海上风电导管架灌浆料产品开发与工程应用研究

导管架结构是海上风机重要基础结构形式之一。灌浆连接是导管架结构与桩基础连接的典型方法,由于灌浆连接受力复杂,对材料技术指标要求极高。本研究自主研发导管架灌浆料,并通过纳米超细矿物粉体改性、聚合物改性和双重膨胀组分改性等系统研究形成超高性能灌浆料,通过成果转化形成海上风电灌浆料专利产品,并实现产品系列化,在实际工程中大量应用。其中UHPG-120型产品打破国外技术垄断,填补国内空白,该产品具有大流动性、抗水分散性、高早强、超高强、无收缩、抗疲劳和高耐久性特点,适用于深水导管架水下灌浆。本研究形成的海上风电灌浆料产品及灌浆连接核心技术实现核心技术和产品国产化,促进我国海上风电施工技术进步,引领国内海上风电灌浆技术发展。     

单桩基础灌浆连接段受力机理分析

海上风机中,上部支撑结构和基础之间的连接是通过灌浆连接段实现的。近年来,风力发电发展迅速,风力发电机的功率越来越大,对单桩基础灌浆连接段的受力性能提出了更高的要求。在复杂荷载作用下,灌浆连接段受到轴力和弯矩的共同作用,有必要对压-弯共同作用下的灌浆连接段进行受力性能的研究。采用数值分析方法,分析了压-弯作用下不同轴压比时灌浆连接段的极限承载力、钢管与灌浆料之间的接触压力情况和灌浆连接段的应力情况。同时,根据学者Lotsberg提出的弯曲承载力组成理论,通过提取钢管与灌浆料之间的接触力,并对它们进行数值积分,分析了不同轴压比下灌浆连接段抗弯承载力组分的变化规律。通过分析,明晰了带剪力键的灌浆连接段的受力性能,为设计工作提供依据。     

海上风电导管架灌浆原型试验研究

文章开展海上风电导管架灌浆原型试验,验证自主研发的材料、设备和工艺满足海上风电导管架灌浆施工技术要求。研究表明自主研发的UHPG海上风电导管架灌浆料具有大流动性、可泵送性好、高早强、超高强、高耐久性、无收缩和高抗疲劳等特点,适用于海上风电导管架与钢管桩基础之间灌浆连接。原型试验也验证了自主研发灌浆设备的功效和能力,测试和验证导管架水下灌浆施工工艺,测试封堵器的封堵效果。原型试验对指导海上风电导管架灌浆有重要意义。     

脚靴式海上升压站灌浆连接段强度分析研究

与国内已建成的海上升压站相比,脚靴式海上升压站导管架对桩和套筒间的灌浆连接强度要求更高,完全套用单桩风电结构的分析方法会使结构设计不准确。由于桩和套筒之间设置有剪力键,当特殊情况时还需增加灌浆连接增强钢筋,在地震及撞船作用下容易导致灌浆接触界面分离等破坏,当前尚未有针对此类情况系统的灌浆连接强度校核方法。以某脚靴式海上升压站为例,分析其在在位、撞船、地震、疲劳等多个主控工况下灌浆连接、剪力键及增强钢筋的强度及稳定性,结果表明该海上升压站灌浆连接段满足设计要求,并研究了各参数对灌浆连接段强度的敏感程度,为今后脚靴式海上升压站各主控工况下的灌浆连接段强度分析、优化设计提供参考与借鉴。     

DNV规范（2014）海上风机基础灌浆连接段抗弯性能设计理论研究

挪威船级社(DNV)于2013年9月正式与德国劳氏船级社(GL)合并为DNV·GL,并于次年5月推出了最新版《海上风机结构设计规范(DNV-OS-J101)》。该规范结合了DNV和GL的最新研究成果,对原有规范关于海上风机基础灌浆连接段设计验算的相关内容进行了大量地更新和补充,其中最值得注意的补充内容是带剪力键的单桩和导管架基础灌浆连接段的抗弯承载力的计算方法。在多篇文献的基础上,对相关公式进行理论研究,给出设计公式的理论依据,为行业设计者更全面地理解该规范提供参考。     

海上风电导管架结构与桩基灌浆连接施工工艺

灌浆技术作为导管架安装的重要关键技术,越来越受到业界的关注。灌浆连接具有良好的结构性能,以及施工便利、造价低廉等优点,被广泛应用于海上风电场。导管架灌浆是整个风电基础结构施工的一项关键技术,灌浆的成功与否直接关系到风机基础结构抵抗环境载荷的能力和寿命。文章针对导管架结构灌浆工艺进行研究,并结合江苏滨海项目分析了导管架灌浆工艺及其施工过程中的难点,为我国海上风电基础建设提供参考。     

风、浪荷载作用下海上风机单桩结构灌浆连接段疲劳性能评价

灌浆连接段的疲劳性能对于海上风机单桩支撑结构至关重要。基于385种工况下的某实际5 MW单桩风机支撑结构在风、浪荷载作用下的动力响应分析,获取了灌浆连接段荷载边界条件时程。建立灌浆连接段精细化有限元子模型,将荷载边界条件转化为应力时程。对于剪力键采用"热点应力"方法进行疲劳性能评价。对于灌浆材料,选取剪力键附近灌浆材料单元积分点处的第三主应力进行疲劳性能评价。采用Palmgren-Miner线性损伤累计准则和雨流计数方法进行疲劳损伤的累计。在某实际灌浆连接段20年的设计寿命周期内,最大剪力键总疲劳损伤为1.35×10~(-10);最大灌浆材料总疲劳损伤为1.54×10~(-3)。由此可见,灌浆连接段的疲劳性能由灌浆材料控制,且损伤值远小于限值1/3,在现有的荷载条件下,灌浆连接段不会发生疲劳破坏。分析产生损伤较大的几种工况可知,风速对现有单桩结构灌浆连接段疲劳的损伤起控制作用。     

“埕岛二号”中心平台非灌浆腿导管架结构设计

结合“埕岛二号”生活平台介绍了非灌浆腿导管架的结构分析的细部构造设计计算,将其受力性能与常规导管架作了对比总结了该结构型式的导管架在结构设计时应注意的问题。     

台风作用下海上风机基础结构安全评价

海上风机结构在运营期内可能面临极端风浪、地震等荷载作用。因此,极端工况作用下海上风机局部和整体结构反应将成为结构设计以及安全评价的重要参数。采用半整体方法,以桩基泥面最大位移、结构杆件极端承载力以及桩基抗压、抗拔承载力为判定指标,基于塑性可靠度理论,系统研究台风条件下运营期内海上风机基础结构可靠度指标变化规律,得出潜在的基础结构失效模式及相应判定指标。由研究可得,台风条件下运营期内海上风机基础结构各可靠度将显著受到基础冲刷、海生物生长和结构腐蚀的影响,并且结构失效模式将由单一模式破坏发展为多种模式联合失效。     

砂土中四筒导管架风机基础抗弯承载力研究

针对一种四筒导管架海上风机基础,基于有限元数值分析,通过建立砂土中不同筒径和筒高的四筒导管架基础有限元模型,研究砂土中单调弯矩荷载的作用下,筒径与筒高对导管架基础抗弯承载力的影响。分析结果表明:四筒导管架风机基础的抗弯承载力随着筒高或筒径的增加呈明显的增长趋势,相比于筒径的增加,筒高的增加对提高基础抗弯承载力更为有效;在极限弯矩荷载的作用下,基础旋转中心水平向位置受筒高的影响较大,但竖向位置受筒高和筒径的影响很小。     

导管架海洋平台优化设计中约束的有效处理

对导管架海洋平台优化设计中的应力约束、桩基横向承载力约束和构件长细比约束进行了分析,论证了应力约束取构件截机最大Ｍｉｓｅｓ应力、桩基横向承载力约束取桩顶侧位移或最大抗力比和构件长细约束取受压构件长细比许用值作为约束的合理性。提出了精细一维搜索算法,并用此法求我件截面Ｍｉｓｅｓ应力最大值。     

Shaking Table Tests of Four-Bucket Jacket Foundation for Offshore Wind Turbines

As the offshore wind turbine foundation, the four-bucket jacket foundation has a large stiffness and the structure is difficult to be damaged under seismic load. Nevertheless, the saturated subsoil of the four-bucket jacket foundation tends to be liquefied under earthquake, which greatly affects the safety of offshore wind turbine. Therefore, the seismic performance of four-bucket jacket foundation is mainly reflected in the anti-liquefaction capacity of foundation soil. In this paper, the liquefaction resistance of sandy soil of four-bucket jacket foundation for offshore wind turbine is studied. The liquefaction and dynamic response of sandy soil foundation of four-bucket jacket foundation under seismic load are obtained by carrying out the shaking table test, and the influence mechanism of four-bucket jacket foundation on the liquefaction resistance of sandy soil foundation is analyzed.

     

支撑结构频率对海上风机动力响应的影响机理研究

海上支撑结构的优化设计是海上风机技术发展的必然趋势,降低支撑结构的载荷是保证风机安全运行的有效途径。海上支撑结构受到风浪复杂环境荷载作用,风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩,同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。基于海上风机支撑结构频率对载荷影响的研究,分析海上支撑结构频率对叶片根部挥舞和摆振响应的影响,探究频率对风机响应的影响机理。研究表明：波浪频率诱导是基础疲劳载荷响应的主要原因;开展单桩基础设计,当整机频率确定时,基础变径段可设置于浪溅区下部区域范围;叶片摆振响应受1P频率影响较大,在风机设计时可增加叶片摆振方向的阻尼;当整机频率邻近3P频率时,塔筒刚度变化对基础载荷响应的影响大于基础刚度变化;海上支撑结构设计时可优先考虑塔筒刚度。     

海上风电倒Y形导管架筒型基础受力特性研究

以一6.7 MW风机为研究对象，提出了一种适用于30~50 m水深的海上风电倒Y形导管架筒型基础结构型式，采用三维精细有限元模型对结构的受力特性展开研究，包括结构的自振特性以及在随机风浪流荷载作用下的动力响应。研究结果表明，倒Y形导管架筒型基础采用“三腿变六腿”导管架的结构型式，能够更加有效的将上部荷载传递至下部筒型基础，具有较好的受力特性和传力体系；整机结构的前两阶自振频率均在风机允许运行的频率范围内；在50年一遇极端随机风浪流荷载作用下，整机结构的位移响应和应力响应，均可满足结构安全使用要求。     

轴压作用下双金属复合管组合作用与承载力分析

为探究轴压作用下双金属复合海底管道的组合作用与承载性能,对双金属复合海底管道进行了试验研究和理论分析。开展了不锈钢衬管材料性能试验,对比了国际主流不锈钢本构关系模型和试验结果。利用ABAQUS建立了精细化的双金属复合管道轴压试验有限元模型,系统研究了关键参数如复合工艺产生的环向复合应力、钢管初始缺陷幅值等对双金属复合管在轴压作用下力学性能的影响规律。通过对比已有轴压双金属复合管道试验结果,验证有限元模型。基于验证的有限元模型,对轴压作用下双金属复合管道的组合作用以及径厚比和材料强度对承载力的影响进行了分析。结果表明双金属复合管道的轴压极限承载力主要取决于基管的截面屈服荷载,并随着管径和材料强度的提高而增大。并依据分析结果对双金属复合海底管道的设计提出建议。     

Topology optimization design for offshore platform jacket structure

Offshore jacket platform is widely used as production or oil recovering platform in the shallow sea, and is also applied to the offshore wind turbine supporting structure in the recent years. The jacket structures are normally designed to be conservative and bulky according to various design codes. In this work, a structural optimization design method for jacket platform structure has been developed based on topology optimization theory. The topology optimization method is applicable at an early design stage, which can determine the initial structure and force transmission path. The whole design space is chosen as design variables, and the goal is to maximize the structural stiffness. A set of constraints based on multi-criteria design assessment is applied according to standard requirements, which includes stress, deformation, vibration and design variable constraints. The optimization results are compared with the original platform for static performance, dynamic performance and Ultimate Carrying Capacity (UCC). Results show that the optimized structure show a 13.7% reduction in the global mass, 46.31% reduction in the maximum equivalent stress, and large ultimate carrying capacity ability under the same environmental loads. It is demonstrated that the proposed topology optimization method is capable of effectively determining the optimal design of jacket platform structures.     

海上风电基础结构研究现状及发展趋势

对国外海上风电机组基础结构的研究与工程应用现状进行了较为详尽地分析,重点对我国海上风电场开发建设有借鉴意义的重力式结构、单桩结构、三角架结构和导管架结构进行了分析论述.基于我国海洋工程技术水平和海上风电产业发展的动态,分析发展适合我国国情的海上风电机组基础结构的可行性及必要性,提出我国海上风电产业发展所面临的挑战.     

基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明：吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。     

海上风电楔形单桩基础竖向承载力特性分析

为提高基础利用率增加海上风电设施的可行性，对楔形单桩基础竖向承载力特性进行研究分析。采用PLAXIS 3D 有限元软件建立楔形单桩基础模型，从桩侧摩阻力、桩侧法应力及土体位移对比分析楔形单桩基础与等截面单桩竖向承载特性差异，并探讨内摩擦角、楔角及楔高对承载力的影响。研究表明：楔形单桩基础竖向承载力高于等截面单桩基础，且承载力随着楔角、楔高的增大而增大，提高率最大达24.786%。倾斜侧壁的引入改变了桩侧摩阻力的传递规律；倾斜侧壁挤密桩周土体，桩侧摩阻力与法向应力增大，从而有效提高单桩基础的竖向承载力。研究成果可为今后海上风电单桩基础截面型式的设计提供参考。