基于台风-浪时间历程荷载的风机-吸力筒导管架基础耦合分析研究

黎鹏飞，王志明，慕　仝，绳结竑，易建军，严华刚

基于台风-浪时间历程荷载的风机-吸力筒导管架基础耦合分析研究

黎鹏飞，王志明，慕仝，绳结竑，易建军，严华刚

（中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172）

吸力筒导管架基础是一种经济高效的新型海上风电风机基础形式，由于国内、外尚缺乏专门的规范、标准用于指导吸力筒基础设计，尚无法在国内推广应用。本文通过研究风机-风电机组塔筒-导管架-筒体基础作用机理，建立了一套广东区域的台风-浪时序荷载模型，开发了基于台风-浪时间历程荷载的风电机组-塔筒-风机基础一体化设计方法及耦合分析模型。该关键技术可用于评价长期动荷载作用下基础的承载力及累积变形，可为国内吸力筒基础设计提供参考。

吸力筒导管架基础；台风；浪；耦合分析

吸力筒导管架基础是一种新型的海上风电风机机组基础形式，优点在于可替代嵌岩桩，可以节省钢用量，节省费用，采用负压施工，无需额外稳桩平台，施工速度快，可作为海上风电机组一种经济高效的基础形式，具有较好的产业化前景。

欧洲在吸力筒岩土工程设计方法方面提出了最新的研究成果[1]，2015—2018年，欧洲的德国Borkum Rffrund 1&2项目、英国Aberdeen项目已建成小批量的海风吸力筒基础项目。由于我国海风主要开发区域如广东、福建、江苏沿海的极端工况如台风频繁，特别是台风-浪作用、长期风机运行下的动循环载荷对吸力筒基础这种埋深浅的基础类型，对其承载力、疲劳、沉降等的不利影响和后果将远大于通过深长桩承载的常规固定式基础。并且中国近岸海洋岩土有较厚淤泥及淤泥质土等软弱土层，对于吸力筒承载力有较大影响。鉴于中国厂址地基及环境荷载与欧洲有较大差异，国内、外尚缺乏专门的规范、标准用于指导吸力筒基础设计，欧洲吸力筒成果不能直接采用，尚缺少适用于国内厂址岩土、环境特点的吸力筒基础的关键分析技术。

为解决上述问题，本文开展了广东区域台风-浪时序荷载模型构建、风电机组-塔筒-吸力筒基础一体化设计方法、分析模型研究，并提供了工程案例，可为国内吸力筒基础设计提供参考。

1 广东区域台风-浪时序荷载模型构建

欧洲地区海上风电项目设计一般采用挪威船级社规范DNVGL，其中DNVGL-RP-C212[2]建议采用行业内广泛使用的挪威岩土所（NGI）循环累积方法，DNV-GL 规范没有进一步明确具体内容。德国专属经济区（EEZ）近海区域的监管机构 Bundesanstalt für Seeschifffahrt und Hydrographie（BSH）负责批准在 EEZ 内建造的建筑物。它要求设计遵循现行的德国国家标准和法规。BSH 标准以欧标（Eurocode）和相应的国家附件（National Annexes，NA）为基础，岩土设计遵循 DIN EN 1997/NA-1：2010-12。BSH No.7005[3]标准在这方面更具体，并建议根据对应于50年重现期的35 h风潮事件来评估土体的循环弱化效应。近年来BSH建议的35 h设计风暴潮谱已成为欧洲地区海上风电项目采用的设计要求。中国海风主要开发区域如广东、福建、江苏沿海台风频繁，同欧洲近海区域飓风有一定区别，不能直接引用欧洲规范。

本文借鉴了欧洲的相关经验，建立一套模拟广东区域目标风场的台风模型，可提取该时间过程的台风风速、台风波浪和风浪夹角等设计关键参数及风浪时序荷载曲线，可作为风电机组-塔筒-吸力筒基础耦合分析中荷载一体化计算的设计输入。

具体模拟及分析过程如下：

（1）统计目标风场历史台风数据，以吸力筒位置为中心一定范围内的台风开展分析，确定5年、10年、50年一遇的等效台风工况。具体如下：

1）选取影响该海域最强2次台风过程，获取其台风路径及其参数。

2）选取台风最低中心气压0年极值接近5年、10年、50年一遇的台风中心最低气压值的台风过程，获取其台风路径及其参数。

3）建立台风浪计算数值模型，并对模型进行检验率定。

4）计算该海域最强2次台风、强度相当于5年、10年、50年一遇的台风对应极端风速引起的吸力筒位置风速和波浪过程。

（2）开展目标风场台风历史评估

目标风场台风历史评估是通过研究登陆目标机位海域200 km范围沿岸的热带气旋，评估对吸力筒海域影响最大的超强台风过程，基于历史记录年限以吸力筒位置为中心400 km半径范围内的台风最低气压样本序列，计算其-Ⅲ分布，确定对应5年一遇、10年一遇和50年一遇极端风速的等效台风过程。

（3）构建风场和波浪数值模型

数值模型采用第三代近岸海浪数值计算模式SWAN模型和改进的Jelesnianski（杰氏）经验台风公式计算的台风风场，配置三角网格的设计，来进行台风浪的计算，以获得吸力筒位置处各台风过程的风场和波浪过程，并利用波浪浮标对模型结果进行了验证。浮标站实测波高和模拟波高吻合较好，该模型可以准确的反映波浪的变化趋势（见图1～图3）。

图1　波浪模拟计算区域及网格分布

图2 某台风路径

图3　浮标实测有效波高与模型结果对比

2 风电机组-塔筒-吸力筒基础一体化设计方法

目前国内海上风电风机基础结构设计普遍采用的分离迭代法，整个结构体系被人为割裂为风机及塔筒、与风机塔筒底法兰连接的下部基础2个独立结果，仅通过塔筒底部荷载进行传导。计算分析时风机厂家无法准确模拟下部基础及土动力性能，设计院仅能通过接口形式获取上部结构荷载等效荷载进行基础结构计算，并且双方在模拟环境荷载过程中无法做到耦合，造成了分离式设计方法在力学机理上存在缺陷。目前采取的设计方法是将风机塔筒底部的极限荷载包络值直接与下部基础的风和波浪荷载叠加，在很大程度上高估了结构的极值响应，而对疲劳分析采用风机塔筒底部的疲劳荷载损伤和下部基础波浪疲劳损伤简单叠加的方法与损伤和应力幅的非线性关系不符，从而导致很大的不确定性及结果的失真性。然而，一体化设计采用整体统一的模型进行分析，可以有效解决分离式设计极值响应偏大和疲劳损伤不确定的问题，为支持结构和地基基础的合理设计及优化设计提供了准确的实施路径。

本设计提出的吸力筒导管架基础采用的风电机组-塔筒-吸力筒基础耦合分析一体化设计一体化设计方法为：

（1）采用海上风电风机-塔筒-风机基础一体化耦合分析模型；

（2）岩土参数通过精细化勘察及高级土工试验获得，并建立了基于广东海洋成层土动循环本构模型，通过基于承载能力极限工况（ULS）、正常使用极限工况（SLS）以及疲劳极限工况（FLS）下的考虑筒-土相互作用的等效线性刚度矩阵作为约束边界；

（3）荷载施加采用台风-波浪时序荷载模拟极端风浪工况、正常运行工况风-波浪时序荷载等荷载；

（4）分析计算采用耦合计算方式，开展整体计算，计算载荷按结构关键作用节点提取，作为结构、岩土输入数据开展相关分析工作。

海上风电风机-塔筒-风机基础一体化分析流程图如图4所示。

图4　海上风电机组-塔筒-风机基础一体化分析流程图

3 海上风电风机-塔筒-吸力筒基础耦合分析模型

本文提出的风电风机-塔筒-吸力筒耦合分析模型（见图5），采用BLADED软件建立风机-塔筒-风机基础耦合分析模型，用于一体化计算分析的荷载计算。海上风电机组-塔筒-吸力筒筒耦合分析模型通过建立风机机组（包括叶片、转子、机舱）塔筒、基础支撑结构形成一个整体仿真计算结构体系，可模在各种风机载荷、环境荷载、岩土条件下的系统状态，同时可计算各种荷载条件下的系统响应，提供基础计算相关的荷载结果。

计算中通过该模型施加台风-波浪耦合时间历程荷载及运行状态下的计算中计入台风-波浪耦合时间历程荷载、正常运行工况风-波浪时序荷载，能够准确模拟环境荷载的加载过程，用于开展海上风电风机-塔筒-吸力筒基础耦合分析。

图5　风电机组-塔筒-吸力筒基础耦合分析模型

4 基于台风-浪时间历程荷载吸力筒导管架基础-风机耦合分析案例

本文方法已应用于广东某海上风电项目的吸力筒基础科研工程化示范，如图6所示。研发的吸力筒导管架基础为三筒吸力筒筒导管架基础，主体结构总重1 717 t。导管架根开28 m，高49.8 m，单筒直径13.5 m，筒高13.3 m。该类型吸力筒导管架基础的适用与近海深、浅水海域，且地质条件宜为砂性土或软粘土。

采用台风-浪时间历程荷载吸力筒导管架基础-风机耦合分析方法设计，具体分析如下。

图6　广东某海上风电项目的吸力筒基础

4.1　目标风场台风历史评估及风与波浪过程模拟

本文研究了1949—2019年年间，登陆吸力筒位置海域200 km范围沿岸的热带气旋共有155个，发生于5—11月期间，其中超强台风3个，强台风14个，台风40个，强热带风暴40个，热带风暴34个，热带低压27个，平均一年约2.2次。以50年一遇台风模型为例，通过评估对吸力筒海域影响最大的3次超强台风过程，构建了吸力筒海域发生的最强台风6903号台风过程对应极端风速下产生的风与波浪过程及荷载要素。

图7　50年一遇台风浪时序荷载要素图

根据台风时序荷载模拟模型建立台风-浪流时间历程关键参数，根据荷载分析要求同步生成风荷载种子时程荷载，并考虑同步施加对应时间历程的波浪荷载，进行加载计算。包括：

（1）50年一遇的等效台风工况荷载，用于ULS工况计算；

（2） 10年一遇、5年一遇的等效台风工况荷载，用于SLS工况计算；

（3）对应多年平均风速的正常发电工况荷载，用于SLS工况、FLS工况计算。

4.2　海风风电机组风机-吸力筒导管架基础耦合分析

基于广东海域目标机位的海域特性，选取典型土体如淤泥质粘土、砂土等、成层特点，结合先进勘察及实验策划（区域物探+原位CPTu+钻孔+土工实验），开展土性能试验研究，获取土物理力学参数，特别是考虑长期循序作用效应、极端工况如台风等。现场采用先进的原位CPTu试验，结合船基T-bar贯入测试。土样采集专用工具，减少扰动。开展专项室内土力学试验，包括：三轴压缩试验、动三轴剪切试验、T-bar循环贯入试验、直剪试验及其他土体基本物理力学性质的试验。研究场址浅层海床土（泥面以下0～30 m深度）的土体基本性质及力学参数。针对广东海域特点，研究三种典型场地土类型：均质软黏土（强度低、含水率较高）、正常固结黏土、上软下硬双层黏土，开展针对吸力筒基础设计的土体参数研究。根据岩土工程设计要点，构建循环应力-应变-循环次数关系云图的本构模型。通过风电机组-塔筒-吸力筒基础耦合分析模型开展一体化设计及岩土工程设计、基础结构计算分析。基础结构计算采用国家现行的行标规范进行设计[4]。

本文岩土工程设计采用了基于循环土试验参数的吸力筒基础计算方法。本方法基于岩土勘察试验，通过孔压静力触探试验（CPTu）和室内土工试验得到各关键地层的相应土参数，进而构建岩土的本构关系，再通过岩土本构关系开展筒结构设计。该方法源自挪威岩土所（Norwegian Geotechnical Institute）开发的基于循环应力-应变-循环次数本构模型的循环累积方法的岩土工程设计方法[1]。该方法将土体的循环应力历史简化为个恒定振幅的循环荷载包，并按照振幅大小从小到大进行排列，每个荷载包具有相同循环剪切应力（）和对应的循环次数（eq），用于模拟土体单元在特定荷载事件期间将经历的应力历史。例如：单一风暴潮事件；正常运行工况，跟随风暴潮或紧急停机；几场接连发生的风暴潮；任何其他风和波浪载荷条件或特殊操作条件导致可能影响土体特性的主要循环载荷。该方法已在欧洲海上风电项目吸力筒基础设计上得到应用。

（1）承载能力极限工况（ULS）计算

将台风历程按照风速分为若干个阶段，每个阶段以10 min平均风速，有效波高（s）和波浪周期（）作为输入参数，插入对应最大波高（max）作为约束波，在最大下压荷载和最大上拔荷载情况分别进行时域分析，可以得到每个阶段的时程荷载包。得到各阶段的荷载包后，可以统计台风周期内各个荷载区间的次数。根据粘土的累积应变或沙土的累积孔隙水压力计算整个台风时程的最大荷载等效循环次数（eq）。根据eq和循环应变和平均应变的比值，从循环应力-应变-循环次数关系云图中提取土壤的循环不排水抗剪强度，进而得到等效状态下的总应力-总应变曲线，作为ULS承载能力分析的输入。采用有限元分析进行ULS承载力计算。

（2）正常使用极限工况（SLS）计算

SLS部分的分析与ULS承载力分析类似，通过等效循环次数eq以及循环应变和平均应变的比值，可以从等势线图中得到土体的应力-应变曲线，并进行结构计算。开展长期运行循环荷载导致的塑形变形计算。

（3）疲劳极限工况（FLS）计算

在疲劳计算时，可以对风速进行统计，通过考虑风机在不同风速下运行时间的比例计算累积疲劳损伤。对于不同的风速水平的基础刚度，都应通过该风速下先的基础荷载进行计算。基础荷载和基础刚度之间存在一个迭代的过程。基础荷载的本质是循环荷载，包括平均荷载和循环荷载，是一个正弦形式的周期荷载。在结构振动的过程中，结构的基础刚度是循环刚度，即循环荷载-位移循环所隐含的峰值刚度来模拟（见图8～图11）。

图8　目标机位粘土循环应力-应变-循环次数关系云图

图950年一遇台风工况的台风、波浪荷载时程示意图

Fig.9 Schematic diagram of typhoon and wave load time history under 50 year exceedance probability typhoon condition

图10　基于台风-波浪时序荷载模型风电机组-塔筒-风机基础一体化耦合分析

图11　基础导管架结构受力分析、吸力筒筒体结构受力分析示意图

5 结论

本文通过研究风电机组风机-塔筒-导管架-基础筒体作用机理，建立了一套吸力筒导管架基础分析技术。具体如下：

（1）建立了一套广东区域的台风-浪时序荷载模型；

（2）开发了基于台风-浪时间历程荷载的海上风电风机-塔筒-风机基础一体化设计方法及耦合分析模型。

该方法可用于评价长期动荷载作用下基础的累积变形及承载力特性等吸力筒关键指标。该技术可用于分析极端环境荷载（台风工况）下、正常运行荷载下吸力筒基础结构的性能状态，分析结果更加准确，填补了国内技术空白。可为国内吸力筒基础设计提供参考。

针对吸力筒基础技术的后续研究建议如下：

（1）开展吸力筒基础在国内不同海域场址条件下的适应性研究。通过建立海上风电岩土工程精准勘察技术体系、不同海域典型土体的岩土本构模型、国内不同海域台风风浪耦合模型，开展总体设计及适用性研究。编制针对吸力筒基础设计的标准规范。

（2）对吸力筒基础沉贯过程和运维时期进行实时监测，包括构件应力、土体状态、结构振动、变形、外部环境荷载等。根据监测数据对吸力筒的设计进行后评估，通过健康监测及评估为风机基础运维提供支持。

［1］ Sturm，Hendrik. Design Aspects of Suction Caissons for Offshore Wind Turbine Foundations［C］. Proceedings of TC 209 Workshop-19th ICSMGE，Seoul 20 September 2017 Foundation design of offshore wind structures, 2017:45-63.

［2］ Offshore soil mechanics and geotechnical engineering: DNVGL-RP-C212［R］. 2017.

［3］ Minimum requirements concerning the constructive design of offshore structures within the Exclusive Economic Zone（EEZ）：BSH no．7005［R］. Germany，2015.

［4］ 海上风电场工程风电机组基础设计规范：NB/T 10105—2018［S］. 2019.

Tubular Jacket Suction Bucket with Wind Generator Coupling Analysis based on Typhoon and Wave Time History Loads

LI Pengfei，WANG Zhiming，MU Tong，SHENG Jiehong，YI Jianjun，YAN Huagang

（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518072，China）

Tubular jacket suction bucket is a new type of offshore wind turbine foundation as an economic and efficient foundation.There are still no special specifications and standards at China and abroad to guide the foundation design of suction foundation.At present，the application and promotion of suction tube foundation are not being carried out in China.By studying the action mechanism of wind turbine-wind turbine tower-jacket foundation，this paper establish a set of typhoon-wave time history loads model，develop the integrated design method and coupling analysis model of wind turbine-tower- foundation based on the typhoon-wave time history loads，as the key technologies for evaluating the cumulative deformation and bearing capacity of foundation under long-term dynamic load. The paper can provide reference for the design of suction bucket foundation in China.

Tubular jacket suction bucket foundation；Typhoon；Wave；Coupling analysis

TK83

A

0258-0918（2022）02-0246-09

2021-11-25

黎鹏飞（1979—），男，湖南邵阳人，研究员级高级工程师，硕士，现从事海上风电结构设计及研究