海上风机吸力式桶形基础承载特性研究述评

风机基础作为海上风机整体结构的重要部分,承受着上部风机所受到的风浪流荷载,并且对风机的安全性及可靠性至关重要。吸力式桶形基础由于其安装简单和可重复利用等优点,在海洋平台基础中得到了广泛应用,并逐步被应用于海上风机基础中。但由于海上风机与海洋平台在海洋环境中的荷载工况有一定的差别,仍需要通过对其承载特性研究现状进行全面认识,以实现吸力式桶形基础在海上风机基础中的可靠应用。本文通过总结和评价现有研究对桶形基础在不同土体条件以及荷载条件下进行试验及数值模拟分析得到的研究结果,综述了静荷载和循环荷载作用下砂土和黏土中的吸力式桶形基础的承载特性研究现状,以及海上风机吸力式桶形基础的相关研究。文章展望了目前应用于海上风机基础的桶形基础仍缺乏的研究,为海上风机吸力式桶形基础的可靠应用及后续研究提供重要参考。     

水平荷载作用下裙式吸力基础承载性能研究

传统吸力基础是一个单桶结构,被广泛作为海洋平台、漂浮结构的基础,近年来也被推广到海上风电塔架。作为风电塔架基础,要充分提高其水平承载能力。为此,提出一种改进的基础形式—裙式吸力基础。采用Z_SOIL有限元软件,针对砂土地基,从水平单调加载和循环加载两个方面,对传统单桶吸力基础和裙式吸力基础进行了承载性能对比研究,得到了相应的荷载-位移曲线。研究结果表明,裙式吸力基础由于设置了"裙"结构,显著提高了其抵抗水平静载和循环水平动力荷载的能力,并能有效控制基础的水平位移,是值得推广应用的一种新型海洋工程基础形式。     

海上风机斜壁桶形基础承载特性研究

基于验证的三维有限元方法,考察了斜壁桶形基础的承载特性,得到了变形网格、位移增量分布、位移等值面分布等结果,探讨了斜壁倾角与各极限承载力之间的定量关系。计算表明,桶形基础发生竖向位移时,主要是桶体内部和桶基正下方的土体发生沉降,而桶侧的土体基本不发生沉降。桶形基础受到水平荷载发生转动时,转动中心轴大致位于桶基底面内,桶基水平承载力主要由桶内土体和桶基外侧中上部受压侧土体产生的抵抗反力构成。桶基因受到较大竖直向上荷载而失效时,桶内土体和桶基外侧靠近海床面附近土体产生了较大的向上位移。桶壁倾角β每增加1°,竖向抗压极限承载力、竖向抗拔极限承载力、水平极限承载力分别提高12%、17.4%及3.8%。     

单向荷载作用下海上风机多桶基础承载特性数值分析

作为一种新型的深水海上基础型式,桶形基础在海上风机设施设计与建设中逐步得到了发展和应用。以三桶基础为例,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机多桶基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的荷载受力特点,分别探讨了三桶基础在竖向荷载、水平荷载和力矩作用下的极限承载力,得出荷载作用方向及桶间距对极限承载力的影响程度,研究成果为复合加载模式下海上风机多桶基础的承载特性分析奠定了基础。     

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。     

循环荷载下饱和粉土中伞式吸力锚水平承载性能研究

利用ABAQUS有限元软件构建模型,对伞式吸力锚施加水平循环荷载,研究伞式吸力锚的承载性能。在固定荷载大小的情况下,研究锚体位移以及不同位置土体的应力应变。分析可得,在水平循环荷载的作用下,土体的最大塑性应变出现在筒裙位置,筒裙和锚支的结合发挥了主要的承载作用。改变荷载工况,研究不同荷载大小对伞式吸力锚的影响。研究发现,随着循环波浪荷载作用强度的增大,筒裙的稳定作用愈加明显,且这种作用在循环波浪荷载的后期阶段相对更加突出。     

组合荷载作用下伞式吸力锚基础承载特性数值分析

针对用于海上风力发电机的伞式吸力锚基础(USAF)实际条件下的受力特点,采用数值模拟方法,基于大型通用有限元软件ABAQUS构建数值计算模型,对伞式吸力锚基础在H-V、H-T、V-T荷载平面内以及H-V-T非共面复合加载模式下的承载特性进行分析,进而推导其破坏包络面数学表达式。分析中采用固定位移比加载法进行复合加载,并将桶顶位移作为失效破坏标准。结果表明：(1)拟定的应力归一化复合加载破坏包络面椭圆曲线方程可以较好地模拟不同主筒长径比USAF在不同荷载空间内的破坏包络面形式;(2)H-T空间内USAF复合承载性能随主筒长径比(L/D)的增大而提高,而H-V、V-T空间内变化不明显;(3)绘制了H-V-T空间内USAF三维破坏包络面,可根据实际受荷状态与包络面之间的相对位置关系,评价实际工况下伞式吸力锚基础的稳定性。     

黄河三角洲海上风机新型吸力锚基础型式分析

海上风力发电是未来风电产业的主要趋势,黄河三角洲沿海滩涂地带风能蕴藏量丰富,多为风能富集型,具有很大的开发潜力。但水下黄河三角洲地域条件复杂,广泛发育着不稳定地形地貌,加上波浪荷载和风荷载的联合作用,极易引起海床土体侵蚀液化,直接影响海上风机基础的安全稳定性。在分析了现有海上风电风机基础的优缺点后,针对现有风机基础存在的弊端,提出了一种新型伞式吸力锚基础,并对其结构优势和安装方法做了说明,该新型吸力锚基础独特的结构设计在黄河三角洲地区风电开发中具有一定的应用前景。     

海上风机吸力基础的水平受荷研究综述

吸力基础具有施工速度快、安装过程中受海况天气影响小且易于回收重复利用等优点,被广泛应用于海洋工程。当吸力基础作为海上风电塔架的基础时,常常承受较大的水平荷载,因此其水平承载力是设计的主控因素。介绍了海上风机基础的设计要求,分析了影响基础水平承载性状的因素,总结了吸力基础受水平单调荷载、水平循环荷载和不同荷载组合三个方面的研究现状。讨论了水平荷载的大小、水平加载的高度(偏心率)、循环荷载的频率、循环荷载的次数、循环荷载的幅值、循环荷载的方向性、竖向荷载对吸力基础水平承载性状的影响,考虑了水平荷载的非共线性,指出了目前研究的不足,明确了吸力基础水平承载性状进一步研究的方向,提出了供工程实践参考的建议。     

海上风电吸力基础在分层土中的沉贯特性研究综述

吸力基础与海洋工程大直径钢桩相比,具有成本低、安装周期短、对环境影响小、不受海况影响及可回收再利用等优点,近年来在海上风电工程中得到推广应用。吸力基础沉贯至海床预定位置,是其发挥承载力和确保服役稳定性的前提。海床地基土体常以分层土形式分布,且各层土体强度、压缩性和渗透性等存在显著差别,导致吸力基础吸力沉贯机理非常复杂。明确吸力基础在分层土中沉贯特性,有助于指导吸力基础在海上风电工程中的推广应用。对目前吸力基础在分层土中沉贯特性研究进行综述和总结,归纳了其沉贯机理研究进展,并对影响吸力基础在分层土中沉贯因素进行了分析;提出了分层土中吸力基础沉贯的研究方向和改进的沉贯方法。     

海上风电塔架基础的新型吸力锚研发

海上风电作为一种清洁能源,其开发利用越来越受到世界各沿海国家的重视.吸力锚基础是海洋工程中的一种新型基础型式,广泛应用于海洋平台、海洋浮动式结构等.近年来,也被作为海上风电工程塔架的基础,此海上风电塔架的基础部分是整个工程结构的重要组成部分,它涉及到整个风电结构的安全性,是工程可靠运行的前提.在深入研究已有塔架的基础上...     

Undrained Bearing Capacity of Suction Caissons for Offshore Wind Turbine Foundations by Numerical Limit Analysis

Determining the ultimate capacity of suction caissons in response to combined vertical, horizontal, and moment loading is essential for their design as foundations for offshore wind turbines. However, the method implemented for stability analysis is quite limited. Numerical limit analysis has an advantage over traditional limit equilibrium methods and nonlinear finite element methods in this case because upper and lower bounds can be achieved to ensure that the exact ultimate capacity of the caisson falls within the appropriate range. This article presents theories related to numerical limit analysis. Simulations are conducted for centrifuge model tests, the findings of which reveal the ability of numerical limit analysis to deal with the inclined pullout capacity of suction caissons. Finally, this article proposes an estimation of the ultimate capacity of a 3.5 MW offshore wind turbine foundation on normally consolidated clay based on the typical environmental parameters of Bothkennar, Scotland. Undrained failure envelopes and safety factors are obtained for suction caissons with different embedment ratios. Failure mechanisms, plastic zones, clay stress distributions, and the influence of the skin friction coefficients of caissons are discussed in detail.     

Estimation of Undrained Bearing Capacity for Offshore Soft Foundations with Cyclic Load

The degradation strength of soils under cyclic loading is studied and a method for deter-mining the cyclic degradation strength with cyclic triaxial tests is given in the paper.Furthermore,a dum-my static method for estimating the undrained bearing capacity for offshore soft foundation under waveloads is developed.It can consider the effect of the difference of cyclic stress for different parts of the foun-dation on both the degradation strength of the foundation soil and the bearing capacity so that the esti-mated result can better reflect the real condition of foundation under cyclic loading.The method can be ap-plied to plane and space problem.     

桶形基础平台负压沉贯数据分析处理系统

介绍了桶形基础平台负压沉贯数据分析处理系统的组成及数据分析处理方法.该数据分析处理系统是为保证海上桶形基础平台现场施工能顺利沉贯到位而研制,可对海上平台现场施工过程进行实时监测,对沉贯数据进行快速分析、处理,并根据桶形基础平台状态对负压沉贯过程进行智能控制.     

桶基平台负压沉贯过程汲水泵机的初步水力分析

对桶形基础平台负压沉贯过程中汲水泵机进行了初步水力分析,讨论了不同水深、不同泵机安装高度情况下,桶腔和泵机进口之间的压头关系.这些结果可作为实际工作中选择泵机类型及其安装高度的参考.     

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。     

Rotation Center and Horizontal Bearing Capacity of the Bucket Foundation in Soft Ground

In the last 20 years, the bucket foundation has been developed as a new type of offshore platform structure. Because of its short period of application to engineering practices, the theoretical decision on the rotation center and horizontal bearing capacity of the bucket foundation has yet to be agreed. A limit analysis method is used to determine the updated rotation center position and horizontal bearing capacity to evaluate the failure mechanisms of the bucket foundations. The results are compared with numerical simulation and experiments, and also with other theoretical methods. The proposed method can satisfactorily consider the engineering conditions and the result is accurate in determining the rotation center and horizontal bearing capacity.     

Numerical Studies on Piled Gravity Base Foundation for Offshore Wind Turbine

This study aims to investigate a hybrid gravity base foundation to support offshore wind tower. A new hybrid gravity base foundation considered in this study has five component piles, referred to as ‘piled gravity base foundation’. The three-dimensional finite element analyses were carried out for the piled gravity base foundation subjected to a combined load with a lateral load and overturning moment. The parametric analyses were undertaken varying the loading height and direction, the rigidity of the piled gravity base foundation, the field soil layers, and the clay strength. Overall, the response of the piled gravity base foundation was significantly influenced by the interaction between the cone base piles and the surrounding soil. The increased strength of the soil led to a significant reduction of the pile and gravity base foundation responses, in terms of the bending moments, axial forces, lateral displacements, and rotations.