海上风力机基础结构设计研究

季鹏

摘要：通过对比分析海上风力机基础结构的常用形式，发现海上风力机基础结构的主要问题，研究和分析不同基础结构的使用条件以及施工工艺，并对海上风力机基础结构的选型工作提供研究方法。

关键词：海上风力机;基础结构;设计

由于海上风电场的建设成本较高，所以目前我国海上风电场的发展较为缓慢，在众多成本支出项目中，风力机基础结构成本大约占据海上风力机总成本的百分之二十五左右。现阶段，我国对于海上风电场的相关研究尚处于起步状态，通过研究与分析海上风力机基础结构设计，探讨常用的海上风力机基础结构形式，总结风力机基础结构的设计问题，对海上风力场的建设有一定的现实意义。

一、海上风力机基础结构简析

海上风电场建设属于一项十分复杂的项目工程，从论证到建成的过程中一般会涉及到现场勘察、设计、选型、设备的研制、采购、设备与材料的运输、安装、建设等过程，并且海上风电场投入使用后还需运行和维护，各个环节并不是相对独立的，而是存在着紧密的联系。其中，风力机基础结构在海上风力场中主要发挥着支撑的作用，所消耗成本约占据海上风力场总成本的约五分之一比例，基础结构的成本支出，是海上风电场建设成本高的主要原因之一。要结合实际场地的岩土形状、海水深度、风力情况、波流力等各种因素与数据值进行风力机基础结构的设计，同时，实际施工建设方式也是影响成本之处的因素之一。所以要重视海上风力机基础结构的设计，从多个角度出发控制成本支出，确保海上风电场的建设质量[1]。

海上风力机基础结构的基本类型主要分为四种，分别是重力基础结构、桩式基础结构、负压桶式基础结构、导管架式基础结构以及漂浮式基础结构。不同基础结构类型的属性不同，且都有其配置方法与安装方法。结合施工现场的实际情况选择相应的基础结构类型进行设计和建设[2]。

二、海上风力机基础结构设计方法探讨

（一）依照规范的设计方法

依据海上风电场基础结构设计的相关规范，进行风力机基础结构设计，对于不同的海水深度条件，结合稳定性因素，控制强度和变形情况，对风力机基础结构的尺寸以及结构进行设计。以某海上风电场为例，在现场勘验过程中分析其底层结构与岩性特征，选择桩式基础结构的设计方式。这一过程中重点关注塔顶的最大水平位移程度、桩顶竖向位移程度、承台倾斜角等信息参数。反复计算以确保数据的准确无误[3]。

（二）有限元整体建模方法

美国SIMULLA公司研发了一款功能强大的有限元软件：ABAQUS，能够分析非线性问题以及线性问题，将其应用到海上风力机基础结构的设计中，能有效降低工作难度。在建模过程中，结合地基、基础与结构之间的相互作用关系，与吐得非线性影响，分析基础结构整体的受力性能及动力特性，主要的建模过程有：土体本构模型的构建、桩土相互作用分析以及地基、基础、塔架模型的建立等。海水底部的岩土材料主要有粒状物体构成，其摩擦力主要来自于颗粒之间的摩擦，在剪应力与垂直作用力的作用下，颗粒之间发生滑移和破坏，根据摩擦发作计算颗粒之间可以承受的荷载能力。在近海地域内建设风力机基础结构时，由于该地段内的土层基本为软土地基，容易发生较大变形，所以在设计建模过程中，计算地基与土表面的接触方程。研究地基、基础与塔架之间的相互作用关系时，首先分析地应力平衡，在模型中构建与实际地应力状态相同的应力状态，然后是对桩基与土质之间相互作用的分析，在地应力平衡的基础上，将风机荷载、自重荷载、波浪荷载等分别计算并施加在基础结构之上。最后是建模和网格划分工作。利用ABAQUS软件准确的得出受力数值、性能以及动力特性相关要素，在建模的过程中结合不同物体之间的相互作用关系，与土的非线性影响因素，构建接触模型，完成风力机基础结构的设计工作，为以后的施工建设提供有效的保障[4]。

三、结束语

综上所述，海上风力机基础结构是海上风电场的重要组成部分，并且，海上风力机基础结构的成本之处占据海上风电场建设总成本的较大部分比例，所以要重视风力机基础结构的设计，准确的计算出不同结构之间的受力情况，并完成建模，这样能够为后期的施工建設提供指导，对于减少成本，提供建设质量有重要的积极作用。结合海上风力机基础结构的四种主要类型，根据施工地区内的实际情况与各方面数据信息，选择合适的基础结构进行设计与施工建设，利用ABAQUS软件辅助设计和建模，提高海上风力场的整体施工建设质量。

参考文献：

[1]练继建，燕翔，王海军.新型重力式海上风力机基础结构动力特性分析[J].太阳能学报，2016，37（06）：1624-1630.

[2]明小燕，周毅，曾文.海上风力机基础结构的疲劳损伤组成研究[J].太阳能，2016（01）：63-67.

[3]王滨，李昕，明小燕.海上风力机基础结构疲劳损伤研究[J].太阳能学报，2015，36（03）：769-774.

[4]尚景宏. 海上风力机基础结构设计选型研究[D].哈尔滨工程大学，2010.

[5]孙文， 刘超， 张平， et al. 国内外海上风电机组基础结构设计标准浅析[J]. 海洋工程， 2014（6）：128-136.

[6]路伟. 关于国内外海上风电机组基础结构设计标准的探讨[J]. 中国设备工程， 2017（21）：181-182.

（作者单位：江苏龙源振华海洋工程有限公司）