国内某海上风电场单桩基础概念设计

文 | 黄富涛，杨晓强，张星波，刘励学，郝利忠

目前国内仅建成上海东大桥项目这一个真正意义的海上风电场，海上风电仍处于探索起步阶段，何种型式的基础适合中国的海上风电仍处于研究之中。

单桩基础是一种常见的海上风电基础型式，在欧洲得到了广泛应用，这是由于其加工制造、运输以及施工方便，而且适合于大规模的应用。借鉴欧洲海上风电经验，结合目前国内海上风电项目的海洋水文、地质等情况，单桩基础目前是一种非常适合国内的基础型式。

本文选取国内某海上风电项目，根据所提供的海洋水文、气象资料、地勘资料及风电机组资料进行单桩基础的概念设计。

单桩基础设计输入条件

单桩基础海上风电机组由叶轮、机舱、塔筒、单桩基础组成，海上风电机组所受载荷示意图如图1所示。

图1 海上风电机组载荷示意图

单桩基础由过渡段和单桩组成，顶部承受风电机组传递的载荷，此外单桩还受到波浪、洋流、冲刷等作用的影响，插入海床内的基础还受到海床的反作用力，在基础设计初期阶段，需要明确上述与载荷及边界条件相关的所有输入条件。

海上风电项目介绍

该海上风电场的装机容量为200MW，位于江苏海域，拟采用4MW机组，基础型式为单桩基础。

该海上风电项目的工程地质提供了相应风电机组点位的钻孔资料，钻孔深度为海床以下80m，共13个土层，力学参数详见地质勘测报告。该项目的海洋水文气象资料提供了风观测点的风资源观测情况及波浪观测点的波浪观测情况，给出了风玫瑰图、浪玫瑰图及风和浪方向之间的关系。

整机厂家提供了塔筒底部的极限工况载荷和疲劳工况载荷，并提供了塔筒、机舱和叶轮的质量和刚度分布情况等进行系统振动性能分析的必要条件。

单桩基础概念设计

单桩基础为薄壁锥状或管桩结构，结构比较简单，概念设计阶段是为了确定基础主体钢结构的外形尺寸和重量，为项目前期的费用测算提供依据。因此单桩基础概念设计是在载荷及地质条件已知的情况下：确定单桩各截面的设计高程、确定系统固有频率、确定桩的外径和壁厚、确定桩的入土深度、完成桩的疲劳损伤计算及极限强度计算。

（一）确定设计高程

这里所说的设计高程为与水位相关的单桩基础设计高程，包含工作平台的高程、单桩顶部高程和过渡段底部高程。

工作平台高程的设计原则是确保在海上风电机组寿命期内，极限波浪打不到平台，即确保极限浪高和平台之间有一定的高度差。GL规范中规定了平台地面高程的设计方法，如公式（1）所示：

式中： Zplatform为工作平台的高程

LAT为最低潮位

ΔZtide为潮汐变化范围

ΔZsurge为涌浪变化范围

ΔZair为工作平台底部与极限浪高之间的距离

ξ*为极限浪高

根据该项目的海洋水文资料，将以上参数代入公式（1）进行计算，得到平台的底部高程为11m。

单桩基础顶部高程设计参考位置为最低潮位（基于85高程-2.5m），一般位于最低潮位1m以上，因此单桩顶部高程为-1.5m。

过渡段底部高程设计，过渡段与单桩之间通过水泥灌浆连接，灌浆水泥连接段的长度一般为单桩外径的1.5倍。塔筒底部外径为5m，塔筒与过渡段之间通过法兰连接，则过渡段的外径也为5m，因此过渡段灌浆部分的长度为7.5m，过渡段的底部高程为-9m，因此过渡段的长度为20m。

（二）确定系统固有频率

按照IEC400－3规范的要求，基础设计时需要避开的波浪激励源频率主要为疲劳波浪载荷的频率。根据该项目的海洋水文资料，疲劳波浪载荷的频率主要集中在0.1Hz－0.25Hz之间，如图2所示，其中蓝色曲线为波浪载荷的频谱曲线。

对于风载荷的激励频率，由于风驱动叶轮进行旋转，需要避开正常发电频率（风电机组设计时，正常发电频率称为1P），此外每个叶片的扫掠频率也需要避开，一般风电机组有3个叶片，因此需要避开1P和3P数值。该项目的风电机组为某整机厂家的4MW海上风电机组，该风电机组1P的范围为0.114Hz－0.21Hz，则3P的范围为0.342Hz－0.63Hz，如图2中的1P、3P所示。

图2 系统第一阶设计频率范围

综合考虑波浪和风的激励频率范围，选取该海上风电项目包含单桩基础的海上风电机组系统的一阶固有频率设计值位于0.28Hz－0.32Hz之间，如图2所示。

（三）确定单桩基础的外径和壁厚

设计初始阶段，可以综合考虑加工、制造、施工等因素假设单桩的外径，单桩壁厚与外径的初始之比一般可取1:100，概念设计阶段可认为壁厚不变，在详细设计阶段根据计算结果对壁厚进行优化设计。一般情况灌浆水泥的厚度假定为50mm，灌浆的长度与直径（单桩的外径）之比为1.5。

设计初期阶段可以假定过渡段的壁厚与单桩基础的壁厚相同。单桩基础的外径确定之后，过渡段的外径可以通过公式（2）计算得到：

式中：Dgd为过渡段外径

Ddz为单桩外径

tgd为过渡段壁厚

tgj为灌浆厚度

利用公式（2）进行计算，得到单桩基础的外径为4.8m。

（四）系统的振动性能计算

本项目根据整机厂家提供的资料，叶轮-机舱系统被看作一个质量点，仅考虑质量和转动惯量对系统振动频率的影响，采用ANSYS软件的MASS21单元进行模拟。

风电机组塔筒为细长薄壁件结构，对整个系统的振动性能影响很大，需要进行详细的建模。根据塔筒结构的几何特性，可以采用梁单元模拟筒体；法兰壁厚较厚，连接处不能直接简化成梁单元模拟，需要进行等效处理，将法兰简化为质量点，连接法兰简化为与法兰颈等壁厚的梁单元。梁单元利用ANSYS软件的BEAM188单元模拟，该软件提供了常用梁单元的截面库，可以根据塔筒截面形状直接定义，法兰质量采用MASS21单元模拟。

单桩基础结构与塔筒类似，概念设计阶段假定为均匀壁厚的筒体，采用ANSYS软件的BEAM188单元模拟。

海床为实体结构，土壤模型为圆柱体，土体直径一般为10倍单桩基础直径。采用ANSYS软件的SOLID45单元模拟，该单元为8节点实体单元模拟，材料属性采用ANSYS软件的D－P模型模拟。

单桩基础梁单元与海床实体单元之间采用MPC184单元进行连接，该单元为多点约束单元（MPC），可用于梁单元和实体单元之间的连接。所取海床模型的底面及圆柱体侧面采用位移约束，约束节点的三个方向自由度。图3所示为ANSYS软件中创建的某海上风电机组系统有限元模型图，其中单元数量为16588，节点数量为17344。

根据海上风电机组系统的固有频率计算结果，调整单桩的壁厚和入土深度。经过多轮计算，基于给定的壁厚，单桩基础的入土深度为40m－48m时满足频率要求，如表1所示。

（五）单桩基础极限强度计算

极限波浪载荷根据该项目海洋水文资料，选取极限波浪模型进行载荷计算，然后将极限浪载和整机厂家提供的极限工况风载按照DNV规范中规定的方法进行载荷的叠加。

单桩基础极限强度计算主要指结构在极限载荷下的应力及稳定性。必须确保单桩基础焊缝、应力集中区域在极限工况下的最大应力小于材料的屈服极限，计算结果的判断需要考虑材料的安全系数。为了确保结构的稳定性，单桩基础在泥面处的变形必须限制在一定的范围内。

极限强度计算通过ANSYS软件完成，海床、单桩及过渡段都采用SOLID45六面体实体单元模拟，桩土之间采用面面接触，在过渡段的顶部通过MPC施加载荷，约束土体侧面和底部位移，单元总数量为8119，节点总数量为12830。桩土接触分析有限元模型如图4所示。

图3 风电机组系统有限元计算模型

表1 入土深度-系统第一阶振动频率

图4 桩土接触有限元模型

图5 水平位移图

图6 单桩冯米塞斯等效应力分布图

图7 焊缝热点应力

根据单桩基础极限强度计算结果，调整单桩的壁厚和入土深度。当单桩基础的入土深度为44m，壁厚位于50mm－70mm之间时，满足极限强度要求，水平位移结果如图5所示，单桩冯米塞斯等效应力结果如图6所示。

从计算结果可以看出泥面处的水平位移为150mm，桩体上的最大冯米塞斯等效应力为154MPa，均满足设计要求。

（六）疲劳损伤计算

疲劳波浪载荷根据该项目海洋水文资料，选取疲劳波浪模型进行载荷计算，然后将疲劳浪载和整机厂家提供的疲劳工况风载按照DNV规范中规定的方法进行载荷的叠加。

单桩基础单位载荷应力计算一般采用热点应力法，如图7所示,焊缝S－N曲线的选取需要参考ENV1993规范，疲劳损伤的计算采用Minner线性累积损伤理论。

经过计算单桩基础在风电机组20年寿命期内最大疲劳损伤为0.8，满足设计要求。

结语

根据国内某海上风电项目的海洋水文、气象资料、地勘资料及拟选用的风电机组参数，选取水深为10m的风电机组点位进行设计及优化计算：

单桩基础的长度为55m，入土深度为44m，外径为4.8m，壁厚范围为50mm－75mm，总重约为600吨。

过渡段的长度为20m，外径为5m，壁厚范围为50mm－65mm，总重约为150吨。