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济报帛逄
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1 第 34 卷第 11 期哈尔滨工程大学学报 Vol 年 11 月 Journal of Harbin Engineering University Nov.2013 导管支架基础和单桩相结合的新型复合风电基础丁红岩 1,2,3, 孙琪晶 3, 张浦阳 1,3 3, 佟雯鸽 (1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 ;2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室, 天津 ;3. 天津大学建筑工程学院, 天津 ) 摘要 : 针对单桩基础侧向刚度不足的情况, 为提高单桩基础的适用性, 提出了一种以单桩为主导管支架为辅的新型复合风电基础. 利用有限元软件 ABAQUS, 以 3 MW 风机基础为研究对象, 创建有限元模型, 模拟单桩基础和新型复合风电基础的受力, 分别在粉砂和粉质粘土 2 种地质情况下, 分析该新型复合基础的受力 ; 以导管支架三根结构桩的直径及入土深度为变量, 研究复合风电基础中的主桩应力及水平度的变化情况. 计算结果表明 : 随着结构桩直径或入土深度的增加, 复合风电基础中导管支架上部主桩应力基本保持不变, 而主桩与泥面接触处应力和主桩水平度明显减小 ; 其中, 结构桩的入土深度增加时, 用钢量的增幅较小, 而主桩与泥面接触处应力和主桩水平度的减幅较大, 这为结构的优化设计提供参考依据. 关键词 : 风电基础 ;ABAQUS; 主桩应力 ; 水平度 ; 单桩 ; 导管支架 doi: / j.issn 网络出版地址 :http: / / / kcms / detail / U html 中图分类号 :TU47 文献标志码 :A 文章编号 : (2013) A new composite wind turbine foundation combining the jacket and monopile foundations DING Hongyan 1,2,3, SUN Qijing 3, ZHANG Puyang 1,3, TONG WENGE 3 (1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin , China; 2. Key Laborato ry of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin , China; 3. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin , China) Abstract:In view of the lack of lateral stiffness of the monopile and in order to improve the applicability of it, this paper proposes a new wind turbine foundation which is based on a monopile and supplemented by a jacket founda tion. By using the general finite element program ABAQUS, and taking the 3 MW turbine foundation as the research object, a finite element model is created to simulate the stress process of the monopile and the new composite foun dation respectively in the sandy and silt filled clay soil, and analyze the new composite foundation stress; and using the diameter and depth of the three structural piles of the jacket as variables, the stress and the levelness variation of the new composite foundation are researched. The calculation results show that: with the structural pile's diame ter and depth increasing, the stress of the main pile above the jacket in the new composite foundation is basically unchanged, but the stress of the pile next to the surface and the levelness of the pile are obviously reduced; and with the depth increasing, the increase of the steel consumption amount is smaller, but the stress of the main pile next to the soil surface and the levelness of the pile are reduced to a great extent. These findings will provide some reference for structural optimization. Keywords:wind turbine foundation; ABAQUS; monopile stress; levelness; monopile; jacket foundation 收稿日期 : 网络出版时间 : :20. 基金项目 : 国家 863 计划资助项目 (2012AA051705); 国家自然科学基金资助项目 ( ); 国家国际科技合作专项基金资助项目 (2012DFA70490); 国家自然科学基金青年资助项目 (13JCQNJC06900). 作者简介 : 丁红岩 (1963 ), 男, 教授, 博士生导师 ; 张浦阳 (1978 ), 男, 副教授, 博士. 通信作者 : 张浦阳,E mail:zpy_td@ 163.com. 近年来, 在全球发展低碳经济的大背景下, 风能作为一种清洁的可再生能源, 已经成为世界上发展最快的绿色能源, 风力发电也逐渐成为许多国家可持续发展的重要组成部分. 同陆上风电相比, 海上风电因风能资源稳定丰富不占用土地空间等优势逐

天津大学建筑工程学院, 天津 300072) 摘要 : 针对单桩基础侧向刚度不足的情况, 为提高单桩基础的适用性, 提出了一种以单桩为主导管支架为辅的新型复合风电基础.

2 1380 哈尔滨工程大学学报第 34 卷渐引起各国重视 1 2], 近海风力发电技术成为研究和应用的热点. 发电成本是海上风电发展的瓶颈, 其中风电基础是造成海上风电成本较高的重要因素, 且近年来大容量风电机组对相应的支撑结构提出了更高的要求, 所以海上风电基础结构的研究在风电发展中有重要意义 3 4]. 单桩基础作为最简单的基础结构, 是目前陆上和海上风电场中采用最多的风机基础形式 5 6]. 其最主要的优点为设计制造和安装简单, 成本较低 7 8]. 但是随着水深的增加, 单桩的侧向刚度不足, 只能用于 30 m 以内水深. 而导管架基础作为海上风电应用较多的另一种基础, 较单桩基础更加坚固和稳定, 适应于 20 ~ 50 m 水深, 但是其制作和安装成本较高. 因此考虑到以上 2 种常用结构的优缺点, 本文提出了一种导管支架基础与单桩相结合的新型复合风电基础结构型式 9], 把单桩作为主要受力桩, 导管支架基础作为结构桩, 用以辅助单桩承受水平荷载以及弯矩的作用. 本文以新型复合风电基础为例, 采用大型通用有限元软件 ABAQUS 对其进行结构的受力性能分析 10], 并选取导管支架三根结构桩的直径和入土深度作为参变量, 分析其应力和主桩水平度的变化规律. 独立的整体插入套筒中, 两者之间留有 70 mm 的缝隙, 采用砂浆灌缝. 模型的尺寸如图 2 所示. 图 1 新型复合风电基础 Fig. 1 The new composite foundation 表 1 土质参数 Table 1 The main parameters of the soil 土质泊松比粘聚力 / 摩擦角 / E / 湿密度 / kpa ( ) MPa (kg m -3 ) 粉砂粉粘土注 : 土质取自江苏省大丰市东部海域. 1 有限元计算模型 1.1 土质参数及模型尺寸本文采用有限元软件 ABAQUS 对所提出的 3MW 风机新型复合风电基础进行分析, 具体的结构型式如图 1 所示. 由于是对新型复合基础的研究, 所以选取粉砂和粉质粘土 2 种单一土层分别进行计算, 土质参数见表 1. 为消除边界效应, 土体计算模型径向取 d = 80 m, 厚度 H = 50 m. 主桩钢管外径 D = mm, 壁厚 t = 50 mm, 入土深度为 40 m, 泥面以上高 15 m. 导管支架的斜撑采用直径 mm 壁厚 20 mm 的钢管, 并与主桩成 60 夹角. 下端内部横撑采用直径 mm, 壁厚 20 mm 的钢管, 外部横撑采用直径 900 mm, 壁厚 20 mm 的钢管. 导管支架结构桩的入土深度和直径作为变量进行计算, 其中入土深度 h 分别取 m, 直径 D 分别取 m, 壁厚 t 均为 20 mm. 所有撑杆在中间部位焊接到套筒上, 主桩作为 (a) 正视图 (b) 俯视图图 2 模型尺寸 Fig. 2 Size of the new composite foundation 1.2 模型设置有限元计算中, 土体采用 Mohr Coulomb 弹塑性本构模型. 地基和基础统一采用 6 面体 8 节点单元 ( C3D8R) 建立有限元模型, 按线弹性材料考虑. 基础和土体之间接触面采用 Coulomb 摩擦公式, 摩擦系数取 0. 45; 接触界面法向为自由接触方式, 二者可以发生相对分离. 模型在加载之前要进行地应力平衡, 在地基中施加初始地应力场, 从而消除由于土体本身重力引起的附加变形. 土体顶面为自由, 底面为固定约束, 侧面采用法向固定约束. 土体和桩体 ( 包括主桩和结构桩 ) 的接触面模型采用主动 - 被动面, 选择刚度大的桩体表面作为主动面, 土体的刚度小选为被动

单桩基础作为最简单的基础结构, 是目前陆上和海上风电场中采用最多的风机基础形式 5 6]. 其最主要的优点为设计制造和安装简单, 成本较低 7 8]. 但是随着水深的增加, 单桩的侧向刚度不足, 只能用于 30 m 以内水深.

3 第 11 期丁红岩, 等 : 导管支架基础和单桩相结合的新型复合风电基础 1381 面. 撑杆与套筒及结构桩之间的连接模型采用 tie. 荷载作用位置及模型网格划分如图 3 所示. (a) 新型复合风电基础 (b) 整体模型图 3 有限元模型 Fig. 3 Finite element model 1.3 荷载采用 3 MW 风机荷载, 荷载值 F H = kn, F V = kn,m Z = MN m. 在模型顶端设置一参考点, 建立此点和主桩顶面的分布耦合约束关系, 并将风机荷载加于参考点. 2 复合基础受力及位移分析本节通过有限元计算, 分析了新型复合基础的受力机理, 并同单桩基础的受力机理进行了比较. 计算中土质分别取粉质粘土和粉砂 2 种单一土层, 结构桩直径取 4 m, 入土深度取 10 m. 计算结果取桩的应力桩顶水平位移和水平度为研究对象. 其中, 水平度是指桩顶横向位移与泥面处横向位移之差同泥面以上桩长的比值, 是衡量基础抗侧刚度的重要参数. 粉质粘土计算所得的应力及位移云图如图 4 ~ 6 所示. 粉砂计算所得的应力及位移云图如图 7 ~ 9 所示. 从图 4 和图 7 中可以看出 : 单桩基础在单桩与泥面接触处产生较大的压应力, 在粉质粘土和粉砂中, 单桩基础的最大应力值分别为 MPa 和 MPa, 并且分布范围较广, 而复合基础较大的压应力出现在导管支架上部的主桩处和主桩与泥面接触处, 其中, 导管支架上部的主桩最大压应力 S u 在粉质粘土和粉砂中分别为 MPa 和 MPa. 由有限元计算结果可知 : 复合基础的主桩与泥面接触处最大压应力 S d 在粉质粘土中为 MPa, 在粉砂中为 MPa. 可知, 复合基础的最大压应力都出现在导管支架上部的主桩处, 应力的大小及分布范围都比单桩基础的小. 由此可见, 在这 2 种土质条件下复合基础的受力都更加的均匀合理. 从图 5 和图 8 中可以看出 : 在粉质粘土中, 单桩基础桩顶的横向位移是 mm, 复合基础的桩顶横向位移减小到了 mm; 在粉砂中, 单桩基础桩顶的横向位移是 mm, 复合基础的桩顶横向位移是 mm. 由计算结果可知 : 在粉质粘土中, 水平度由降到了 6.08 ; 在粉砂中, 水平度由降到了由此可见, 复合基础有效的提高了单桩基础的抗侧移性能. 从图 4 ~ 9 中的复合基础的应力及位移图可以看出 :1) 复合基础中的结构桩和主桩的应力都远小于单桩基础的应力 ;2) 其横向位移与单桩基础的同等高度处基本保持一致, 但其处于主桩受拉一侧的结构桩上升及其处于主桩受压一侧的结构桩的下降都很大. 可见, 复合基础中结构桩本身应力较小, 但由于主桩受拉侧的结构桩上移, 另一侧的结构桩下移, 产生了一对反向的侧摩阻力并形成力矩, 抵消主桩所受的部分弯矩, 使得主桩的横向位移和竖向位移都较单桩基础减小. 从而在做结构优化时, 从增大抵消弯矩的角度, 可以从以下 2 个方面进行考虑 : 增加结构桩与土的接触面积, 以增大二者之间的摩擦力 ; 增加结构桩与主桩之间的距离, 以达到增大力臂的效果. 图 4 复合基础与单桩基础应力图 ( 粉质粘土 ) Fig. 4 Stress diagram of the composite foundation and monopile( silty clay) 图 5 复合基础与单桩基础横向位移图 ( 粉质粘土 ) Fig. 5 Lateral displacement diagram of the composite foundation and monopile( silty clay)

2 复合基础受力及位移分析本节通过有限元计算, 分析了新型复合基础的受力机理, 并同单桩基础的受力机理进行了比较. 计算中土质分别取粉质粘土和粉砂 2 种单一土层, 结构桩直径取 4 m, 入土深度取 10 m.

4 1382 哈尔滨工程大学学报第 34 卷 3 受力及位移影响因素分析图 6 复合基础与单桩基础竖向位移图 ( 粉质粘土 ) Fig. 6 Vertical displacement diagram of the composite foundation and monopile( silty clay) 影响导管支架基础与单桩相结合的新型复合风电基础受力及位移情况的因素有许多, 例如 : 结构桩的入土深度直径结构桩与主桩之间的距离导管支架与主桩接触点的位置斜撑与主桩之间的角度等, 本文选取结构桩的入土深度和直径作为变量, 研究导管支架上部主桩的最大应力 S u 主桩与泥面接触处主桩的最大应力 S d 以及主桩水平度 u 的变化. 3.1 结构桩入土深度的影响选取结构桩直径为 4 m, 分别计算入土深度为 m 时, 在粉砂和粉质粘土中新型复合基础的应力及位移. 计算结果如图 10 所示. Fig. 7 图 7 复合基础与单桩基础应力图 ( 粉砂 ) Stress diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (a) 粉砂中基础应力图 8 复合基础与单桩基础横向位移图 ( 粉砂 ) Fig. 8 Lateral displacement diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (b) 粉质粘土中基础应力图 9 复合基础与单桩基础竖向位移图 ( 粉砂 ) Fig. 9 Vertical displacement diagram of the composite foundation and monopile( sandy soil) (c) 水平度图 10 不同入土深度对基础应力及水平度的影响 Fig. 10 The influence of different deep on stress and levelness 由图 10 可以看出 : 随着结构桩入土深度增加,

间的距离导管支架与主桩接触点的位置斜撑与主桩之间的角度等, 本文选取结构桩的入土深度和直径作为变量, 研究导管支架上部主桩的最大应力 S u 主桩与泥面接触处主桩的最大应力 S d 以及主桩水平度 u 的变化. 3.

5 第 11 期丁红岩, 等 : 导管支架基础和单桩相结合的新型复合风电基础 1383 导管支架上部主桩应力基本维持不变 ; 而主桩与泥面接触处应力不断减小, 并且趋势明显. 在粉砂和粉质粘土中, 主桩的最大应力都出现在导管支架上部主桩处. 主桩的水平度随着结构桩入土深度的增加不断减小. 3.2 结构桩直径的影响选取结构桩入土深度为 6 m, 计算直径为 m 时, 在粉砂和粉质粘土中新型复合基础的应力及位移. 计算结果如图 11 所示. 从图中可以看出 : 随着结构桩直径的增加, 导管支架上部主桩应力基本维持不变 ; 而主桩与泥面接触处应力不断减小, 并且趋势明显. 在粉砂和粉质粘土中主桩的最大应力都出现在导管支架上部主桩处. 主桩的水平度随着结构桩直径的增加不断减小. (a) 粉砂中基础应力 (b) 粉质粘土中基础应力 3.3 结构桩与土的接触面积结构桩直径和入土深度的变化, 必然引起结构桩与土接触面积的变化. 以结构桩入土深度 6 m, 直径 4 m 为基准, 结构桩与土接触面积 S 的变化量及其引起的 S d 和水平度 u 的变化量如表 2. 从表中数据可知, 当增加结构桩的入土深度或直径时, 结构桩与土的接触面积随之增加, 无论是在粉砂还是在粉质粘土中,S d 和 u 都随接触面积增加而减小, 而且接触面积的增幅越大,S d 和 u 减小的幅度也越大. 这是因为结构桩和土的接触面积增加的越多, 则在基础受力时, 土为结构桩提供的侧摩阻力就越大, 为主桩提供的抵消弯矩也就越大, 从而使得 S d 和 u 减小的就越多. 所以在模型优化选型时, 应尽量选取结构桩与土接触面积较大的结构形式. 表 2 接触面积的影响 Table 2 The influence of the contact surface % 入土深度变化直径变化土质改变量 (D = 4 m) (h = 6 m) h = 8 m h = 10 m D = 5 m D = 6 m S 增加粉砂 S d 减小 u 减小 S 增加粉质 S d 减小粘土 u 减小用钢量的分析结构桩直径和入土深度的变化, 也必然引起用钢量的变化. 以结构桩入土深度 6 m, 直径 4 m 为基准, 用钢量变化量及其引起的 S d 和 u 的变化量如下表 3. 从表中数据可知, 当结构桩的入土深度和直径增加时, 即用钢量增加时, 无论是在粉砂还是在粉质粘土中,2 种变量相比较, 入土深度增加时, 用钢量的增幅较小, 但 S d 及 u 的减幅较大 ; 而随着直径的增加, 用钢量的增幅较大, 但 S d 及 u 的减幅反而较小. 从节约钢材经济的角度考虑, 在模型优化选型时, 这个结论有一定的指导意义. 表 3 用钢量增加的影响 Table 3 The influence of the steel consumption % (c) 水平度图 11 不同直径对基础应力及水平度的影响 Fig. 11 The influence of different diameters on the stress and levelness 土质粉砂粉质粘土改变量入土深度变化 (D = 4 m) 直径变化 (h = 6 m) h = 8 m h = 10 m D = 5 m D = 6 m 钢增量 S d 减小 u 减小钢增量 S d 减小 u 减小

2 结构桩直径的影响选取结构桩入土深度为 6 m, 计算直径为 4 5 6 m 时, 在粉砂和粉质粘土中新型复合基础的应力及位移. 计算结果如图 11 所示.

6 1384 哈尔滨工程大学学报第 34 卷 4 结论 1) 与单桩基础相比, 导管支架和单桩相结合的新型复合基础受力更加均匀合理. 2) 导管支架对复合基础的作用是靠结构桩与土的接触产生的侧摩阻力, 进而产生抵消弯矩, 减小主桩本身所受弯矩, 使得其应力及位移都减小. 3) 随着结构桩入土深度或直径的增加, 结构桩与土的接触面积增加, 产生的侧摩阻力增大, 导管支架上部主桩应力基本维持不变, 主桩与泥面接触处应力逐渐减小, 主桩水平度逐渐减小. 4) 结构桩的入土深度或直径增加引起用钢量增加时 : 随入土深度的增加, 用钢量的增幅较小, 桩与土接触处的应力及主桩的水平度的减幅较大 ; 而随直径的增加, 用钢量的增幅较大, 主桩与土接触处的应力及主桩的水平度的减幅较小. 参考文献 : 1] HALIL K, VEDAT T, TON V. An integrated reliability based design optimization of offshore towers J]. Reliability Engineering and System Safety,2009,94(10): ] WESTGATE Z J, DEJONG J T. Geotechnical considerations for offshore wind turbines J]. Mechanical Systems and Sig nal Processing,2005,15(1): ]JONKMAN J, BUTTERFIELD S, MUSIAL W, et al. Defi nition of a 5 MW reference turbine for offshore system R]. Development Technical Report.REL / TP ] 王国粹, 王伟, 杨敏. 3.6MW 海上风机单桩基础设计与分析 J]. 岩土工程学报, 2011,33(2): WANG Guocui, WANG Wei,YANG Min. Design and analy sis of monopole foundation for 3.6MW offshore wind turbine J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33 (2): ] ZAAIJER M B. Foundation modelling to assess dynamic be haviour of offshore turbines J]. Applied Ocean Research, 2006,28(1):5 57 6] 郭玉樹, 亚克慕斯马丁, 阿布达雷赫曼哈里. 用循环三轴试验分析海上风力发电机单桩基础侧向位移 J]. 岩土工程学报, 2009,31(11): GUO Yushu, ACHMUS Martin, ABDEL RAHMAN K. Esti mation of lateral deformation of monopile foundations by use of cyclic triaxial tests J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009,31(11): ] DNV OS J101, Design of offshore wind turbine structure S].Det Norske Veritas, ]ACHMUS M, KUO Y S, ABDEL RASHMAN K. Behavior of monopile foundation under cyclic lateral load J]. Com puters and Geotechnics, 2009,36(5): ] 丁红岩, 张浦阳, 练继建. 一种组合桩基础结构. 中国, P] ] 庄茁, 张帆, 岑松. ABAQUS 非线性有限元分析与实例 M]. 北京 : 科学出版社, 2005: ZHUANG Zhuo, ZHANG Fan, CEN Song. ABAQUS Non linear finite element analysis and example M]. Beijing: Science Press, 2005:

3) 随着结构桩入土深度或直径的增加, 结构桩与土的接触面积增加, 产生的侧摩阻力增大, 导管支架上部主桩应力基本维持不变, 主桩与泥面接触处应力逐渐减小, 主桩水平度逐渐减小.

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