海上风机多桩结构运营期整体振动特性研究

李 颖,王 滨,夏艳慧

(1.浙江科技学院中德工程师学院,浙江杭州310023；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116023)

海上风机多桩结构运营期整体振动特性研究

李 颖1,王 滨2,3,夏艳慧2

(1.浙江科技学院中德工程师学院,浙江杭州310023；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州311122；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116023)

以江苏实际海上风机多桩结构为研究对象,应用场区海洋水文数据以及临近海洋结构物的检测数据,分析并确定该结构运营期内可能出现的海洋环境及荷载工况,采用有限元软件SACS分阶段开展整机运营期内的自振特性分析。计算结果表明,荷载工况引起的桩基线性化刚度和腐蚀程度是影响整机自振频率的主要因素,水位、海洋生物及基础冲刷的变化对整机自振频率影响较小；与极端工况相比,多年平均工况作用下的整机结构自振频率相对较大,运营期始为最大,应作为海上风机多桩结构整机自振频率校核的对应工况。

海上风机结构；自振特性；运营期；桩基线性化；海洋环境；荷载工况

0 引 言

目前海上风机大多为三叶片风机,为避免共振,同时满足受力安全和经济性等要求,海上风机结构的自振频率需处于1P频率(fP,又称“叶间频率”)与3P频率(f3P,又称“转子频率”)之间。由于年发电时长的大大增加,变转速风机已逐渐取代恒定转速风机,使得fP与f3P之间的频率段越来越窄,基础结构设计人员的设计难度大幅增加。以某3 MW海上风机为例,其机组安全运行的整机允许频率范围仅为0.254～0.293 Hz。海上风机多桩结构由于刚度较大,极易超出其上限；且随大功率海上风力发电机组的研发,上述允许频率范围受切入切出风速影响,变化不大；而基础刚度的增加导致整机频率增大,自振特性校核已逐渐成为海上风机多桩结构设计的控制性因素。

以往的研究中,自振特性分析往往仅作为动力分析的一个过程[1-5],少数学者针对基础结构各构件尺寸对整机自振频率的影响展开研究[6],但上述研究均集中于单一海洋环境下的自振特性分析,没有考虑风机运营期内海洋环境和荷载的随机变化对结构自振特性的影响。海上风机的服役时间通常为20～25 a,所处海洋环境复杂多变,水位变化、基础冲刷、材料腐蚀、海生物附着等因素会直接影响海上风机结构的自振特性；风、浪、流等多种随时间和空间变化的随机荷载会改变桩土相互作用的刚度,从而改变结构的边界约束条件,间接影响海上风机结构的自振特性。因此,有必要开展海上风机结构运营期内的自振特性研究,明确自振频率主要影响因素以及极限频率对应的海洋环境与荷载工况。

本文基于江苏黄海实际海上风机多桩结构,采用有限元软件SACS,结合场区海洋水文数据以及临近海洋结构物的检测数据,确定该结构运营期内可能出现的海洋环境及荷载工况,在明确整机结构自振频率主要影响因素的基础上,分阶段开展整机运营期自振特性分析,确定整机结构极限频率对应的海洋环境与荷载工况,为海上风机多桩结构的设计提供技术支持。

1 桩基线性化理论

由文献[7]中的多自由度体系频率方程可知,多自由度体系的自振特性分析是基于线性系统展开的。对于海上风机多桩结构而言,在进行自振频率计算前,需要将非线性桩土相互作用线性化,也称之为桩基线性化,得到桩头刚度矩阵。由于桩土相互作用的非线性特性,桩头刚度矩阵与外荷载密切相关,应首先选择相应的荷载工况,将外荷载施加至风机结构上,计算泥水分界线处桩(桩头)的杆件内力与位移；通过桩头的杆件内力与位移得到6×6的刚度矩阵,即为桩头刚度矩阵；最后,用桩头刚度矩阵替代泥面以下的非线性桩土相互作用,进行海上风机多桩结构的自振特性分析。

综上,荷载工况的变化,可以改变桩头刚度矩阵,从而改变海上风机多桩结构的边界约束条件,影响其自振特性。当风机结构所受外荷载较大时,桩基变形较大,桩基线性化刚度相对较小；反之,当风机结构所受荷载较小时,桩基线性化刚度相对较大。

2 计算分析模型的建立

2.1 有限元建模

实际海上风机Pentapod结构主要由机组、塔筒、主筒体、上斜撑、下斜撑、桩及桩套管组成,5根桩呈正五边形均匀布设,各桩外接圆的直径(也称“根开”)为24 m,桩顶标高-11.2 m,桩底标高-90.5 m,基础顶法兰标高16.3 m,塔筒顶部标高94.5 m,轮毂高97 m,天然泥面高程-18.45 m,风机基础结构立面示意见图1；钢管桩采用Q345C型钢材,导管架为Q345D型钢材。使用SACS软件,建立相应的有限元模型,如图2所示。

图1 Pentapod基础结构立面示意(单位：尺寸mm，高程m)

2.2 基本工况参数

结合工程场区附近五个测站的实测海洋水文数据,采用国内外公认的单桩冲刷坑计算经验公式[8-9]及规范[10]来推算基础冲刷情况,考虑到波流共同作用下的局部冲刷深度会比经验公式计算结果稍大,为保守起见,本算例认为风机基础有效范围内泥面均发生冲刷,冲刷稳定深度为5 m。基本工况参数见表1,荷载工况为多年平均工况,见表2。

参考《海上固定平台入级与建造规范》[11]和《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》[12]并结合工程实际,对基础结构进行分区,单面腐蚀裕量大气区为2 mm,飞溅区为6 mm,全浸区为4 mm,泥下区为2 mm,未封闭杆件考虑双面腐蚀,各杆件具体情况见图1。图中,“t=50(54)”代表运营期开始时壁厚为54 mm,运营期结束时壁厚为50 mm,运营期内该杆件腐蚀4 mm。

表1 基本工况参数

表2 荷载工况参数

2.3 桩土相互作用及桩基线性化

p-y曲线法如实地反映了土的非弹性性质及自泥面开始的进行性破坏现象,因此被广泛应用于固定式海上平台等建筑物的桩基设计中[13-14]。庞文彦对比了现有的各种桩基础水平承载力的计算方法,证明了p-y曲线法是最为适合海上风机桩结构水平承载力的模拟方法[15]。本文采用p-y曲线模拟水平向、t-z曲线模拟轴向、Q-z曲线模拟桩端的非线性桩-土相互作用。

结合实际海洋水文数据及风机厂家提供的风机运行荷载,分别基于多年平均工况和极端工况进行桩基线性化,得到相应的桩头刚度阵,以确定不同荷载工况引起的桩基线性化刚度对整机结构自振频率的影响。图3给出了多年平均工况和极端工况作用下同一桩的桩头刚度矩阵。

图3 桩头刚度矩阵

3 自振频率的主要影响因素分析

为明确所述海上风机Pentapod结构自振频率的主要影响因素,以基本工况为基准,通过分别单独改变水位、荷载工况、基础冲刷深度、海生物生长情况、腐蚀程度等因素,进行整机结构自振频率分析,具体工况设置和计算结果见表3,表中S1～S6工况只标明了与基本工况不同的相关参数,未标明部分与基本工况相同。

由表3可见,基本工况作用下该海上风机Pentapod结构整机自振频率为0.305 0 Hz；只改变杆件壁厚,对应运营期开始时的未腐蚀结构,整机自振频率为0.311 5 Hz,与基本工况整机自振频率相差2.11%；只改变荷载工况,得到极端工况下的桩基线性化刚度,并由此得到整机自振频率为0.301 4 Hz,与基本工况整机自振频率相差1.19%；而只改变运营期内水位、海洋生物生长及基础冲刷情况得到的整机结构自振频率与基本工况相差不超过1%。因此,该海上风机Pentapod结构运营期内,荷载工况引起的桩基线性化刚度和腐蚀程度是影响整机自振频率的主要因素；运营期内水位、海洋生物及基础冲刷的变化对整机自振频率无较大影响。

4 运营期自振频率分析

由海上风机Pentapod结构整机自振频率影响因素分析可知,运营期内荷载工况引起的桩基线性化刚度和腐蚀程度是影响其自振频率的主要因素,水位、海生物及基础冲刷的变化影响很小。因此,分别基于多年平均工况和极端工况将Pentapod结构运营期进行分段,分析各特定阶段的整机自振频率,从而确定结构在运营期内的自振频率变化,得到极限频率所对应的海洋环境与荷载工况。

表4 工况及基频

本算例中海上风机结构的设计寿命为20年,自运营期开始至结束,每5年作为一个特定阶段,将整个寿命期依据运营时间分为5个特定阶段。水位、海生物及基础冲刷同基本工况(见表1)。依据国内外规范[10-11,16-18],本算例认为风机Pentapod结构的材料腐蚀为逐年均匀腐蚀,即自运营期开始至结束,钢材的壁厚均匀减薄。对于各特定阶段,分别采用多年平均工况和极端工况进行桩基线性化,得到桩基线性化刚度,进而进行模态分析,得到整机自振频率,计算结果见图4。

图4 各特定阶段的Pentapod结构基频

由图4可见,在多年平均工况和极端工况作用下,本算例海上风机Pentapod结构的自振频率均随运营时间的增加而线性递减,这是由于材料壁厚随运营时间的增加而均匀腐蚀。与极端工况相比,各特定阶段在多年平均工况作用下的桩基线性化刚度较大,整机结构的自振频率也相对较大。

运营期开始时,多年平均工况下的整机结构自振频率最大,为0.311 5 Hz；运营期结束时,极端工况下的整机结构自振频率最小,为0.301 4 Hz；两者相差3.33%。海上风机Pentapod结构刚度较大,受杆件内力、节点冲剪、地基承载力、基础变形、整机频率和疲劳损伤等多重指标的控制,设计通过时,整机自振频率通常非常接近允许频率范围的上限。如果采用运营期结束、极端工况下的整机结构自振频率设计校核通过,则在其运营期内很有可能超出允许频率范围的上限而进入频率段,使得整机结构频率与转子频率重合而共振,产生较大损伤。因此,为保守设计起见,建议以运营期开始、结构受多年平均工况荷载作用作为海上风机Pentapod结构整机自振频率校核的对应工况。

5 结 论

本文基于江苏黄海实际海上风机Pentapod结构,结合场区海洋水文数据以及临近海洋结构物的检测数据,确定分析结构运营期内可能出现的海洋环境及荷载工况,采用有限元软件SACS,在明确整机结构自振频率主要影响因素的基础上,分阶段开展整机运营期自振特性分析,得出如下结论：

(1)海上风机Pentapod结构运营期内,荷载工况引起的桩基线性化刚度和腐蚀程度是影响其整机自振频率的主要因素；水位、海洋生物及基础冲刷的变化对整机自振频率无较大影响。

(2)与极端工况相比,多年平均工况作用下的桩基线性化刚度较大,整机结构的自振频率也相对较大。

(3)运营期结束时,极端工况下的整机结构自振频率最小；运营期开始时,多年平均工况下的整机结构自振频率最大,后者应作为海上风机Pentapod结构整机自振频率校核的对应工况。

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(责任编辑 焦雪梅)

Study on Vibration Characteristic of Multi-pile Structure of Offshore Wind Turbine during Operation Period

LI Ying1,3, WANG Bin2,3, XIA Yanhui2
(1. Chinese-German Institute of Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China; 3. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Taking the real offshore wind turbine multi-pile structure in Jiangsu Province as study object, the natural vibration characteristics of wind turbine during operation period are analyzed in stages with SACS software, in which, the marine environments and the load cases that may occur during operation period are determined by considering actual ocean hydrological data and test data of other ocean structure in engineering field. The results show that: (a) the linear stiffness of pile foundation induced by load cases and corrosion degree have significant influences on the natural frequency of whole structure, and the variations of water level, marine life and foundation scour have no obvious influence; and (b) compared with the results under extreme condition, the natural frequency of whole structure under annual average load case is larger, and the largest one appears at the beginning of operation period, which should be considered as the checking case of natural frequency of offshore wind turbine multi-pile structure．

offshore wind turbine structure; natural vibration characteristics; operation period; pile foundation linearization; marine environment; load case

2016- 07-29

基助项目：大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金项目(LP1611)；浙江科技学院科研基金(F701117F01)；中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司立项课题(KY2014- 02- 41)

李颖(1982—),女,辽宁鞍山人,讲师,高级工程师,博士,主要从事海洋工程结构防灾减灾研究；王滨(通讯作者)．

TK8

A

0559- 9342(2017)05- 0091- 04