水平受荷桩“p-y+M-θ”分析方法

中国近海海上风电机组开发建设中,大直径单桩基础形式使用占比超70%。现行p-y曲线设计方法主要适用于小直径柔性桩,对大直径单桩侧向及桩底受荷描述能力不足,导致其严重低估刚柔性桩和刚性桩(分别常用于中国和欧洲的近海风电工程)的变形和承载能力,过于保守的设计给海上风电降本带来挑战。为此建立了能以统一的方式预测柔性、刚柔性和刚性单桩水平单调受荷响应的“p-y+M-θ”模型,并将该模型推广到循环荷载下单桩的响应分析。通过与相关试验结果比对发现,“p-y+M-θ”模型能较为准确地预测桩基水平加载响应。力图为水平受荷单桩工程设计提供简洁而可行的响应分析方法。

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。

海上风电大直径单桩基础循环重固结效应离心机试验研究

我国东南沿海台风频发,海上风机在其服役期内往往经历多次循环重固结阶段。然而当前绝大多数研究仅局限于未经历重固结的单桩循环响应,鲜有研究考虑循环重固结效应对后续单桩响应的影响。为此,针对软黏土中两种桩径的大直径单桩基础开展了一系列不同幅值下的循环重固结离心机试验,旨在揭示并量化循环重固结效应对大直径单桩循环累积位移、桩头刚度等关键设计指标的影响。试验结果表明:同等循环荷载幅值下,经历2轮循环重固结后,单桩基础桩头刚度相比初始刚度最大提高了1.5倍,这使得单桩累积位移显著减小,最大减幅达63%。因此,若设计过程中不考虑循环重固结效应对单桩后续循环响应的影响,而直接将每场极端台风下单桩的累积位移进行累加,则会严重高估桩头累积位移,使单桩基础设计偏于保守。

SSI效应对下一代大型海上风力机动力学响应特性影响

为进一步降低风力发电成本,采用15 MW及以上容量的风力机成为未来风电的主要发展趋势。为了研究土-结构相互作用(Soil Structure Interaction,SSI)效应对下一代超大型海上风力机动力学响应特性的影响,文章通过对FAST二次开发,基于一组线性弹簧建立了单桩式IEA 15 MW风力机的SSI模型,计算了常规发电工况以及极端停机工况下的机舱振动和支撑结构弯矩。计算结果表明:忽略SSI效应会导致发电工况下塔顶弯矩和泥面处支撑结构弯矩的预估值明显偏低,对极端停机工况下结构动力学响应影响不甚明显,考虑和忽略SSI效应时,50 a一遇极端工况下的疲劳损伤相差不足3%;但在风速较低时,SSI效应的影响十分明显,在风速为8 m/s的工况下,塔顶和泥面弯矩最大值的预估结果分别偏低37.6%和20.1%;考虑SSI效应时,由于基础存在垂向运动,产生了较大的机舱振动,显著增大了支撑结构在泥面处的疲劳损伤。以上结果说明了设计超大型海上风力机时考虑SSI效应的必要性。

近海风电结构台风环境动力灾变与控制

开发海上风能是实现我国碳达峰、碳中和“3060”目标的重要举措.海上风电的大型化是降本增效的主要途径,已成为近年来的发展趋势.目前海上风电基础结构设计标准由欧洲领衔;区别于欧洲的海洋环境与地质条件,我国海上风电结构面临强台风、软弱土等挑战,极易发生动力灾变,大型化可能进一步加剧风电结构灾变风险.防灾降载的关键在于深入理解海上风电相关的空气动力学、水动力学、结构动力学、土动力学等的一体化耦合与智能控制.本文围绕台风环境风机动力灾变与控制相关领域的交叉力学问题,结合笔者团队近年研究成果,较为详细地评述了国内外最新研究进展情况,主要包括:台风风场及其诱发的波浪场工程尺度性状,台风环境中风机气动、水动载荷及智能控制策略,风浪流多向载荷联合作用下基础失效模式与结构灾变机制,以及考虑风浪流-结构-基础-海床-风机控制耦合作用的一体化分析设计方法.在此基础上,建议了我国海上风电大型化进程中仍有待突破的研究重点:需更深入掌握台风风场工程尺度性状、台风和台风浪载荷特性,需探索台风环境中的风机控制策略,亟需建立台风环境中大型海上风电整机一体化设计理论并开发国产化工业软件.上述相关领域的突破,对于我国实现海上风能产业的全球引领,具有重要的科学意义和工程应用价值.

黄海海域极端荷载下海上风力机结构累积变形及疲劳性状——3种典型基础对比研究

相比于欧洲风电场普遍存在的超固结硬黏土海床,中国海床主要由饱和软土构成,其承载力远低于欧洲风场。因此国外风力机设计无法直接应用于中国海上风电建设。该文以中国黄海软土海床某海上风场的极端荷载、土力学特性为背景,开展考虑桩-土横向循环相互作用的数值模拟,研究并比对单桩、三桩导管架和群桩3种基础支撑的海上风力机结构累积变形及疲劳性状。基于系统数值分析,给出了3种风力机基础的尺寸比选与优化设计参数。

基于FDEM的大型海上风机嵌岩单桩基础水平承载特性研究

目前对于海上风机大直径嵌岩单桩基础水平受荷性状的研究尚少,且传统数值计算难以考虑岩基海床破碎对基础承载性能的影响,因此其破坏机制尚不明确。针对海上风机大型嵌岩单桩基础水平承载特性精确数值模拟和分析中存在的难题,首先根据海上风场地质勘测数据,采用有限-离散元耦合程序(FDEM)研究岩基海床中风化花岗岩力学特性;然后通过改进FDEM程序中网格重划分与接触检测部分算法,实现桩-岩界面黏聚力单元控制嵌入的功能,基于自主开发的FDEM前处理程序GiD-Y2D,建立大型单桩-岩基海床相互作用的FDEM平面应变模型;最后对桩-岩接触界面破坏模式与嵌岩桩基水平承载力特性进行分析。研究结果表明:岩基海床破坏模式分为受拉破坏阶段与受压破坏阶段,受拉区破坏时单桩水平位移约为1.37×10^(-4)倍的桩径,局部失效后单位桩长土抗力下降约30%,承载力刚度下降为原来的2/5;受压区破坏时单桩水平位移约为2.17×10^(-3)倍的桩径,失效后基础达到极限承载力,桩周岩体脆性破坏,单位桩长土抗力迅速下降约62.7%。