1、导管架在外海深水风机基础中的应用摘要：针对导管架在外海深水风机基础中的应用问题，结合工程,采用数值软件对导管架基础进行模拟分析，得到不同形式基础的位移、应力、轴力及刚度情况表。通过进一步分析可知基础结构形式对位移有明显影响。对比基础的计算结果，发现出水导管架比不出水导管架位移、应力大，同时也发现冲刷对导管架基础的位移、应力及轴力有所增加，对基础结构的不利影响不可忽视。 关键词：风机基础；导管架；数值模拟；力学分析 中图分类号： TS737+.1 文献标识码： A 文章编号： The application of offshore jacket in the offshore wind turb
2、ine foundation Tang Zhaoping; Cai Jiandong; Li Wu （1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd,Shanghai,200032,china;2. The Port Authority in Sheyang County of Jiangsu Province, Sheyang County,224300,china） （ CCCC Third Harbor Consultants Co, L td, Shanghai200032, China） Abstract: According to the appli
3、cation problem of offshore jacket in the offshore wind turbine foundation, The modal analysis is carried out on the different offshore jacket foundation by number software based on practical engineering. Their displacements, stresses, axial force and stiffness tables are obtained. Further analysis s
4、hows that the basic structure has a significant effect on the displacement. By comparison with the calculation results, they are found the displacements, stresses of water jacket bigger than no water jacket, but also washing out can increase the displacement, stress and axial force of offshore jacke
5、t foundation, the adverse effects of the infrastructure cant be ignored. Key words: wind turbine foundation; offshore jacket; number simulation; Mechanical analysis 导管架基础是海洋石油平台常用的基础。它为钢管焊接的塔架，其主体结构在岸上预制好后运到现场就位，通过套管打入钢管桩，将其固定在海底，最后在套管内灌注粘结剂，将套管与桩连接成整体。该结构具有整体性好、承载力大、抗风浪性能好及便于施工的特点1-5。这特点正适合外海风电基础的要
6、求。因此，国内外学者对外海风力发电基础的侧向变形进行了研究，采用有限元方法研究桩基础水平承载力与位移、转角关系，稳定性与桩直径、埋深的关系以及大直径桩与土之间的相互作用等力学性质6,8。基于前人研究成果和实际工程问题，本文对不同结构基础的力学性质进行系统研究，讨论其力学性质，为实际工程设计提高参考。 1 工程概况 1.1 工程概况 某海上风电场几十万千瓦风电项目位于近海海域，风电场规划范围呈梯形，长约 24km，宽约 59km，中心位置离海岸线直线距离约 21km，规划海域面积 173km2，场区内泥面高程约-19-21m。该工程拟安装上百台单机容量 3MW的风力发电机组，总装机容量几百兆瓦。
7、风电场配套设置一座 220kV海上升压站及一座陆上集控中心，海上升压站位于风电场西侧海域。升压站规模按几百兆瓦设计，并以一回 220kV海缆送出，陆上集控中心设置在海缆登入点附近，海上升压站距登陆点直线距离约32km。风机基础拟采用不同截面形式桩导管架基础。 1.2 地质条件 根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合区域地质资料，勘探深度内均为第四系沉积物，上部层为第四系全新统（Q4）冲海相粉土、粉砂，下部为上更新统（Q3）陆相、滨海相沉积物。根据土性及物理力学性质细分为 8 个亚层，现自上而下部分分述如表 1。 表 1地质条件 2 数值模型 2.1 建立模型 本文采用大
8、型商业有限元程序 ROBOT对不同截面形式基础力学性质进行研究。三桩导管架采用三角架式结构，主筒体与上部风塔塔筒直接连接，侧面通过斜撑钢管与三根钢套管连接，钢套管沿直径 27m圆周呈三角形均匀分布，在套管内施打 3根钢管桩，将导管架固定于海底。四桩导管架采用桁架式结构，连接筒体与上部风塔塔筒直接连接，侧面通过斜撑钢管与 4根竖杆钢管连接，竖杆用水平横杆和斜杆焊接组成桁架体系，竖杆平面投影呈变为 16m的正方形，竖杆底端设钢套管，在套管内施打 4根钢管桩，将导管架固定于海底，桩与导管架之间灌浆粘结。所有风机基础的建模参数：入土设计深度 66.5m，三桩导管架桩径2500mm，壁厚 35mm；四桩
9、导管架桩径 2100mm，壁厚 35mm；九桩墩台式导管架桩径 1200mm，壁厚 25mm，钢桩采用杆单元模拟，弹性模量取 206 GPa，泊松比取 0.30，重度 78 kNm3。 2.2 边界条件 风机荷载按设计单位给定的范围取值(为基础环面的荷载设计值)。 表 2基础顶面风机荷载 表 3波浪条件 钢桩靠摩擦力提供承载力，所以采用 m法模拟土对桩的侧向约束，采用弹性地基模拟桩端约束。 图 1 直三桩导管架几何模型图 图 2 斜三桩导管架几何模型图 图 3 直四桩导管架几何模型图 图 4斜四桩导管架几何模型图 图 5 九桩导管架几何模型图 3 模拟计算结果 由于风电基础是在外海施工建设，而
10、外海施工条件受天气影响严重，因此结构尽量出水作业，减少作业时间。进而对不同截面形式导管架基础结构进行了水下和出水两种情况的数值模拟计算，计算结果如下表。 表 4 直三桩导管架（在水面下） 表 5 加横撑直三桩导管架（在水面上） 表 6 斜三桩导管架（在水面上） 表 7 四桩导管架（在水面下） 表 8 斜四桩导管架（在水面上） 表 9 九桩导管架（在水面上） 由表 49 可以看出，考虑泥面处从刷几种导管架结构的位移、应力及轴力都比未考虑冲刷时大，泥面处位移增加约为 26%，基础顶处位移增加 6.7%；桩竖向压力增加约为 2.2%，桩竖向拉力增加约为 6.3%，桩身应力增加约为 9.1%；水平刚度
11、相对减小约为 7.8。考虑冲刷影响增加了基础的悬臂长度因此导管架结构的位移、应力及轴力都发生了变化。从影响效果来看，冲刷对泥面处位移影响最大，对桩身轴力影响最小。进一步分析还可以看出，导管架放在泥面处与出水面相比，出水结构大大增加了泥面处位移。泥面处加横撑出水三桩导管架比不出水泥面处位移增加约为 18.3%；出水斜三桩导管架比不出水泥面处位移增加约为 53.2%；出水四桩导管架比不出水泥面处位移增加约为 18.2%。由对比结果可以看出，泥面处刚度大可以有效的减少泥面处位移，上部导管架的刚度大也可以减少泥面处位移，但是效果不明显。对比三桩导管架和四桩导管架，平面投影尺寸大的侧向水平刚度大，有利于
12、控制侧移。 4 结论 本文结合实际工程对导管架基础结构的位移、应力及轴力进行分析，得到如下结论： 1）导管架基础在泥面处的刚度是控制结构位移的关键因素，增大刚度可以减小结构整体位移； 2）导管架出水在施工上是方便，但是由于基础结构整体升高，减小基础的水平刚度，增大基础位移和应力； 3）有计算结果可以看出，桩身应力偏小，桩壁厚还可以减小，提高钢材强度利用率，节约成本； 4）扩大结构的平面尺寸可以有效的提高结构的水平刚度，减小位移，使相同壁厚桩的材料性能更好的发挥。 参考文献： 1 王东军,导管架平台结构分析模型化及疲劳断裂性能研究M.大连理工大学，2005 2 赵石峰,陈廷国,丁永和,大型开敞式
13、深水码头导管架结构管节点的疲劳分析J. 水运工程，2008，11:81-85 3 邵炎林,何炎平,关宇,构造形式对导管架平台极限承栽力的影响J.中国海洋平台，2005，4：29-32 4 王文明,张世联,导管架平台极限承载力的有限元解法J.中国海洋平台，2006，5：27-33 5 王国兴,导管架海洋平台结构优化设计研究M.大连理工大学，2003 6 Achmus Martin1, Kuo Yu-Shu1, Abdel-Rahman Khalid, Behavior of monopile foundations under cyclic lateral load，Computers and
14、GeotechnicsJ, 2009, 36（5）:725-735 7 Wu Ke, Chen Rong, Li Shucai, Finite element modeling of horizontally loaded monopile foundation of large scale offshore wind turbine in non-homogeneity clayC, WRI World Congress on Software Engineering, 2009, 2:329-333, 8 Achmus M.,Abdel-Rahman K, Kuo Y.-S, Numerical modelling of large diameter steel piles under monotonic and cyclic horizontal loadingC, Proceedings of the 10th International Symposium on Numerical Models in Geomechanics, 2007:453-459
