海上风力发电机组基础设计优化

1.海上风力发电机组基础的分类与特点

海上风电场的基础结构型式可分为重力式基础、单桩基础、多桩基础、吸力式基础等。基础的结构选型，需从基础结构特点、适用自然条件、海上施工技术与经验以及经济性方面进行比较。目前，世界上的近海风力发电机组大都采用重力式基础或单桩基础，也有采用多桩基础的，如江苏如东风电场的38台风机中有17台风机采用单桩基础形式，21台采用多桩导管架基础形式。

（1）重力式基础

重力式基础按材料分有混凝土制和钢制的，如图9-37所示。混凝土重力式基础依靠其自身巨大的重量来固定组机。这种基础造价低、安装简便、稳定性好，适合所有海床状况。缺点是需要进行海底准备，受冲刷影响较大，仅适用于浅水区域。钢制重力式基础像混凝土重力式基础一样，也是依靠自身重量固定风力发电机组的，但钢制基础重量较轻，可在基座固定之后，向其内部填充重矿石以增加重量。钢制基础易于安装及运输，但抗腐蚀性较差，需要长期保护。

（2）单桩基础

单桩基础目前已经成为安装海上风力发电机组的“半标准”方法，在Horns Rev、Samsϕ、Utgrunden、Arklow Bank、Scroby Sands及Kentish Flats风电场中有着广泛地应用，如图9-38a所示。目前单桩基础的直径一般为3～5m，适用于浅水及20～25m的中等水深水域。单桩基础的优点是安装简便，利用打桩或喷孔的方法将桩基安装在海底泥面以下一定深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜，以保证基础的平正。缺点是移动困难，如果安装地点的海床是岩石，还要增加钻孔的费用。

（3）多桩基础

这种基础是由三根或多根单桩组成多支架模式构成的，如图9-38b、c所示，适用于水深30m以上的水域。与单桩基础相比，它更坚固，应用范围广泛，但成本较高，移动性差，并且像单桩基础一样，不太适合软海床。

图9-37 重力式基础

a）混凝土重力式基础 b）钢制重力式基础

图9-38 桩基础

a）单桩基础 b）三脚架基础 c）多桩基础

海上风机组基础与陆上机组基础相比，具有如下特征：

1）海上风机处于海洋环境中，承受波浪、潮流作用，具有海洋结构工程特性；

2）塔架高达几十米，其基础具有高耸结构基础的结构特性；

3）风力发电机组工作时动力学问题突出，其基础具有动力设备基础的结构特性。因此海上机组基础具有海洋工程、高耸结构基础、动力基础等结构特性。

2.基础设计载荷

设计基准期按50年考虑。波浪、水位按50年一遇考虑。建筑物等级按Ⅱ级考虑。设计高水位按高潮累积频率10％的潮位；设计低水位按低潮累积频率90％的潮位；极端高水位按重现期为50年的极值高潮位；极端低水位按重现期为50年的极值低潮位。基础顶高程应从设计水位、设计波高、结构受到的波浪力综合考虑，一般情况下，基础上方塔架与基础结合面，不受海水浸泡和波浪打击但顶面高程过高，不方便维护人员的上下。所以基础顶高程宜为：设计高水位+波浪超高+富裕高度，波浪超高可取50年一遇1％波浪的超高。

（1）设计载荷

永久载荷为结构自重，包括基础自重，上部机组自重。可变载荷包括风载荷、波浪和水流载荷。风载荷包括作用在塔架及风轮上的风载荷。波浪、水流载荷中，波浪力的波浪按重现期为50年，累计频率为1％的波高考虑。水流作用在桩基础、重力式圆形基础上可取垂线平均流速，作用在群桩基础上方墩台取表面流速，可参考《海港水文规范》JTJ213—98。

偶然载荷包括漂流物撞击力、船舶事故撞击、地震载荷。

1）漂流物撞击力：《公路桥涵设计通用规范》JTG D60—2004基于动量公式给出了船只和漂流物的撞击力估算公式：

式中 W——漂流物重量或船舶排水量，单位为kN；

v——水流速度，单位为m/s；

T——撞击持续时间，单位为s，应根据实际资料估计，在无实际资料时可取1s。

2）船舶事故撞击：船舶撞击力的计算目前国内外发展了很多经验公式其中比较常用的经验公式除式（9-71）外，还有《美国路桥规范（AASHTO 1994）》给出的船舶撞击力计算公式：

式中 P_s——船舶撞击力，单位为N；

v——船舶撞击速度，单位为m/s；

W_b——船舶载重量，单位为ton。

3）地震载荷：海上风力发电机组属于水运工程，在进行抗震计算时应遵守以下原则：

①水运工程建筑物抗震设计属于偶然状况，仅应进行抗震稳定和承载力等承载能力极限状态验算，不应进行正常使用极限状态验算。

②计算地震作用时，建筑物的重力载荷代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变载荷组合值之和。

③水平向地震系数K_H，设计反应谱应根据场地类别和结构自振周期按《水运工程抗震设计规范》计算。

④海上风电结构建筑物水平向地震作用，应根据建筑物的形式，分别对纵、横两个方向或其中一个方向进行验算。

⑤海上风电结构建筑物的竖向惯性力，可按相应的水平地震惯性力算法，以竖向地震系数K_V代替水平向地震系数K_H进行计算，K_V取2/3K_H。对于重力式建筑物，当设计抗震烈度为8度、9度时，需同时计入水平向和竖向地震惯性力。此时竖向地震惯性力应乘以0.5的组合系数。

⑥当建筑物位于海啸易发区时，应考虑海啸对建筑物的作用，可按建筑物所在海域水深所能发生的最大海浪计算。

按照以上原则，当构筑物按多质点体系计算地震作用时，沿构筑物高度质点i的第j振型水平向的地震惯性力P_ij应当按下式计算：

P_ij=CK_Hr_jφ_ijβ_jW_i （9-73）

式中 C——综合影响系数，取0.35～0.5；

K_H——平向地震系数；

φ_ij——j振型在质点i处的相对水平位移，单位为m；

β_j——j振型在自振周期为T_i时的相应的动力放大系数；

W_i——堆聚在质点i的重量，单位为ton。

r_j——结构振型参与系数，按（9-74）式计算：(www.xing528.com)

作用在重力墩式建筑物上总的动水压力，可以按《水运工程抗震设计规范》计算。

（2）载荷组合

1）结构承载能力极限状态，分别按持久组合、短暂组合、偶然组合考虑承载能力极限状态

①持久组合

S_d≤R_d （9-75）

式中 S_d——作用效应设计值R_d为结构抗力设计值。

式中 γ₀——结构构件的重要性系数，与安全等级对应，对安全等级为一级或设计使用年限为100年级以上的结构构件不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；

γ_G——永久载荷的分项系数，取1.25，当永久载荷对结构有利时，取1.0；

γ_Qi——第i个可变载荷分项系数，风载荷、水流力、波浪力、冰载荷等均取1.35；

C_G，C_Q1，C_Qi——永久载荷及可变载荷的作用效应系数；

G_k，Q_1k，Q_ik——永久载荷及可变载荷的标准值；

ψ——可变载荷Q_ik的组合值系数，按《港口工程载荷规范》JTS 144-1—2010有关规定，可取0.7；

n——参与组合的可变载荷数。

表9-16 可变载荷分项系数

（续）

注：1.除有关规范另作规定外，作用分项系数均按本表采用；

2.当两上可变作用完全相关时，其非主导可变作用应按主导可变作用考虑；

3.当永久荷载产生的作用效应对结构有利时，分项系数的取值不大于1.0；

4.结构自重、固定设备重力、土重等为主时，分项系数应增大为不小于1.3。

载荷组合为：恒载+风载荷+波浪、水流力。组合系数：考虑风与波浪、水流载荷同时发生，取1.0

②短暂组合

式中 可变载荷分项系数比持久组合时小0.1。

载荷组合为：永久载荷+施工载荷

③偶然组合

永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合：恒载+地震载荷+水流力；恒载+漂流物撞击+水流力。

式中 R——结构构件承载力设计值；

S——结构构件作用效应设计值；

γ_RE——抗震调整系数。

2）正常使用极限状态

对正常使用极限状态，分别按持久状况短期效应（频遇）组合，持久状况长期效应（准永久）组合，短暂状况来考虑：

①持久状况的短期效应（频遇）组合：

载荷组合为：永久载荷、风载荷、波浪、水流力

②持久状况的长期效应（准永久）组合：

载荷组合为：永久载荷、风载荷、波浪、水流力

③短暂状况

短暂状况需要考虑正常使用极限状态时的施工载荷

载荷组合为：永久载荷、施工载荷

目前，海上风力发电机组基础设计可参考国内外相关规范，有《风电机组地基基础设计规定》（FD 003—2007）、《海港水文规范》（JT J214—98）、《建筑桩基技术规程》（JGJ94—94）、《Design of off shore wind turbine structures》（DNV-OS-J101：2004）、《海上固定平台规划、设计和推荐作法工作应力设计法》（SY/T 10030—2004）和《海上钢结构疲劳强度分析推荐作法》（SY/T 10049—2004）等。根据风机设备商提供的基础载荷、基础设计要求分别进行承载极限状态、疲劳极限状态和系统模态计算。