海上风机单桩基础设计要点及有限元分析实例

统计数据表明,单桩基础在海上风机基础形式中所占比例为65%以上,开展单桩基础设计与分析方法的研究具有重要的工程应用意义。根据海上风电机组基础所处的环境特点和结构特性,介绍了海上风机单桩基础的设计要点。结合某海上风电场风电机组单桩基础设计实例,建立了单桩基础有限元模型,进行了基础承载力与变形计算、模态分析和疲劳分析等工作,给出了相关设计成果,可供相关设计人员参照使用。     

复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展

文章从桩基—土体相互作用与传统桩基冲刷两个方面对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统的回顾与分析,总结了这两个方面研究中各自存在的不足。为了使研究成果更贴近工程实际,建议该领域未来的研究中应同时考虑传统冲刷研究中的水动力荷载与桩基在复杂荷载作用下的循环振动响应,深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动力特性的影响,揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理,进一步优化现有冲刷防护设计。     

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。     

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。     

大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究

针对渤海某海域以单桩结构为支撑的海上风电系统,对大直径直立桩风机基础进行了一系列静冰载荷模型试验研究。首先,针对目标海域海冰调研结果确定多个冰速工况,对3 MW及4 MW装机功率对应的两种不同直径的单桩基础开展静冰载荷模型试验;随后在试验现象及试验结果的分析中重点关注了冰排在大直径结构前的破坏模式及破坏特点;最终,通过对比模型试验冰力极值试验结果与多规范冰载荷计算结果,确定大直径直立桩静冰载荷计算规范的合理选择,并根据试验结果对直立桩静冰载荷计算方法进行了经验参数修正。得出的相关结论可为渤海海域大直径单桩式风机基础冰载荷的工程估算提供参考。     

海上风电单桩基础土相互作用特性影响因素分析

采用有限元软件ABAQUS建立了海上风电单桩基础与土相互作用数值计算模型,将波浪、洋流及风荷载等效成双向对称循环荷载,研究了水平循环荷载作用下不同因素对桩身水平位移、剪力和弯矩的影响规律。研究表明,随着循环荷载比的增加,桩身位移零点和桩身剪力反弯点沿埋深逐渐下移,桩身弯矩最大值点位于浅层土体;不同荷载频率时桩身位移在零点以上变化较大,桩身弯矩随着频率的增加逐渐增大;单向循环荷载作用下桩身位移最大,双向对称循环荷载作用下桩身位移最小;壁厚较小时对桩身水平位移影响较大;在位移零点之上范围内可以考虑设计"上厚下薄"的钢管桩,以减小桩身水平位移;不同桩壁厚时桩身剪力曲线在埋深约6D处出现交点,且泥面处桩身弯矩变化不明显。     

台风对海上风电单桩基础累积变形影响试验研究

文中主要采用小比尺模型试验,研究了台风对海上风电单桩基础累积变形的影响。通过在模型槽中进行桩的水平静力和循环加载试验,得到了不同工况下桩的累积转角与循环加载次数之间的关系曲线。随后对曲线进行分析,拟合出无台风工况下累积转角的计算公式,然后运用叠加法,得出了有台风工况下累积转角的计算公式。试验结果表明,单独作用一种循环荷载时,桩的累积转角是循环次数的幂函数。台风引起的大幅值循环荷载会导致转角的陡升,且增加幅度与小幅值循环荷载的幅值负相关。当将台风荷载设置在加载过程的开头时,对于疲劳设计工况,台风荷载产生的累积转角占总的累积转角的99%以上,因而可以忽略小幅值循环荷载产生的累积转角,直接用台风荷载产生的累积转角代表桩的长期累积转角,实现简化设计。     

水平循环荷载下海上风电楔形单桩土体变形研究

海上风电工程主要受到风、波浪及洋流等产生的水平循环荷载作用,本文研究楔形单桩基础在水平循环荷载作用下的变形规律,并探讨不同循环荷载对变形规律产生的影响,以确保风电设施正常运行。通过数值模拟建立海上风电单桩-海床模型,考虑土体超孔隙水压力的演变规律及土体致密规律,土体采用UBC3D-PLM本构模型。本文重点讨论并分析在不同水平循环荷载作用下楔形单桩基础与等截面单桩基础的桩周土体位移、塑性应变及桩基累计转角位移之间的差异。研究结果表明：楔形结构会降低桩周土体位移及塑性应变,使得楔形单桩基础旋转中心位置更低,产生倾覆的可能更小,当循环荷载比为0.7时,累计转角位移能减少41.86%;循环荷载越大,楔形单桩基础水平受荷特性越好,累计位移减少量的增长率越高。研究成果可为今后海上风电基础的选择与设计提供参考。     

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。     

波浪荷载作用下近海风电单桩基础受力变形特性影响因素分析

为了对波浪荷载作用下近海风电大直径单桩基础受力变形特性的影响因素进行分析,以江苏省如东县某近海区域的水位地质条件为基础,运用有限元模拟软件 ABAQUS 进行数值模拟,对荷载大小、荷载位置、土体压缩模量、桩体自由度 影响因素展开分析。通过影响因素的不同量值,得出近海风电大直径单桩基础动载情况下受力变形特性的变化规律,从而为实际施工提供有价值的参考。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

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。     

海上风机噪声对海洋生物的影响研究

海上风电是未来沿海各国海上能源开发的重点。我国海上风电正处于起步阶段,已建和规划中的风电场逐渐增多。国内对海上风电场环境影响研究,尤其是风机噪声对海洋生物的影响研究几近空白。文章总结了近年来国外海上风电场运营过程中水下噪声的基本概况,以及对海洋鱼类（游泳鱼类和底栖鱼类）、哺乳动物和底栖生物影响的研究成果。就我国未来海上风电场建设规划,提出海上风电场运营期风机噪声研究的不足及海洋生物听闽范围研究的缺乏,为我国制定海上风电项目环境影响评价规范提供科学参考,并指出水下噪声对我国海洋生物影响的研究方向。     

冰区海上风机支撑结构疲劳评估方法研究

采用谱分析的方法,对冰区作业的海上风机支撑结构进行疲劳损伤评估。基于风冰散布图,将海上风机所受的风载荷和连续挤压冰载荷作为系统输入,热点应力作为输出,运用随机振动理论与主应力线性化方法,对冰区海上风机支撑结构进行疲劳评估。以某2 MV海上风机支撑结构为计算实例,验证频域疲劳评估方法的准确性。频域方法与时域方法计算结果吻合较好,证明了频域方法的快速有效,可用于快速评估风机支撑结构的疲劳损伤。     

海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究

文章以大连庄河临近的渤海海域为例,基于SACS模型研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能。研究结果表明：在静冰力方面,根据不同规范推荐公式设计的大直径单桩基础材料的用量可相差约10%;在动冰力方面,在不同冰速和冰厚的组合工况下,低冰速和大冰厚作用下的大直径单桩基础结构更易产生持续振动。     

浅谈弯曲疲劳对钢丝绳寿命的影响

浅谈弯曲疲劳对钢丝绳寿命的影响尚永春，姚宗州磨损、腐蚀和断裂是钢丝绳的三种主要破坏形式，也是导致钢丝绳报废的三个主要原因。在钢丝绳中，因磨损和腐蚀而造成的损失是很大的，但由于磨损、腐蚀进程较慢，一般可以根据绳内钢丝的损坏程度定期更换或修理来解决。而断...     

海上风机对潮间带地形变化影响的定量遥感监测研究

为科学分析潮间带风电场建设对潮间带滩涂稳定性的影响,文章综述国内外潮间带动态变化分析的研究进展,提出假想沙体表面判别法（HSSD）;从单时相DEM中定量估算海上风机建设引起的潮间带地形变化,分析海上风机建设及运行对近海沙体地形冲淤变化的贡献率和贡献方式;采用增强型水边线法（EWM）构建多时相潮间带DEM,开展潮间带滩涂冲淤变化影响海上风机安全性和稳定性的定量评估。实践应用证明,该方案可用于海上风机对潮间带地形变化影响的定量遥感监测。     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

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。     

海上风机吸力式桶形基础承载特性研究综述

风机基础作为海上风机整体结构的重要组成部分,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。文中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。