[发明专利]一种海上风机桩基础设计方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及潮间带及海上风机桩基础设计技术领域，具体地，涉及一种海上风机桩基础设计方法，该设计方法也可应用到潮间带风机桩基础设计中。

背景技术

海上风力资源丰富。通常离岸10km的海上风速要比沿岸陆上高出25％，深海区域的风力资源比近海区域更为丰富。据统计，美国海域在水深60～900m处的海上风力资源达到1533GW，而近海0～30m的水域只有430GW。据国家发展和改革委员会能源研究所等机构的研究，中国近海10m、20m和30m水深以内的海域风能资源分别约为1×10⁸kW、3×10⁸kW和4.9×10⁸kW。按比例计算，深海60～900m处的海上风能资源将约有17.4×10⁸KW。海上风力发电发展前景广阔。

海上风机基础有重力式、桩式及浮动式等几种基础型式。桩基础是目前应用最多的一种基础型式，适用于潮间带以及100米以下水深海域，有单桩、多桩之分，基础结构包括打入海底土壤的钢桩和上部支撑结构两部分。

海上风机基础与陆上风机基础不同，除了承受风载荷、上部风机运行载荷以外，还承受波浪载荷、海流载荷、冰载荷等，海底土壤条件也与陆上基础土壤条件差别较大。

由于海上风机在我国刚刚起步，目前还没有形成一套比较系统的海上风机基础的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种海上风机基础的设计方法，该设计方法系统性强，具有分析精确，结果可靠，设计效率高的特点。

本发明的另一个目的是提供一种上述方法在潮间带风机桩基础设计中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上风机桩基础设计方法，按照海上风机基础设计规范及海上固定平台设计规范，基于海洋工程设计分析软件SACS进行设计计算分析，所述设计计算分析包括基本分析、模态分析、地震分析、冰载荷分析、吊装分析、运输分析及安装分析，其中：

所述基本分析为：第一步，用所述海洋工程设计分析软件SACS建立设计计算模型，包括由钢桩及支撑结构组成的基础结构模型及塔筒模型；第二步，在所述设计计算模型中输入设计相关数据，包括钢桩的间距、长度、直径及壁厚，支撑结构的型式及支撑结构中支撑钢管的长度、直径及壁厚，钢桩与支撑结构之间的连接型式及具体尺寸；塔筒的高度、直径及壁厚；以及钢桩、支撑结构及塔筒的材料常数；第三步，在所述设计计算模型上施加外载荷，所述外载荷包括风机重力载荷、风机运行载荷以及海洋环境载荷；所述风机重力载荷包括基础结构重量、塔筒重量、风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量；所述海洋环境载荷包括风载荷、波浪载荷、海流载荷，还包括二次弯矩以及水动力放大效应引起的载荷；第四步，在所述设计计算模型上施加泥面以下的钢桩与海底土壤的边界条件，所述边界条件以土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线、桩尖载荷-位移Q-z曲线以及侧向承载力-位移p-y曲线模拟；第五步，在所述设计计算模型及、外载荷及施加在模型上的边界条件基础上，按照所述规范，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求。

所述模态分析为：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷，分析结构的模态，计算结构的基频，避开风机1P-3P之间的频率和所在海域的波浪频率。

所述地震分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、再考虑地震加速度及地震谱，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求。

所述冰载荷分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、风机运行载荷、风载荷、海流载荷，再考虑冰载荷，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求。

所述吊装分析、运输分析及安装分析：在所述基础结构模型的基础上，考虑所述基础结构重力载荷及海洋环境载荷，分析基础结构的强度及稳定性是否符合规范要求。

根据以上分析结果判断设计是否合理，如不合理则重新建立设计计算模型或适当调整第二步中的输入数据。

进一步地，所述风机重力载荷中的基础结构重量、塔筒重量根据设计计算模型中输入的尺寸及材料常数由SACS软件自动计算，所述风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量以集中力形式施加于塔筒顶端。