海洋风电导管架结构对桩径变化位置的敏感性分析研究

侯法垒

（上海勘测设计研究院有限公司福建分公司，福建 福州 350001）

海上风力发电机组基础结构具有重心高、所受海洋环境荷载复杂、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等特点，海上风电机组基础的造价是影响海上风电工程总造价的主要因素之一。目前，国内外研究和应用的海上风电机组基础从结构形式上主要有重力式基础、单桩基础、高桩承台基础、多角架基础、导管架基础、负压桶基础及浮式基础[1]。

本文依据福建某项目，对导管架的设计、应用及导管架主体结构底部灌浆连接变径问题进行分析研究。为避免海生物附着、海水腐蚀等给变径处带来的风险，通过泥面以下钢管桩变径来满足灌浆间隙要求[3]。同时，对桩径变化位置进行敏感性分析，得出理想变径点，为实际工程提供指导性建议。

1  导管架基础介绍

导管架基础结构借鉴了海洋石油平台的概念，导管架基础根据桩数不同可设计成三桩、四桩等多桩导管架，其上部采用桁架式结构，其结构刚度比三、四脚架基础刚度更大[4]，适用水深和可支撑的风机规格大于三、四脚架基础，适用水深一般在10～50m。水浅区域导管架结构的造价高于单桩结构和三、四脚架结构，水深越深，由于基础具有刚度高的特点，经济性就能体现出来，该基础形式是固定式海上风电机组基础结构中适用水深最深的一种结构。导管架结构的关键部位是塔架与导管架的连接，它控制着结构的刚度与疲劳性能。导管架上部结构的交叉节点较多，结构复杂，结构疲劳敏感性高。如图1所示。

图1 导管架计算模型

2  环境荷载

风机荷载：工程采用某风机厂家提供的塔筒底极限荷载，弯矩214296kN·m，剪力2605kN·m，轴力-7762kN。

水位（1985国家高程）：设计高水位2.2m，设计低水位-1.25m，极端高水位3.51m，极端低水位-2.29m。

波浪：50年一遇极端高水位H1%=15.34m，50年一遇极端低水位H1%=13.95m。

海流：工程海域属正规半日潮流海区，设计流速海床面1.08m/s，0.2H处流速1.39m/s，0.4H处流速1.60m/s，0.6H处流速1.85m/s，0.8H处流速2.13m/s，表层流速2.44m/s。

其他：考虑冲刷5m，泥面以上导管架腐蚀3mm，泥面以下腐蚀1mm[5]。

3  导管架基础设计

导管架基础采用四桩形式，弦杆斜度1∶4.75，桩外径2.5m，布桩半径24m，桩长度约为85m。导管架主体与桩连接分底部锥形过渡和非锥形过渡形式，对两种连接形式的导管架基础进行强度计算。如图2所示。

图2 应力比结果

通过对两种形式结构计算可得，非锥形过渡杆件UC（杆件应力比值）为0.87，锥形过渡杆件UC为1.50。相比非锥形过渡连接，锥形过渡连接在主体结构下部拐角处杆件应力有很大升高，结构可靠性降低。

4  桩径变化位置敏感性分析

海水浸没区，海生物附着、钢材腐蚀严重等都是结构可靠性的不利因素。为提高结构可靠度，可将泥面以下钢管桩进行变径，以此来实现主体结构与钢管桩的灌浆间隙要求。针对该问题，下面对桩径变化位置进行敏感性分析，通过其导管架杆件强度、节点冲减强度、基础顶变形、基础顶转角变化情况进行研究，分析桩基变化位置对结构可靠性的影响。

首先进行极端工况下的静力分析，得到在泥面下钢管桩弯矩值变化情况。可以看出，桩反弯点在泥面以下10～12m之间（考虑了5m冲刷），即在不考虑冲刷的情况下，反弯点在泥面以下15～17m之间。如图3所示。

图3 弯矩变化图

为满足灌浆间隙要求，在不改变上部导管架杆件外径的情况下，钢管桩上部外径需由2.5m调整为2.05m，厚度保持不变。桩径锥形过渡角度满足规范要求[5]。考虑插件灌浆的长度7m，露出泥面部分2m，过渡锥段长度2m，故从未冲刷泥面以下深度7m开始对桩径变化位置进行分析研究。

从表2～表6可以看出，导管架主体杆件UC随桩径变化位置的深度并没有多大变化，偏差小于2%；钢管桩UC随变径位置的加深有所增加，尤其变径位置超过反弯点15m左右时，钢管桩UC明显增大，偏差大于11%；节点冲剪UC随变径位置的加深有所增加，整体增加幅度不大，但位置超过反弯点时，UC值有较大幅度上升，偏差达到4%；基础顶变形随变径位置的加深有所增加，整体增加幅度不大，但位置超过反弯点时，变形值有较大幅度上升，偏差达到9%以上；基础顶转角随变径位置的加深有所增加，在位置超过反弯点时，变形值有较大幅度上升，偏差达到5%，位置超过17m时出现骤升现象。

表2 杆件UC变化表

表3 桩 UC 变化表

表4 节点冲剪UC变化表

表5 基础顶变形变化表

表6 基础顶转角变化表

通过上述结果可以看出，钢管桩桩径变化在不超过反弯点深度的情况下，导管架及桩的受力情况变化不大，可变径位置深度一旦超过反弯点，结构响应明显增大，结构可靠性降低。

5  结论

导管架基础适用水深较深海域，因深水区域海况往往更复杂危险，提高基础可靠性至关重要。导管架主体结构需通过灌浆与钢管桩连接，为满足连接间隙要求，需对钢管柱进行变径或对插件进行变径。在海水浸没区，导管架结构腐蚀严重，不确定性因素多，应尽量避免在导管架浸没区进行插件变径，尽可能将锥形过渡放于泥面以下，降低损坏风险，故可以对钢管桩顶端进行变径，以满足灌浆间隙要求。从本文敏感性分析研究可以得出，钢管桩变径位置不超过桩反弯点的情况下，对钢管桩进行变径以实现灌浆连接是可行的，该方式既可以降低导管架底部的连接风险，又一定程度降低了钢管桩的工程量，对实际工程有一定的指导意义。