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1、风机、塔架和基础整体化设计方法评估技术规范书种海上风电单桩基础的塔架构型设计方法受益于风电的技术进步和规模扩大，风电机组价格、风电开发投资成本及运行维护成本呈现不断下降趋势。如图1所示，海上风电机组主要包括风机机组（1）、塔架锥段（2）、塔架直段（3）、泥面以上单桩段（4）、泥面以下单桩段（5）。从风电机组价格来看，海上风机支撑结构包括塔架和基础两部分：风机塔架成本约占海上风电项目投资成本8%左右，海上风机基础主要包括单桩、导管架、高桩承台等不同基础形式，一般占海上风电项目投资成本的14%左右，即整体支撑结构成本在总建设成本中占比约22%左右。因此，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低海上风电
2、的平准化度电成本。当前国内海上风电项目在招投标时通常采用分步迭代设计方法，一般由风机厂家给出塔架设计并担保塔架工程量，评标过程中会对塔架重量进行排名和评分；标后详细设计阶段时风机厂家和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此流程下，风机厂家会尽可能给出塔架最轻的局部最优设计方案，而塔架最轻的设计往往不是整体支撑结构最轻的全局最优设计方案。在设计海上风机支撑结构时都包含了三部分：载荷计算、塔架设计和基础设计。1）载荷计算海上风电支撑结构受到风、浪、流等多种环境载荷的联合作用。行业内大部分风机厂家采用GH-BIaded进行一体化建模和载荷计算。一体化建模包含环境条件输入和整体支撑结构模型搭建两
3、方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况（海冰、地震、台风等）；整体支撑结构模型包括机头、塔架、泥面以上结构和基础（也可统称为基础结构）。载荷计算中考虑了风浪异向作用，根据IEC规范需要考虑正常发电、紧急停机、开机、正常停机、空转、维修等多种工况，根据风浪联合分布可分成多达20000多个工况。2）塔架设计塔架设计中，需要进行塔架主体及局部结构的极限强度、屈曲强度和疲劳强度校核。极限强度校核包括塔架筒体、塔架法兰、门洞及海缆孔、锚栓笼等局部结构的校核；屈曲强度校核包括塔架筒体和门洞海缆孔等结构的校核；疲劳强度校核包括塔架筒体焊缝、法兰连接螺栓、门框及海缆孔、顶
4、法兰、锚栓笼等结构的校核。3）基础设计在基础结构主体设计中，主要包含极限海况下的强度承载力分析、正常服役工况分析、船撞分析、地震工况分析等。荷载组合中考虑可能出现的最不利水位下的波浪、海流与风机运行载荷的极端组合作用。疲劳强度分析利用S-N曲线与Miner线性累计损伤理论进行疲劳计算。分别计算各个管节点在疲劳荷载作用下累积损伤程度，利用累积损伤程度评估结构的抗疲劳设计安全性。当前风电行业大都采用的是分步迭代设计方法。图2给出了海上单桩基础整体支撑结构的示意图。如图2所示，整体支撑结构以设计交界面为分界，交界面以上为塔架，交界面以下为基础结构。图2给出了分步迭代设计方法的流程。首先由设计院提供项
5、目的环境输入；风机厂家根据环境输入给出塔架和基础的初始构型并进行整体建模和载荷计算，在得到最优的塔架后把设计交界面处的载荷、塔架构型和频率要求提给设计院；接着设计院在给定载荷和塔架构型的前提下对基础结构进行校核和优化设计，并满足风机厂家给出的频率要求；最后风机厂家在得到优化的基础结构后判断是否收敛，如果满足则迭代结束，如不满足则重新建模并进行载荷计算。在这里收敛准则包含两类：一类是根据规范对塔架和基础校核的设计准则；另一类是本轮和上轮得到的优化设计的质量和频率差别是否在1%以内。需要说明的是，在当前采用海上风机支撑结构设计方法时，在确定了初步构型以后（塔架和单桩基础的直径）一般需要2-4轮迭代
6、才能收敛，每一轮都需要进行载荷计算、塔架和基础的设计优化。如果要进一步优化塔架和单桩的直径以找到整体支撑结构质量最轻的设计，将十分耗费计算时间以致于影响项目进度。因此，在实际工程项目中为了尽快提供塔架和单桩基础的施工图，往往没有足够的时间用于优化，并且在此过程中，塔架和基础的设计和优化是依次先后进行的，是两个独立的设计域，目标都是找到各自设计域中的最优设计。因此在实际的项目中，最终得到的设计往往是塔架最轻的局部最优设计，而不是整体支撑结构最轻的全局最优设计。综上所述，我们需要找到一种能够快速给出塔架构型的设计，以便在对海上风电单桩基础整体支撑结构进行优化设计时可以快速获得最轻的优化结果。二海上
7、风机塔架和单桩一体化试验设计方法1一体化载荷计算及结构设计海上支撑结构受到的载荷主要来自于风、浪、流。在支撑结构迭代计算中，一体化建模及载荷计算、塔架和基础结构设计是主要内容。1.1 一体化建模及载荷计算国内厂家目前都采用GH-BIaded软件对风机载荷进行一体化建模和载荷计算。一体化建模包含环境条件输入和支撑结构模型搭建两方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况（海冰、地震、台风等）；支撑结构模型包括机头、塔架、基础（包括泥面以下部分）。依据机组运行状态,将不同环境参数,控制参数以及机组运行情况进行组合。可分为正常发电，发电+故障工况，启机工况，停机工况，
8、紧急停机，空转，空转+故障，运维8个类别的工况组合（DLC,DesignLoadCase）o极限载荷的后处理根据IEC61400-3规范的要求，需要对极限工况进行分组统计：定常风工况和阵风工况，直接以单个工况参与最值统计；6个种子的湍流风工况，以同风速下不同种子的12个工况为一组，选取其中最接近本组平均结果的工况为目标工况，再参与最值统计；12个种子的湍流风工况，以同风速下不同种子的12个工况为一组，在每组中前6个工况中选取载荷选取其中最接近6个工况平均结果的工况为目标工况，再参与最值统计。受风浪异向的影响，海上塔架设计除受AMy的影响外，AMX的影响也不能忽略，因此疲劳计算需要将这两个载荷同
9、时考虑在内10。表1中给出了极限载荷的安全系数。图1给出了海上风机载荷计算的塔架坐标系，其中：原点位于塔架轴与基础平面交叉点处；XF为水平方向；ZF为沿塔架轴方向垂直向上方向；YF为水平指向侧方。考虑风浪异向影响，对海上塔架焊和单桩缝疲劳计算时应考虑Mx、My的影响。首先将Mx、My随时间变化的载荷时序在塔架圆周方向投影，投影角度为0z2,按照上面所示方式得到不同坐标系下的载荷时间历程分量，然后再按照传统方法进行雨流计算得到每个方向上的Markov矩阵。表1极限载荷的安全系数Table1SafetyfactorofULS极限:D兄安全系数极限工况安全系数DLC1.31.35DLC5.11.35
10、DLC1.41.35DLC6.11.35DLC1.51.35DLC6.21.1DLC1.61.35DLC6.31.35DLC2.11.35DLC7.11.1DLC2.21.1DLC8.11.5DLC2.31.1DLC8.21.1DLC3.21.35SeaIce1.35DLC3.31.35Earthquake1.0DLC4.21.35-图1塔架坐标系Tab.1Towercoordinatesystem1.2 塔架主体结构设计本文只对塔架和单桩的主体结构进行校核和优化设计。塔架结构主体校核主要包括：塔架筒壁静强度，塔架稳定性和塔架焊缝疲劳强度校核口1。塔架筒壁静强度根据第四强度理论进行判定，筒壁静
11、强度安全系数计算方法如公式(1)所示；对于质量等级为一级的全熔透对接满焊塔架焊缝，需要进行无损探伤。根据DIN18800-1,满足该量要求焊缝的连接部位的静强度由母材决定，无须对焊缝静强度进行计算。SRF二九1v,Ym(1)其中：Ym为材料安全系数；后次为材料的屈服强度，。V为塔架各截面上的等效应力。塔架稳定性分析采用标准DINEN1993-l-6o钢制塔架稳定性分析基于薄壳理论，针对轴向压力、剪切应力、环向压力及上述三种应力共同作用下的稳定性进行了计算。轴压力作用下的、剪力作用下的、环向压力作用下的和这三种力综合作用下的圆柱壳稳定性安全系数及圆柱壳不发生轴向失稳的条件的计算方法如公式(2)-
12、(5)所示：SRF2=吆L1(2)(3)(4)SRE=%1OO,Edx,EdxO.Ed其中：OX,Rd为圆柱壳轴向失稳临界应力值；OX,Ed为圆柱壳轴向失稳计算应力值；X0,Rd为圆柱壳实际剪切失稳临界应力值；X,Ed为圆柱壳剪切失稳计算应力值；。,Rd为圆柱壳环向失稳临界应力值；。Ed为圆柱壳环向失稳计算应力值；kx,k,k,ki为无量纲参数。塔架焊缝疲劳计算采用名义应力法。塔架焊缝有三类，分别为纵向焊缝、横向焊缝和内附件焊缝，计算时选取三者之中最不利的疲劳设计等级。根据Ll节中得到的MarkoV矩阵和S-N曲线可以得到塔架焊缝疲劳累计损伤，塔架焊缝的疲劳安全系数需满足式（6）条件：SRFg
13、l（6）1.3 单桩主体结构设计单桩基础结构主体校核主要包括：轴向承载力，极限工况节点UC值校核，疲劳强度强度和泥面转角校核12,13。单桩基础竖向承载力校核公式为：QEWQd（7）其中：Qd为打入桩单桩轴向承载力设计值；QE为打入桩单桩轴向承载力计算值。承受压缩和弯曲联合作用、拉伸和弯曲联合作用、轴向拉伸和环向压缩同时发生的圆柱形构件，在其全长的各点上均应满足下式（8）：ucl（8）单桩基础结构的疲劳分析，应符合国家现行标准海上钢结构疲劳强度分析推荐作法（SY/T10049）的有关规定。根据MarkOV矩阵和S-N曲线可以得到焊缝疲劳累计损伤，单桩焊缝的疲劳损伤值Damage应满足下列条件：
14、Damage1根据DNVGL-ST-0126规范，单桩泥面处总转角不超过0.5。，其中包括单桩桩体在泥面处的安装偏差角度，以及永久累计转角变形。通常认为桩体沉桩完成后的垂直度控制在0.25（即安装偏差角度为0.25。），因此在计算时桩基的永久累计泥面转角允许值。为0.25。，即：金0.25（10）此外还需对单桩变形校核如下三个指标：a）泥面水平位移不超过L/500（L为桩体入土深度）；b）桩端位移不超过允许值（通常取L/5000和IOmm中的较小值作为允许值）；c）基础的最大沉降量不超过IOomrno2海上风机支撑结构一体化试验设计方法试验设计方法是一种用于按照预定目标制订适当方案，对试验结果
15、进行有效的统计分析的实施方法14。图2给出了海上风机控制-塔架-单桩基础一体化试验设计流程，主要包含以下6个步骤：1）设计开始。获取风参、水文、地勘等环境参数，确定机型、轮毂中心高度、基础顶高程等设计基础。2）确定初始样本点。本文主要研究塔底直径、单桩直径和塔架构型对一体化设计的影响，可采用全因子抽样方法在设计变量取值范围内选取样本点。需说明的是，一般地，风机厂商会规定几种常见规格的塔底直径，如5.5m,6.0m,6.5m等，以便在详设阶段快速完成塔架内附件的施工图。本文中也以0.5m为间隔，采用全因子设计方法在两种塔架构型下（三直一锥和一直三锥）对塔底和单桩直径进行抽样。3）计算样本点的响应值。计算样本点的支撑结构响应值需要通过迭代设计得到,迭代流程如下：a）根据塔架构型、塔底和单桩直径预估载荷；b）给出塔架和基础的初始设计，包含分段、直径、壁厚等信息；c）使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算（通常由风机厂商完成）。d）同步进行塔架结构设计优化（通常由风机厂商完成）和基础结构设计优化（通常由设计院完成）；e）检查是否满足收敛准则，收敛准则主要包括：机组适应性（包括叶片、主轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机、底座等部件的
