基础：是指利用系泊或者锚杆在海底进行位置的固定，通过三力的平衡来维持海上风机基础结构的稳定性，其中三力是指自身重力、系缆回复力、结构浮力，并且还能够精准控制海流影响产生的摇晃角度。如图3所示

二、导管架式海上风机基础结构型式

导管架式海上风机基础结构是桩式基础结构的一种，其概念是由海上固定式导管架平台衍生而来，常见的型式结构为钢质空间框架式结构，如图4所示。导管架式基础结构具有诸多优点，如杆径小、质量轻、强度大以及受海流波浪的影响作用小，这些结构优点也使得导管架式基础结构可以应用在大型风机上以及深海领域内，并且逐步由导管架式海上风机向深海方向发展。打入海底深层；然后，在进行风机的安装，这样可以降低海上高风险作业率[1]。

三、导管架式海上风机基础结构静力分析

相关部门以及设计人员在对导管架式海上风机基础结构进行静力分析时，要严格按照API规范中对桩基承载力的规定，以现有的土壤资料来计算出土壤相关曲线，利用SACS程序软件来模拟桩-土的非线性作用，同时利用seainp程序软件来校核和计算导管架式基础结构的静力。此外，结合导管架式基础结构的沉降量和桩基承载力等数据，对不同工作情况下的杆件应力、桩应力、节点冲剪应力进行分析，根据桩基承载力的安全系数大小以及UC值的大小，来判断导管架式基础结构的强度是否符合规范中的相关要求，同时还要找出导管架式基础结构中的危险工况，并且危险工况多分布于结构的0°或90°的方向上，由此可知，对导管架式基础结构的不同工况进行校核工作是非常重要的[1]。

四、导管架式海上风机基础结构疲劳分析

海上风电基础结构的安全性和稳定性会受到风浪、海流的反复作用影响，其中容易产生疲劳损害的部位是管节点，并且这个部位也会导致整个结构产生疲劳损害，因此，相关部门或者相关设计人员可以利用SACS程序软件进行分析，注重结合导管架式海上风机基础结构型式和海洋环境条件，来对整体结构进行疲劳分析[3]。根据结构的分析结果和P-M谱，来选择处于不同频率范围内的波浪，通过对导管架式结构进行响应谱分析，来得到不同角度下的结构传递函数曲线，然后，结合波向的分布概率以及波高波周期的联合分布概率，能够将波浪载荷按照实际的情况施加在风机的基础结构上，从而能够在全方位波浪载荷作用下，分析该结构的波谱疲劳损伤效应，并且能够在此基础上，来计算出管节点的疲劳损伤度和疲劳寿命[4]。

五、结语

在海上风机基础结构型式的创新背景下，海上风机基础结构的强度校核、疲劳分析也是相关部门进行海洋工程结构分析的重要组成部分。利用SACS程序等专业软件，结合API规范，在了解土壤条件、海洋环境的基础上，对导管架式海上风机基础结构进行静力分析和疲劳分析，提高导管架式海上风机基础在设计使用寿命内的安全性、可靠性。

参考文献：

[1]陈晶.导管架式海上风电基础结构分析[D].天津大学，2014.

[2]汪亚洲，崔新维.海上桩式风电机组基础强度设计研究[J]，机械工程与自动化，2012（06）：18-20.

[3]刘建军.海上风电机组整体桁架式支撑结构动力特性与疲劳研究[D].中国海洋大学，2010.

[4]李炜，李华军，郑永明等.海上风电基础结构疲劳寿命分析[J].水利水运工程学报，2011（03）：70-76.