海上风电机组基础灌浆技术应用与发展

海上风电灌浆是影响海上风电发展的一项重要技术,由于风机设备的长期动力载荷作用,使得海上风电的灌浆无论是灌浆材料、连接段类型、受力机理等多方面都与常规海洋工程有所不同。海上风电机组基础灌浆具有高终强、高早强、抗疲劳、抗离析等优越性能,本文简述了海上风电场对灌浆材料的要求,详细介绍了单桩基础与导管架基础这两类典型的灌浆连接段类型及其各自的工程应用和发展,最后简述了灌浆病害的监测与修复,并对海上风电灌浆技术进行展望与总结。

海上风电场施工安装风险管理研究

随着经济与社会的发展,海上风力发电已成为可再生能源发展的重要方向,与陆上风电相比,海上风电建设的技术难度和经济成本将明显提高,是制约其快速发展的瓶颈之一。以某典型海上风电场建设为例,应用风险管理理论,针对海上风电场建设中的基础施工、风机安装、海缆敷设、升压站施工等主体工程,进行风险的识别、分析并提出相应的控制措施,为类似海上风电场施工建设提供风险管控的参考。

考虑安装误差的灌浆连接段轴向力学性能研究

[目的]随着海上风机工程逐渐向深远海区域发展,海上恶劣的施工环境极有可能导致导管架基础灌浆连接的安装产生误差进而影响连接的轴向力学性能,故需要研究安装误差对于灌浆连接段轴向力学性能的影响规律。[方法]首先开展灌浆连接段缩尺试件的轴向静力加载试验,随后采用有限元分析方法来模拟对应试件的轴向加载过程,其模拟结果与试验数据显示出较好的拟合性。[结果]研究结果表明:纵向、横向安装误差的增大会导致灌浆连接段轴向刚度的增大,并会进一步改变套管和桩管的纵向应变分布;另外,安装误差的增大也会引起轴向加载过程中灌浆料内第三主应力最大值的增大和其分布位置的变化。[结论]综上所述,安装误差对导管架基础灌浆连接段轴向力学性能的影响可能导致灌浆连接段破坏模式的改变,故需根据安装误差的影响规律来对其危害予以充分的考虑与评估。

海上风机基础灌浆连接段压弯性能试验研究

对四根不同轴压比的灌浆连接段试件进行压弯试验,研究了不同轴压比灌浆连接段试件的压弯承载力、延性和破坏模式,并且分析了压弯荷载作用下的灌浆连接段钢管应变分布规律。试验结果表明:灌浆连接段试件具有良好的延性和较高的承载力,且随着轴压比的增加,灌浆连接段试件水平承载力与延性不断减小。

海上风机导管架支撑结构灌浆连接段数值分析

采用有限元数值模拟对海上风机导管架支撑结构灌浆连接段进行几何参数分析,研究压弯设计荷载作用下几何参数对连接段力学性能的影响。参数分析表明,在位移方面,灌浆连接段的长度,套管厚度和桩管厚度通过改变连接段线刚度影响最大横向位移以及最大竖向位移。在应力方面,钢管厚度显著影响钢管的最大Mises应力,灌浆长度不直接影响钢管最大Mises应力;灌浆长度、钢管厚度不显著影响浆体的Tresca应力,浆体厚度影响浆体最大Tresca应力,且浆体厚度有最优值。该研究成果为海上风机导管架支撑结构灌浆连接段的设计提供一定的技术参考。

海上风机导管架基础灌浆连接段轴向受压疲劳性能试验

灌浆连接段是海上风机导管架基础中的关键结构之一。通过缩尺灌浆连接段试件的轴向疲劳试验研究其疲劳性能。根据静力试验得到灌浆连接段极限承载力并确定疲劳荷载幅值,进行五个试件的轴向加载疲劳试验。轴心疲劳试件在经历200万次轴向疲劳荷载循环后,没有发现明显的灌浆层裂缝及钢管鼓曲。对于偏心疲劳试件,0.4的偏心率产生的弯矩引起了内钢管对灌浆层的较为严重的挤压,内管顶部偏心侧灌浆层出现明显开裂现象。通过对试验结果的分析可以得知,轴心加载试件在0.35Pu为上限的轴心疲劳荷载下的疲劳性能稳定,仅内管顶端出现了局部损伤,在引入偏心疲劳荷载后,会产生灌浆层的断裂现象,并且裂缝出现位置均为灌浆连接段顶部到第一个剪力键之间。因此,当风机基础结构设计中灌浆连接段的计算偏心率较大时,应引起设计工程师的注意。

海上风机导管架基础灌浆连接段受力分析

开展近海风电导管架基础的灌浆连接段受力分析,对于理解其传力机制与受理机理、保证海上风机支撑结构的安全性能、优化设计等方面具有重要的理论与现实意义。首先利用DNV规范对影响灌浆连接段性能的因素开展参数敏感性分析,再运用有限元软件对导管架基础的灌浆连接段进行模拟,该软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系。根据规范进行的参数敏感性分析,得出一些重要规律和结论,便于工程设计人员更好地理解先桩法导管架基础灌浆连接段的受力特点,选择合适的参数用于灌浆连接段设计,再依据数值模拟,确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。

珠海桂山海上风电场风电机组基础设计

珠海桂山海上风电场是我国南海第一座大型的海上风电场,其风机基础同时具有海洋结构工程、高耸结构基础、动力设备基础和复杂软弱土地基基础四种显著工程特性,地基基础设计成为该工程的关键技术难题之一。介绍了该工程风机塔基础设计内容,重点分析了海洋土参数与桩土相互作用、风机基础结构耦合分析、频率窗口问题、基础结构疲劳分析、防腐设计、灌浆分析等基础设计关键技术。

海上风电灌浆连接段疲劳机理研究综述

海上风机基础灌浆连接段会受到自重及风浪作用产生的轴向荷载和弯矩荷载,由于风浪荷载的时变性,荷载的方向和大小具有随机性,在海上风机20年或25年的服役期内,会承受多达109次荷载效应,疲劳问题突出.对钢结构、灌浆材料、整体结构三方面进行疲劳性能评估,并着重描述了无剪力键与带剪力键灌浆连接段疲劳机理试验研究,最后总结了海上风电灌浆连接段的疲劳机理研究.

海上风电灌浆连接段静力受力机理研究综述

海上风机基础灌浆连接段是设计与施工过程中的一项关键环节,在风机长期运行过程中,会受到轴力、弯曲以及两者耦合的作用。主要从轴压与弯曲两方面阐述灌浆连接段静力受力静力的研究,首先详尽地描述了无剪力键与带剪力键灌浆连接段受轴压机理,然后对其灌浆连接段的受弯机理研究进行了详细阐述,最后对海上风电灌浆连接段受静力机理研究进行总结。

DNV规范(2014)海上风机基础灌浆连接段抗弯性能设计理论研究

挪威船级社(DNV)于2013年9月正式与德国劳氏船级社(GL)合并为DNV·GL,并于次年5月推出了最新版《海上风机结构设计规范(DNV-OS-J101)》。该规范结合了DNV和GL的最新研究成果,对原有规范关于海上风机基础灌浆连接段设计验算的相关内容进行了大量地更新和补充,其中最值得注意的补充内容是带剪力键的单桩和导管架基础灌浆连接段的抗弯承载力的计算方法。在多篇文献的基础上,对相关公式进行理论研究,给出设计公式的理论依据,为行业设计者更全面地理解该规范提供参考。

某海上风电场测风塔钢管桩桩基可打入性分析

海上风机基础和测风塔基础的可打入性分析是钢管桩设计的重要内容。在实际打桩过程中,为避免钢管桩无法下沉到设计土层标高或桩已达到设计标高,但桩的贯入度偏大等情况,需在施工前分析桩基的可打入性。以某海上风电场测风塔为例,运用GRLWEAP打桩分析软件,分析了钢管桩在连续打桩与后续打桩及部分土塞和不形成土塞工况下的可打入性,并与打桩实测记录进行对比,优化了打桩分析参数与土壤力学参数,为后续海上风机支撑结构桩基的可打入性分析提供了参考。

海洋工程中灌浆连接段若干规范比较

灌浆连接是海洋工程中最常用的连接方法之一。文章比较了其适用的五部规范及推荐做法:英国健康与安全执行局《海上结构桩与套管连接技术报告(HSE-Pile/sleeve connections—2001)》,美国石油协会《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法(API RP 2A-WSD—2007)》,国际标准化组织《石油和天然气行业固定海上钢结构规范(ISO19902—2007)》,挪威的石油技术法规《钢结构设计规范(NORSOK-N-004—2013)》,挪威船级社《海上风机结构设计规范(DNV-OS-J101)》,给出了上述规范的验算方法及适用范围。由于灌浆连接段在使用中的受力形式不断复杂化,本文进一步研究了规范《DNV-OS-J101》的发展历程,为该行业的设计人员理解该规范验算方法概述及适用范围的发展提供了帮助。

海上风机基础灌浆连接段抗震性能试验

海上风机在使用期间可能会受到地震荷载的作用,因此需研究灌浆连接段在不同轴压比下受低周反复荷载作用的滞回性能。对3根不同轴压比的灌浆连接段试件进行低周反复加载试验,研究灌浆连接段试件在低周反复荷载下的破坏模式、滞回曲线、延性与耗能及强度与刚度衰减等抗震性能。试验结果表明:在低周反复荷载下灌浆连接段的最终破坏模式为底部钢管的鼓屈破坏,伴随着浆体不同程度的开裂和剪力键的压碎;灌浆连接段试件滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力及延性;随着轴压比的增大,灌浆连接段试件水平极限承载力下降,位移延性和耗能能力不断下降。

海上风机基础灌浆连接段压弯性能有限元分析

灌浆连接段在海上风机支撑结构中得到了广泛运用。由于灌浆连接段独特的几何构成,其内部浆体的变形和应力状态难以用试验方式得到。因此,基于已有试验结果,利用有限元软件ABAQUS对灌浆连接段试件在压弯荷载下的力学性能进行了分析。将有限元分析结果与试验结果对比,从试件破坏形态、荷载-位移曲线和钢管纵向应变分布三方面验证了有限元模型的可靠性。基于有限元分析结果,对灌浆连接段浆体及钢管的应力分布和变形进行深入分析,进而得到了灌浆连接段压弯荷载的传递机理。研究结果表明:灌浆连接段主要通过形成灌浆料斜压短柱来将荷载从套管传递至桩管,且钢管的破坏先于灌浆体。

船撞海上风电单桩基础结构剩余强度研究

针对风电装备服役中多次出现船舶失控撞击风电单桩基础结构,导致其承载性能改变,造成严重安全隐患的问题,采用非线性有限元法,结合船撞海上风电单桩基础结构过程中涉及的材料、几何及接触非线性问题,考虑桩土作用,提出并采用船舶-风电结构-土体全耦合模型。以工程实际风电单桩基础结构为研究对象,对船撞前结构极限强度、结构损伤与损伤后结构剩余强度进行了计算,并对船撞后基础结构损伤特性与剩余强度的变化规律进行了分析,获得了船撞过程速度和角度参数与受损结构剩余强度的相互关系。得出准静态法在非线性求解过程中处理收敛性问题上更有优势;采用动态显式求解程序能更好地求解碰撞过程中各参数对碰撞结果的影响;进行受损后剩余极限强度研究时应先进行动态衰减能量分析等结论。

海上风机灌浆连接段应力评价方法探析

[目的]灌浆连接段被广泛应用于海上风机支撑结构与基础的连接,其力学性能对整个风机的可靠性至关重要。为了探寻对灌浆连接段合适的应力评价方法,文章进行了有限元模拟分析。[方法]通过建立数值模型来探究灌浆连接段在给定的压弯荷载下的应力分布情况,提出用名义平均应力和应力相关系数的概念来评价其总体应力水平,最后研究了各种参数对连接段力学性能的影响,并确定了在各参数变化条件下应力相关系数的范围。[结果]参数分析的结果显示剪力键的位置对灌浆连接段钢管的Mises应力和浆体的Tresca应力有较大的影响。并且钢管的厚度与最大应力具有负相关性。同时发现,灌浆层的最大Tresca应力仅对自身厚度的变化较为敏感,而对钢管厚度变化不敏感。最后,根据参数分析确定的应力相关系数在3到6之间。[结论]参数分析结果可以为灌浆连接段设计提供参考,而应力相关系数能够被应用于初步评估灌浆连接段在联合荷载作用下的力学性能。

以设计为龙头的海上风电工程总承包项目管理研究

[目的]为应对平价上网阶段下海上风电行业发展的巨大挑战,推动海上风电产业可持续健康发展,[方法]基于我国多个以设计为龙头的总承包模式建设的海上风电项目,分析工程总承包模式在电力工程中的应用,提出海上风电工程总承包管理当前特有的挑战与对策,从宏观上总结平价上网阶段下以设计为龙头的海上风电工程总承包管理的主要优势。[结果]研究认为总承包模式对于海上风电降本增效有明显帮助,尤其是以设计为龙头的海上风电工程总承包模式,它有效地调动了产业链各环节的力量推进降本增效。[结论]研究成果为平价阶段下推动海上风电行业可持续发展提供了有益的借鉴,将会大力地促进平价上网阶段深远海风电场建设的高质量发展。

单桩基础灌浆连接段受力机理分析

海上风机中,上部支撑结构和基础之间的连接是通过灌浆连接段实现的。近年来,风力发电发展迅速,风力发电机的功率越来越大,对单桩基础灌浆连接段的受力性能提出了更高的要求。在复杂荷载作用下,灌浆连接段受到轴力和弯矩的共同作用,有必要对压-弯共同作用下的灌浆连接段进行受力性能的研究。采用数值分析方法,分析了压-弯作用下不同轴压比时灌浆连接段的极限承载力、钢管与灌浆料之间的接触压力情况和灌浆连接段的应力情况。同时,根据学者Lotsberg提出的弯曲承载力组成理论,通过提取钢管与灌浆料之间的接触力,并对它们进行数值积分,分析了不同轴压比下灌浆连接段抗弯承载力组分的变化规律。通过分析,明晰了带剪力键的灌浆连接段的受力性能,为设计工作提供依据。

海上风机单桩基础灌浆连接段受弯疲劳性能试验

设计外直径为612mm,长度分别为4365mm,4475mm,4585mm,共5根带剪力键的圆柱形单桩基础灌浆连接段模型试件,对其进行等幅弯曲疲劳试验研究,不同试件的荷载幅由其静力极限状态弯矩承载力确定。试验结果表明:尽管局部可能出现性能退化,灌浆连接段整体仍可承受200万次疲劳荷载,未出现明显的抗弯性能退化,且200万次弯曲疲劳循环之后的试件残余变形可忽略不计;在最长的试件中,由于试验荷载幅最大,试件焊接部件在经历约128万次疲劳荷载之后出现开裂,试验停止,但灌浆连接段本身未出现任何破坏。比较不同长度的试件发现,带剪力键的灌浆连接段常用设计规范中规定的长度下限值仍较为保守。