海上风电机组多桩承台基础结构设计与参数优化分析

水力发电第41卷第1期2015年1月海上风电机组多桩承台基础结构设计与参数优化分析李振作，田伟辉，胡永柱中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065摘要针对适用于软土海床地基条件的近海风电机组多桩承台基础结构型式，依据相关规范及工程经验，确定多桩承台基础结构尺寸设计原则。分析基础结构设计所应考虑的荷载及荷载组合方式，建立多桩承台基础结构分析模型。对基础结构设计的主要参数进行优化分析，为海上风电基础结构设计提供指导。关键词海上风电；多桩承台基础；结构设计；荷载；参数优化STRUCTUREDESIGNANDPARAMETEROPTIMIZATIONANALYSISONPILEGROUPCAPFOUNDATIONOFOFFSHOREWINDPOWERLIZHENZUO，TIANWEIHUI，HUYONGZHUPOWERCHINAXIBEIENGINEERINGCORPORATIONLIMITED，XIAN710065，SHAANXI，CHINAABSTRACTFORSTUDYINGTHESTRUCTURALTYPEOFPILEGROUPCAPFOUNDATIONFOROFFSHOREWINDTURBINEWHICHISSUITABLEFORSOFTCLAYSEABED，THESIZEDESIGNPRINCIPLESOFTHISFOUNDATIONAREDETERMINED，THELOADSANDLOADCOMBINATIONSOFSTRUCTUREDESIGNAREANALYZEDANDTHENTHESTRUCTUREANALYSISMODELOFTHISFOUNDATIONISESTABLISHEDACCORDINGTOTHERELEVANTSTANDARDSANDENGINEERINGEXPERIENCESTHEMAINPARAMETERSINTHESTRUCTUREDESIGNOFPILEGROUPCAPFOUNDATIONAREOPTIMIZEDBYUSINGTHEMODELTOPROVIDEGUIDANCEFORTHESTRUCTUREDESIGNOFOFFSHOREWINDTURBINEKEYWORDSOFFSHOREWINDPOWER,PILEGROUPCAPFOUNDATION；STRUCTUREDESIGN；LOAD；PARAMETEROPTIMIZATION中图分类号TU473文献标识码A文章编号055993422015O1007804海上有丰富的风能资源和平坦的区域使得近海风力发电成为近年来研究和应用的重点与热点。根据我国可再生能源发展“十二五”规划，到2020年累计并网风电装机将达2亿KW，年发电量超过3900亿KWH，其中海上风电装机达3000万KW。建设海上风力发电场正成为能源开发的重点。目前海上风电采用的基础结构形式主要借鉴海洋石油采油平台以及其他类似结构，主要有单桩基础、多桩承台基础、重力式基础、三脚架、导管架基础以及浮式基础等。多桩承台基础主要借鉴港口工程中靠船墩或跨海大桥桥墩桩基型式进行设计，具有高承载力和低沉降等特点，使用最为普遍，且未来一段时间内仍将是我国海上大型风电机组的主要基础结构形式。已建的上海东海大桥海上风电场一期采用8根直径17IN、长85HI钢管桩高桩承台基础。正在开发的二期也采用同样的基础结构形式。多桩承台基础主要由桩和钢筋混凝土承台组成，其中桩一般采用预制钢管桩，主要适用于52OM水深的软土海床地基风电场。对于海上风电机组多桩承台基础结构设计，除了需要考虑上部风机传递下来的风机荷载以外，还需考虑外部环境荷载作用于基础结构上的三向复杂荷载等。由于海洋环境条件较陆地环境复杂，使得基础结构在波浪流荷载综合作用下的受力也较为复杂。本文主要以某海域海洋水文地质条件为依据研究海上风电多桩承台基础结构设计以及参数优化问题提出设计原则、荷载及荷载效应组合方式、参数优化设计依据等。1计算工况某海域海洋水文参数以及海洋地质条件见表1收稿日期20140421基金项目国家高技术研究发展计划863计划资助项目2012AA051702作者简介李振作1974一，男，山东沂水人，高级工程师，主要从事风力发电基础结构设计研究工作予卫I_LF，目，CLTQLB皇J1口口MNLL山幻个L己II芗姒LIFJJ表2。风机选用某厂家3叶片3MW机组，荷载见表3。表1设计水位85高程IN。湿容重，压缩模量，不排水抗剪侧摩阻力，端阻力，一KNMMPA强度KPAKPAKPA极端工况132854L471009903280。3正常运行工况545，54260942282690J6海上风电机组基础运行期间除了要承受白重、风机荷载以外，还需要承受来自海洋环境中的风荷载、波浪荷载、水流荷载、冰荷载存在海冰海域、撞击荷载含海上漂浮物和船舶撞击等。在海上风电场基础结构设计中。将各种荷载合理计算并科学组合，对于保障基础结构的安全性和海上风电场建设的经济性具有非常重要的意义。通过对比国内外规程规范、总结工程设计经验，当前对于各工况下可变荷载组合有两种方式一是主控可变荷载取50年重现期其他非主控荷载取5年或者1年重现期进行组合；二是各可变荷载均取50年重现期，非主控荷载乘以小于1的组合系数进行组合，以达到可靠度统一。本文取第二种方式进行各工况荷载计算。主要环境荷载波浪荷载、水流荷载、冰荷载的重现期均取50年，计算正常运行、极端荷载、疲劳强度验算、多遇地震、罕遇地震5种工况2多桩承台基础结构尺寸确定原则目前多桩承台基础结构设计暂无相关设计规范，因此该类结构形式主要参考海洋工程、港口工程类各规范以及工程经验进行设计。基础结构优化设计涉及的影响因素较多，包括承台底高程、承台尺寸、桩长、桩径、桩数、桩倾斜率、桩壁厚等，各参数的确定对基础结构设计具有十分重要的意义。结合已建、在建海上风电项目的工程经验和相关研究文献制定多桩承台基础结构各参数确定原则如下1承台底高程确定参考SYRI40942012浅海钢制固定平台结构设计与建造技术规范，保证承台在极端高水位情况下不受到波浪荷载的作用。2承台尺寸的确定除满足运行要求外，还应考虑风机塔架基础环安装、基桩与承台边缘距离等构造要求。即，相邻工程桩泥面处最小中心距不小于4倍桩径相邻工程桩顶面中心距不小于2倍桩径工程桩中心距承台边沿最小尺寸不小于1倍桩径。3在满足承载能力的前提下，应参考当前施工装备能力及地质条件考虑施工的可操作性和施工实现情况，主要包括最大桩长限定和桩的可打人性等。4在保证承载力要求后，结构设计还应保证强度及耐久性的要求，如工程桩壁厚除了按构造要求确定之外，还应考虑强度及防腐等要求。由于桩径、桩长、桩数为一组互相制约的变量，故应在满足承载力的前提条件下通过综合分析进行结构优化。3多桩承台基础结构优化分析3。1计算模型本研究采用海上风电机组基础软件FDOW自主开发建立整体模型，对多桩基础结构参数优化进行研究。由于多桩承台基础结构为钢桩与钢筋混凝土混合结构，混凝土结构受力较为复杂软件在进行整体结构计算分析时假定钢筋混凝土承台与桩为刚性连接，且承台为刚性构件。桩土相互作用是分析的一个重点，轴向荷载作用下土对桩的作用力主要有桩侧摩阻力和桩端的端阻力，倾斜桩的桩土水平相互作用规律是关于外部荷载作用下。桩和周边土体应力协调变化、桩荷载传递和变形机理的规律，至今还未形成有效理论，该问题一直是倾斜桩在工程设计和安全评价上的难点。参考国内外规范，目前桩土相互作用所采用的设计方法主要有M法、一法、PY曲线法三种。FD0W软件能根据要求选择采用M法或者PY曲线法本文采用P_L，曲线法。P_1，曲线法是复合地基反力法的一种假定泥面下桩身的变形与作用在桩上的土抗力呈非线性关系桩在泥面以下的内力和变形可采用PL，曲线的无量纲迭代法或有限差5T“法进行计算。该方法在国内桩基规范、国内外石油平台设计规范以及国外海上风电设计规范等中进行了详细论述。具体计算模型见图1。32桩倾斜率确定分析不同的桩倾斜率对基础结构的承载力和刚度有一定的影响。为排除桩倾斜程度对桩在各土层的分布长度的影响，将整个地质参数定义为同一土层，对基桩倾斜度与桩承载力关系进行分析。选取基础WATERPOWERVO141NOJ囫图1结构计算模型基桩中最不利工程桩情况作为对象分析，得到桩承载力与桩倾斜角度关系曲线，见图2。由图2可知，多桩基础的桩倾斜角度在不大于12。时，随着桩倾斜角度的增大，基础竖向承载力和抗拔承载力损失较小，抵抗水平变形的能力增大当桩倾斜角度超过12。后，基础竖向承载力和抗拔承载力损失急剧增加，基础泥面抵抗水平变形的能力先出现增大的趋势，再呈现降低的趋势。这说明，桩倾斜角度对于多桩基础承受竖向荷载的能力影响不大对于基础承受水平荷载的能力有所提高但当基桩倾斜角度超过一定的值时基础承受竖向荷载以及水平荷载的能力都1LJ显的降低。妻彗嚣倾斜角度。A竖向承载力一倾斜角度塔鲫啦移J佃斟角度关系曲线一拟合曲线_倾斜角度。C基础竖向位移一倾斜角度通过对目前施工装备以及海上施工能力的调查研究得知，桩倾斜角度应小于15。综合考虑基础承载力情况、整体结构动力特性以及施工实际情况，认为桩倾斜角度为9。12。最合适。33群桩布桩半径影响性分析群桩布桩半径主要影响基础结构的整体刚度及桩受力的分布，在保持桩人土深度、桩径以及桩倾斜率一定条件下，分析群桩在承台底部不同布桩半径时基础变形、桩受力变化结果如图3所示。由图3可知，布桩半径对基础变形影响较小，随着布桩半径的增大，基础变形出现增大的趋势桩承受的压力和拔力出现减小的趋势。34桩长入泥深度、桩径影响性分析桩长、桩径、桩数是影响基础结构的承载力及基础变形的关键因素。借鉴已建工程经验对于海域地质条件，单机容量为3MW海上风电机组，桩数为8根较为合适，本文只对桩长和桩径进行分析。在保持一定的桩倾斜率和布桩半径的条件下，分别改变桩长和桩径尺寸。分析基础最大承载力及基础变形关系，结果见图4。由图4可知，随着桩径和桩长的增大基础变形呈减小趋势，基础承载能力增加。在桩长小于某一特定长度即入泥深度为小于一特定深度时，基础整体变形随着桩长的变大而显著减小当超过此特定长度时，基础变形随着桩长度的增加基本不再变化。通过查找相关文献和分析可知，此突变长倾斜角度。B抗拔承载力一倾斜角度图2桩承载力与桩倾斜角度关系曲线倾斜角度基础承平位移一倾斜角度OOOOOO0OOOO0O00OOO642O8642O7776666，R赫憾辎R赫髓厦如如M5OG姜稔子卫LI一，亍，LJ，LI1恩口召苎山幻1LILR生J状I，L_LJI71川曩II皇26塔筒底部承孽位穆L垦泥面处水位移装2218L4一一一1NTL10987R654324244464,8552_一5凛囊曩S布桩半径，M曩譬曩一曩A基础水平位移布桩半径I桩瓣拔力424_446485布桩事襁ANB桩受力布桩半径图3群桩布桩半径对基础变形和桩受力的影响度桩入泥深度一般称为桩的影响深度，并非特定值，与地基土的特性以及桩径存在相应关系。35优化结果根据以上所述设计原则，对基础结构参数进行优化计算对海上风电场采用单机容量为30MW风电机组的海域，得到的多桩基础最优方案为基础由直径为14O0M的C45混凝土承台和8根直径为15M基桩组成，桩倾斜率为16，桩长61IN入泥深度为44M。该方案极端工况下的计算结果见表4，可知该方案在满足基桩抗压、抗拔、强度要求的同时，其变形均满足设计要求。4结论本文主要针对适用于软土海床地基条件的近海风电机组多桩承台基础结构形式。以某海域海洋环境、地质等条件作为输入资料对设计所应考虑的荷载及荷载组合方式进行分析，建立多桩承台基础结构分析模型对基础结构设计的主要参数进行优化分析，得到结论如下1一定的桩倾斜角度对于多桩基础结构承载力的提高有利，海上风电多桩基础斜桩角度不宜超I口雌55501塔篱IL泥面45睡25215一一N桩长，MA基础变形桩长FUU0O0000J一一抗压承载力000抗拔承载力000000000一L000桩长MB基础承载力桩长1塔筒底都变黟、I漉圈处变、LL。一一一I一一4I一一I1L。L12131415161718雒岔，MC基础变形桩径关系曲线。，。女一一I一一L一一|一一|I一一誊曩叠等曩曩一_。桩径MD基础承载力桩径图4桩长、桩径对基础承载力及基础变形的影响过12。，综合考虑海上施工条件及施工能力，认为9。12。为最优桩倾斜角，满足该条下转第98页表4最终方案计算结果WATERPOWERVO141NO脚薯一叠一_一一一一一一一一一一一一一一一一一裙叠孵孙岱M船墨一咖一咖M粕INLLL薯曩曩叠。L有较高的精度。4结论通过模型试验和数值计算，对侧墙贴角掺气坎空腔长度地初步研究可知1模型试验中，水流流经侧掺气坎时产生雍水现象，在侧掺气坎后形成空腔，并在模型下游段产生水翅。随着侧掺气坎几何尺寸坎高、挑角，泄水槽几何尺寸宽B，来流条件坎末流速、沿程水深H、水的运动粘滞系数的变化，侧空腔长度发生变化。并且当侧掺气坎的长度不变时，侧空腔长度随收缩角的增大而增大。2本文考虑了侧掺气坎体型参数和来流水力参数的影响，采用量纲分析得到了度量射流扩散程度的的计算公式，提出了侧空腔长度的计算公式。其计算结果与试验值吻合较好，具有较高的计算精度本文提出的侧掺气空腔长度的计算方法可行上接第81页件的桩倾斜度范围为6151。2在保证基础整体变形满足要求的情况下，适当增大群桩的布桩半径能有效降低桩基承受的压拔力。3桩长、桩径的增大和桩数的增加是增强基础结构承载能力和提高基础刚度的最有效方法，三者存在相互制约的关系应根据实际工程地质情况和当前施工能力考虑对三者进行不同组合分析，以达到最优配比。参考文献1胡永柱，田伟辉海上风力发电机多桩承台基础大直径钢管斜桩最优斜率研究城市建设理论研究，201328742黄维平，李兵兵海上风电场基础结构设计综述J海洋工程，2012，3021501563郭俊科，方伟定三向复杂荷载作用下近海风机群桩基础参数分析与优化JJ电力建设，201356670上接第90页混凝土28D龄期抗压强度、劈拉强度和抗弯强度增长率或提高值相对基准混凝土要求的最小掺量作为钢纤维最优掺量。参考文献1习安，刘湘龙，姚佳良纤维混凝土劈裂强度与弯拉强度之间的回归分析J公路工程，2013，3851121142姚佳良，周志刚，唐杰军公路工程复合材料及其应用M长圜WATERPO8R0Z41NO，参考文献1刘超，杨永全，邓军，等泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀试验研究L_J_水动力学研究与进展A辑，2006，2144654722张法星，徐建强，徐建军掺气坎射流出射角的修正方法JJ_人民长江，2010，41487903潘水波，邵嫫嫫，时启燧，等通气挑坎射流的挟气能力J_水利学报，1980，11513224RUTSCHMANNP，HAGERWHDESIGNANDPERFORMANCEOFSPILLWAYCHUTEAERATORJJWATERPOWERDAMCONSTRUCTION，1990，42136425时启燧，潘水波，邵嫫嫫，等通气减蚀挑坎水力学问题的试验研究J1水利学报，1983，31421706杨永森，杨永全掺气减蚀设施后二维空腔流动计算水利学报，2OO0，654607徐一民，王韦，许唯临，等掺气坎槽射流空腔长度的计算JJ水利水电技术，200435798岳超，牛智攀