关于高桩承台结构海上风机初步设计的探讨

关于高桩承台结构海上风机初步设计的探讨

朱 玲

明阳智慧能源集团股份公司 广东中山 528400

摘要：随着社会用电需求的不断增加，海上风电产业迎来了发展的黄金时期，风能作为一种清洁无污染的可再生能源，已经受到了世界各国的高度关注。在此背景下，海上风机成为了相关领域的研究热点。本文以高桩承台结构海上风机初步设计探讨为题，介绍海上风机的发展现状，然后对风机初步设计进行分析，希望为相关行业提供借鉴。

关键词：高桩承台结构；海上风机；初步设计

引言：作为一种可再生的清洁能源，风能的发展潜力显而易见。现阶段，参与海上风力发电的国家和科研人员逐渐增加，诸多国家都通过建立海上风电场的方式来利用风能发电。近些年，以美国、中国为代表的风力资源丰富的国家，充分开发利用海上风力资源来满足社会用电需求。相较于陆地风力发电，海上风力发电机除了风的作用，波浪和海流的作用也不得不一并考虑，海上风机所承担的载荷更为复杂和剧烈，并且所处环境也极为恶劣。因此，对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。

2. 问题提出

在风力涡轮机设计不断完善和发展的背景下，主轴承和转子轴承的建模和仿真，会受到涡轮尺寸和传动系统布局的直接影响，具体表现在以下方面：第一，轴承与传动系统整体结构动力与轴承之间的关系，会通过数值模型所反映出来；第二，在估计轴承运行参数时，可以将模型作为依据，在实际设计过程中，必须要确保轴承布置的合理性，这也为海上风力机使用寿命研究的深入，提供了支持。众多学者的早期研究结果表明，变速箱使用年限，可能会被主轴承性能所影响。此外，直接驱动发电机的气隙也是不容忽视的指标。因此，设计一个海上浮风机，属于重要的研究课题，但由于缺少参考资料和实践经验这种情况的存在，导致本文研究难度大幅度增加。

在全世界的范围内，海洋中的风能远远多于陆地，目前，海上风机的底部结构主要为两种，分别是浮式结构和固定结构。而风机类型也同样如此，主要以水平和垂直轴风机为主。在传动系统上，同样有两种选择，第一种是传统的机械齿轮；另一种是液压驱动。

相较于陆地风电，海上风电的发展历史较为短暂，始于21世纪初，但发展速度却十分迅猛，经过多年发展，市场上的涡轮机容量逐渐增加，超过10MW的涡轮机将逐渐生产并投入使用。涡轮机尺寸及装机容量的增加，会降低海上风力发电的成本，如果涡轮机成本的降低率低于市场预期，会导致海上风力发电成本始终高于电网平均电价，故研制大尺寸涡轮机和与之相配套的基础平台，是海上发电产业发展的关键。目前，国内学者对海上发电项目也进行了研究，并提出了一系列的理论和计算方法，这些方法和理论，为海上风机的设计提供了强有力的支持^[1]。

3. 高桩承台结构海上风机结构

本文所研究的海上风机，其基础上部与主流风力机的契合度较高。接下来，会对海上风机基础进行介绍，如下所述：

2. 海上风机基础参数

现阶段，国内海上固定式风机基础多采用单桩、高桩承台（六桩及八桩）、导管架基础，但对不同基础型式的适用性研究仍在进行探索。港口工程中的跨海大桥桥墩及靠船墩的多桩基础型式，发展成了海上风电基础型式之一的高桩承台基础，高桩承台基础由群桩支撑高承台，风机塔筒与基础的连接类似陆上风机，施工可依靠传统的设备和工艺，具有施工经验丰富及可靠度高的优势。

高桩承台基础是由混凝土结构的刚性承台与桩腿连接来传递风机载荷，其承受载荷的形式较为清晰，轴对称分布的桩基主要承受承台传递过来的拉压及水平方向的载荷。通常斜桩因为水平刚度更高且对基础整体的稳定性而言更好被更广泛采用。其中钢管桩是承台桩基较常采用型式，主要因为钢管桩具有以下几点优势：抗弯强度更高；耐抨击性能更好；沉桩较为简单方便且可做斜桩；施工过程中具有良好稳定性；最重要的是一点是，在承受风浪流等往复作用的荷载方面，钢管桩的适应性也较为显著。并且为了提高钢管桩刚度及基础抗拔承载力，常往桩内浇灌混凝土。

按底高程将高桩承台基础分为低承台、中承台和高承台。底高程在海平面附近的为低承台，底高程在设计高水位附近的是中承台，而要考虑不受波浪的影响就要采用高承台。实际工程应用中，高桩中承台和低承台基础更为常见。^[2]

3. 塔顶参数

塔架顶部和机舱的连接方式，主要以轴承连接为主，将轴承作为中转点，可以调整机舱的航线。塔架同样是圆柱体，并且塔架壁厚与高度之间的关系密切。塔架和平台的中心线相互重合，在实际运作时，可以该中心线为轴调整机舱航线。

4. 高桩承台结构海上风机初步设计分析

2. 基础方案设计

考虑到本文所设计的海上风机所处区域可能为浅水，水的深度不超过16m，故在设计时，初步选择高承台基础。承台所采用的结构，主要为高性能海工混凝土，其中，混凝土的强度等级为C50，其直径为16m，底高程和顶高程分别为8.3m和3.3m，厚度为5m。与此同时，本次设计拟采用超高强螺栓，使塔筒底部法兰盘和承台内部相互连接，并将环形垫圈设置到其中，确保受力的均匀程度，锚固作用也会随之增强。

在经过综合考虑后，确定的设计方案如下：本次设计所使用的管桩，其数量为8根，单根管桩的直径为2.1m，类型为钢管，倾斜率为5:1，单管壁的厚度为3.2cm，桩顶的高度为6.4m，桩基的长度为66m，这里所说的长度为斜长，将所处环境作为依据，所选择基建材料为花岗岩，并使所选择的管桩，均匀分布在承台底部。此外，还要将强度等级为C35的混凝土，通过填充的方式，灌入到桩芯内，填充的顶和底标高，分别为3.28m和42m。

3. 基础结构有限元模型

在计算基础结构的过程中，所采用的软件为 ，在模拟承台混凝土时，所采用的软件为 ，模拟管桩段和塔筒连接段时，采用的软件为 。此外，还需采用单元模拟的方式，对钢管和承台之间进行模拟，在模拟后获取了接触单元摩擦系数，该系数为 。

4. 基础结构计算

1.桩基承载力

在分析桩基承载力时，首先需要分析两个指标，分别是抗压和抗拔。计算结果表明，在极限压力下，桩基的下压力极限值为 ，而上拔力极限值为 。将规范作为依据，得到了土体抗压和抗拔承载力的计算结果，分别是 和 ，这两个数值与设计要求相符。在使用 软件进行建模计算后，得到了计算结果，如图1所示。

图 1 桩基抗压计算结果

2.应力验算

在分析基础结构后可知，承台混凝土存在局部节点应力集中的问题，这种问题的存在，导致了应力超限现象的发生，其中，承台上表面基础环处，是此类现象的出现位置，该位置的最大拉应力高达 ，最大压应力为 。由于本文设计，并未对钢筋在承台内所起到的作用进行分析，故需要在后续计算中，对配筋进行考虑，通过钢筋的增设，避免承台不会在压力的作用下而损坏。计算结果表明，桩身最大等效主应力达到了 ，这一数值与规范要求相吻合。

3.变形验算

在计算基础结构变形后，得到了基础顶最大水平位移值，该值高达 ，而最大转角为千分之二，桩基水泥面的最大位移量远小于基础顶，仅为6.8mm，最大转角仅为千分之一，而最大沉降量接近10mm，与规范要求相吻合。在利用软件 计算后，获取了基础变形和转角的情况，如图2和图3所示。

图 2 基础变形

图 3 基础转角

4.模态分析

通过模态分析的方式，对风机整机的频率进行了计算，将计算结果作为依据，得知风机的一阶自然频率可达 ，与厂家提出的要求相符。

结论：综上所述，本文以某海上风电场项目为例，对应用于浅水区的固定式海上风机结构进行了初步设计，计算结果表明，设计后的风机，其频率与风机厂家要求相符，并且结构基础，在强度、刚度和稳定度上均能满足实际要求，故设计方案具有合理性、经济性。对于深海区域，则建议将导管架基础作为主要选择。

参考文献：

[1]孙寅博. 桁架结构漂浮式海上风机初步设计及性能研究[_D].江苏科技大学,2020.

[2]张忠中. 高桩承台在福建海上风机基础的应用[J]. 水利科技, 2015, 000(001):56-60.