江苏海域海上风机单桩基础设计敏感性分析

郇彩云 斯锋

摘要：海上风机单桩结构自身的频率低，基础设计基本受频率控制，本文根据 100台已建单桩基础的桩径、基础顶位移、转角、泥面位移成果，分析单桩基础频率与其相对关系。结果表明，基础顶转角与泥面转角、基础顶位移与泥面位移关系基本呈线性分布;基础顶的变形大时，整机频率普遍小。

关键词：海上风机;单桩基础;频率

近年来我国海上风电场工程发展速度较快，其中单桩基础结构由于其结构简单、受力明确，无复杂节点，结构抗疲劳性能好，获得了广泛应用。目前国内外约有 60%～70%的海上风机基础均选择采用了单桩基础。江苏为我国海上风电场发展昀早、昀快的省份，单桩基础应用昀为广泛。单桩基础仅设置单根钢管桩，因此其自身刚度较低。风机正常运行时上部风机对基础结构自身刚度要求较高，我国海域内浅表层地基土多为淤泥质软土，桩身自由段较长，基础刚度相对于其它方案要低。

为避免桩身自由端增长而造成基础刚度不够，在结构设计过程中，需要研究单桩基础及上部风机塔筒+风机的整体频率，避免结构整机频率与叶轮转动发生振动。

1 海上风机单桩基础设计控制标准

海上风机基础设计时，控制因素主要有应力、疲劳、变形、频率、承载力等控制。目前江苏海域已经建成的风电场水深普遍较低，结构的应力相对较小;海上风机基础所受的竖向力较小，因此单桩基础的承载力主要由水平承载力控制，即由水平变形控制 [1];结构的疲劳与频率关系较大，因此单桩基础变形和频率为其昀重要的控制条件。本文为简化期间，重点分析频率与变形之间的关系。

2 基础样本选取

为方便单桩基础设计敏感性分析，本文选择了 100台江苏海域水深20m左右、风电机组 3.0MW的风机基础为样本进行分析。

单桩基础的直径为 6～6.5m，基础顶高程均为 10m，基础底高程-59～-79m;桩长 69～89m，钢管桩重量约 648～856t，钢管桩平均重量为 741t，各个基础钢管桩重量分布以及单桩桩长与桩重关系如图 1、图 2所示。

本文采用 ANSYS有限元分析 [2-3]对大直径单桩基础进行了数值模拟分析。并对风电机组及风电机组基础组成的整体系统，即叶片+轮毂+机舱+塔架+基础+地基系统进行模态分析，对照风机厂家提供的叶片转动频率、塔筒自振频率以及波浪频率，避免系统发生共振的可能性。通过模态分析，评价基础结构设计是否满足海上风电机组动力特性的设计要求。

如图 3～5所示，为 100台机位的频率及其他主要变形成果。

3 单桩基础设计敏感性分析

风和波浪是海上风机结构承受的主要荷载，这些荷载具有明显的动力特性，海上高耸的海上风机结构体系在这些动力荷载作用下将产生显著的动力特性，而这些动力效应总是趋向于增加应力数值并损害结构的长期承载能力。因此，风机-塔架-基础-地基系统是一个相互作用高度耦合的动力系统，需采用结构整体模型进行动力分析，以掌握结构的动力特性和响应。因此需要对频率进行敏感性分析。

如图 6所示，给出了 100台机位 6m、6.2m及 6.5m时整机频率分布情况，从分布图看，除 6.5m直径钢管桩样本数量较少外，6m桩径和 6.2m桩径频率分布范围基本一致，整机频率基本在 0.274～0.282Hz，可见此 100个机位钢管桩设计较为合理，昀终整体刚度基本一致。

从图 7、图 8所示可以看出，基础顶转角与泥面转角、基础顶位移与泥面位移关系基本呈线性分布。

从图 9～12所示可以看出，整机频率与基础顶位移相关性较其与泥面位移相关性更好;整机频率与基础顶轉角相对关系较其与泥面转角相对关系更好。即基础顶的变形大（位移和转角）时，整机频率普遍小。

4 结束语

本文结合江苏海域 100台 20m水深左右的单桩基础设计成果，进行单桩基础敏感性分析，形成的结论如下：（1）6m桩径和 6.2m桩径频率分布范围基本一致，昀终整体刚度基本一致;（2）基础顶转角与泥面转角、基础顶位移与泥面位移关系基本呈线性分布;（3）基础顶的变形大（位移和转角）时，整机频率普遍小。

参考文献

[1]海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法—工作应力设计法[M].国家发展和改革委员会，SY/T 10030-2004.

[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]李围，叶裕明，刘春山，等.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

作者简介：郇彩云，女，高级工程师，研究方向：海上风电基础结构设计。