海上风电套笼受力性能分析

郭 建， 张芝明， 郝学思， 罗先启

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122； 2.浙江华东工程咨询有限公司,浙江 杭州 311122；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

随着新能源时代的到来，为缓解全球环境问题，风力发电技术已成为能源供应的重要手段之一.目前陆地风电技术的发展已经饱和，可用于建设风电装置的陆地空间也所剩无几.相比于陆地风电，海上风电有较好的风能储备，风速较大且稳定，更靠近沿海的供电中心，未来市场空间广阔.同时,我国的海域面积广阔，海上风电将是我国未来发展的主要方向[1-3].2021年，全球海上风电新增并网容量达到21.1 GW，中国是贡献增量最多的国家，海上风电将为我国经济发展提供绿色能源，也将为高质量发展注入绿色动力，加速现代化强国建设[4-5].

海上风机的基础有多种形式，其中单桩基础结构形式简单，整个基础结构的制作全部在工厂加工完成，可有效防止环境引起的加工质量下降，施工成本低，经济可靠，从而得到了最为广泛的应用[6].由于海洋中的环境荷载复杂多变，为方便后期运维以及附属构件的安装，通常在单桩基础外安装套笼附属构件.套笼构件主要包括外平台、靠船构件、电缆管以及牺牲阳极构件等.海上风机承受的荷载主要为水平方向的风荷载和波流荷载，在二者的共同作用下，套笼通常会与所附塔筒发生接触，产生接触应力以及变形，对结构的稳定性和安全性产生一定影响.

在海上风电领域，众多学者针对桩基与土体的相互作用进行了一系列相关研究，并取得了一定的成果.孔德森等[7]将波浪、洋流及风荷载等效成双向对称循环荷载，研究了水平循环荷载作用下不同因素对桩身水平位移、剪力和弯矩的影响规律.刘红军等[8]对海上风机单桩基础在不同桩顶位移条件下的桩体内力变形以及土体变形进行了研究，分析了水平荷载作用下海上风机单桩基与土的相互作用.lamo等[9]研究了采用单桩基础海上风机的土-结构相互作用对动力特性的影响.付鹏等[10]研究了两种形式波浪荷载耦合作用下风机桩基础与土的相互作用.张小玲等[11]根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合，分析了风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应以及不同荷载的影响规律.然而对于海上风电塔筒与套笼相互作用的研究则未见报道.

套笼在施工与后期运维中，通过连接件与塔筒结合为一个整体，在外界荷载的作用下产生一系列相互作用.该过程中塔筒自身的受力特性必然会受到影响，进而影响到结构的稳定性以及安全性.以江苏如东H4#海上风电工程为基础，利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值模型，通过改变荷载条件研究套笼对塔筒应力变化规律等的影响，分析计算结果可为实际工程应用提供一定的参考.

1 研究背景

1.1 工程概况

江苏如东H4#海上风电场位于南通市如东海域，在洋口港水域港界北侧，河豚沙西部，场区中心离岸距离 33 km，海底泥面高程为-18.6 m～0 m(85高程)，海底地形起伏明显.风电场形状呈梯形，东西方向长约13 km，南北方向平均宽约5 km，风电场涉海面积64 km2，规划装机容量400 MW.

项目采用桩式基础并附加集成式套笼附属构件的结构形式，该构件主要包括内平台、外平台、圈梁、支撑竖杆、靠船构件、电缆管以及牺牲阳极部件(图1).该结构形式简单、功能完善，且现场施工安装便捷，在陆地组装成形后直接运送到桩基处吊装安装即可.

图1 集成式套笼附属构件

套笼的主体结构由多层圈梁间隔一定距离并通过支撑竖杆进行固定，构成圆柱形的笼状结构，具体的构件尺寸根据不同的工程条件进行变化.笼状结构的上端设置内平台与外平台，为后期工作人员进行后续施工以及设备维修提供空间. 在结构侧面通常设置靠船结构与电缆管.其中，靠船构件由多块顶板和直爬梯组成，为工作人员提供了船舶停靠风机登录外平台的通道.而电缆管一般呈“J”型，为内部穿过的海缆提供保护作用，与外部环境隔开.

1.2 集成式套笼附属构件施工工艺

集成式套笼附属构件结构单重为50～90 t，利用起重船进行安装，起重船起重负荷完全满足要求.套笼竖向放置于运输船甲板面进行绑扎固定后运输至现场.由于海上现场涌浪大，套笼高度高，套笼上平台摇晃幅度大，且套笼上平台内侧无围挡，施工人员上至套笼上平台进行挂扣操作非常危险，现配置高于套笼的钢丝绳，在后方制作现场便将套笼吊装索具挂扣完成，吊装钢丝绳一端搁置于运输船甲板，海上现场吊装施工人员直接在运输船甲板挂钩即可，安全有保障.集成式套笼吊装吊索具清单见表1.

表1 集成式套笼安装吊索具清单

集成式套笼海上安装现场见图2，具体流程如下：

图2 集成式套笼海上安装现场图

(ⅰ)运输靠泊，施工人员在运输船甲板挂扣，浮吊起吊集成式附属构件套笼；(ⅱ)浮吊旋转吊臂将集成式附属构件套笼吊至桩基础顶部.缓慢放钩防止发生摩擦或磕碰等，避免造成附属构件及桩基保护层的损伤.同时通过缆风绳旋转集成式附属构件的方向，使其安装方向与桩基础方向一致；(ⅲ)附属构件安装完成后，检查基础防腐涂层的损伤情况，若有损伤，则按规定进行修补.

2 计算模型

2.1 边界条件

(ⅰ)钢管桩底部.钢管桩底部用弹簧模拟桩土作用，末端为固定约束，即

FA=-kA(u-u0),

(1)

u=0，z=0.

(2)

(ⅱ)钢管桩顶部.钢管桩顶部施加沿x轴方向的固定水平荷载，即

Fx=F0，z=h.

(3)

2.2 模型部件与物理参数

以江苏如东H4#海上风机项目为工程背景，模型参数取自项目中的实际资料，利用有限元软件COMSOL Multiphysics构建计算模型.模型分为套笼和塔筒两个主要部分.其中，塔筒为空心钢管桩，套笼为采用统一厚度钢材组装而成的钢架结构，具体构件包括外平台、多层圈梁、支撑钢管及电缆管等，各部件具体物理参数见表2.钢管桩及套笼所用钢材均为各向同性线弹性材料.

表2 各部件物理参数

对建立好的模型进行网格划分，采用自由三角形网格划分模式，划分结果见图3，该有限元模型共计47 131个单元，24 467个节点.

图3 套笼与塔筒有限元模型

在实际情况中，桩基与套笼需承受风荷载、波浪荷载与波流荷载的共同作用，受力状态是十分复杂的.考虑所建立的计算模型结构较为复杂，本文将受力状态作简化，研究在一个集中荷载作用于塔筒顶部的情况下塔筒与套笼之间的接触应力以及相应的变形，为设计提供一定参考.由于模型较为复杂，动态模拟可能会出现找不到解的情况，因此，设定稳态求解器进行研究，在解决无解问题的同时，也提高了计算效率.

3 计算结果分析与讨论

3.1 套笼对塔筒内力的影响

图4为不同荷载下塔筒弯矩随高度变化的曲线.由图4可知塔筒弯矩随着荷载的增大而增大，不同荷载作用下整体的变化规律相似，最大弯矩产生在高度20 m附近，最大值约为480 kN·m.随着荷载的增大，塔筒最大弯矩基本呈线性增长，荷载每增大500 kN，塔筒最大弯矩增大约120 kN·m.

图4 不同荷载作用下塔筒弯矩随深度变化曲线

图5为塔筒Mises应力云图.由图5可知，随着荷载的增大，塔筒上端与套笼接触部位的应力明显增大，当荷载达到2 000 kN时，最大应力达到32 MPa，塔筒两端应力较小，最小值约为0.3 MPa.

图5 不同荷载作用下塔筒Mises应力云图

进一步研究沿路径Mises应力的变化.取受拉侧塔筒顶端到底部的竖直方向路径，图6为不同荷载作用下海上风电塔筒沿路径Mises应力随高度的变化曲线.由图6可知，在不同荷载作用下，应力随高度的变化规律基本一致，首先表面应力在塔筒底部出现一个较大值，其后随着高度的增加而减小，在靠近上部塔筒与套笼接触部位时，表面应力出现上升的趋势，最大应力产生于最上层套笼与塔筒的接触部位，这主要是由于此部分塔筒的变形趋势最大而套笼约束了其位移.

图6 沿路径塔筒Mises应力随深度变化曲线

结合图5、图6可知，塔筒最大应力出现的位置与最大弯矩出现的位置基本吻合，且变化规律也一致.随着荷载的增大，塔筒的应力也呈现出增大的趋势.当在塔筒顶端施加的荷载为500 kN时，最大应力为0.64 kPa，当荷载达到2 000 kN时，最大应力为2.58 MPa，约为加载500 kN时的4倍.综合分析得出最上层套笼与塔筒的接触位置为弯矩和应力较大的区域，因此根据本研究，在实际工程应用中需要多加关注该部分结构的建设.

3.2 套笼对塔筒变形的影响

研究中的水平荷载作用于塔筒顶端，主要产生水平方向的挠曲变形，塔筒沿高度水平位移的变化曲线见图7.由图7可知，不同加载下塔筒位移变化规律基本一致，随着高度的增加，塔筒位移呈线性增长趋势，在荷载2 000 kN时，塔筒顶端最大水平位移为0.1 cm.在不同加载条件下，观察到各曲线均在高度20 m附近存在一段水平直线，该区段为模型中顶部套笼与塔筒的接触部位，套笼的存在约束了该部分塔筒的位移趋势，该部分接触也最为紧密，因而弯矩与应力也最大，这与前文中的分析一致.

图7 塔筒位移变化曲线

3.3 套笼对塔筒特征频率的影响

利用COMSOL中的特征频率研究得出结构的固有频率，结合相关资料可以分析结构是否会产生共振从而威胁到整体结构的安全.COMSOL中内置多种求解器，本研究采用MUMPS求解器进行求解，MUMPS可以利用单台机器上的所有处理器内核，所有直接求解器都需要使用大量的RAM，但MUMPS可以在核外储存解，这意味着它们能够将部分问题卸载到硬盘上.在海上风电塔筒结构的研究中，低阶模态的影响占主导地位，因此往往更关心结构的前几阶模态.表3为计算得到的塔筒前6阶固有频率，对应的振型见图8.

图8 塔筒振型

如东H4#项目所处海域的波浪测站全年有效波高均值为0.83 m，最大值为5.50 m；平均周期均值为3.5 s，最大值为9.2 s.得出波浪频率为0.285 Hz，根据表3可知塔筒的一阶固有频率为28.006 Hz，远高于波浪频率，因此结构不会产生共振.

表3 塔筒固有频率

4 结论

利用COMSOL有限元分析软件，以江苏如东项目为背景建立了套笼与塔筒的有限元计算模型，通过模拟作用于结构顶端的不同水平荷载，分析比较了套笼对塔筒内力、变形以及特征频率的影响.主要得出以下结论.

(ⅰ)不同荷载作用下塔筒表面应力随深度的增大呈现先下降后上升的趋势，且最大应力与加载大小成正向比例关系.塔筒弯矩与Mises应力的最大值出现在顶层套笼与塔筒的接触部位.当外荷载达到2 000 kN时，塔筒表面最大应力为2.58 MPa，因此在正常工况下可以保证结构的安全使用.

(ⅱ)荷载作用下塔筒位移曲线呈线性增长变化，在高度20 m附近存在水平阶段，与弯矩和Mises应力最大值出现区域重合.当荷载达到2 000 kN时，塔筒最大位移为0.1 cm，处于结构允许范围内.

(ⅲ)通过模态分析可以确定套笼作用下塔筒的固有频率得以提高，使其在外界荷载作用下更不易与波浪产生共振.

(ⅳ)套笼的存在使得塔筒在承受荷载时仅在塔筒顶部小范围内产生应力集中，且应力峰值也处于安全范围内.因此，套笼不但可以方便施工与后期运维，而且对塔筒受力特性也有所改善.