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海上风力发电机混合动力基础系统
Ahmed Abdelkader . M. Hesham El Naggar
摘要：全世界对绿色清洁能源的需求正在不断增加，这促使着我们解决这个领域发展的障碍。其中一个主要障碍，是风机的离岸基础系统的高昂成本。我们提出一种新型海上混合基础系统，试着为大型海上风机降低建设成本。这个新系统由圆形预制混凝土板组成，在现场（即海上）连接到尺寸小于普通桩的钢单桩上。本文完成了对不同的基础系统（包括单桩）的参数研究。我们使用3D非线性有限元模型，在模拟环境荷载下考虑了不同基础的构造，并对基础不同位置的位移和桩头的旋转进行分析和评估。这项工作在海上风机应用方面为此新型基础系统设计方针的发展铺就道路。
关键词： 风能 基础 混合动力 离岸系统
1引言
通常，强风与台风多发地区的两种风有关。一个是自然风，另一个是台风，或者说强烈的热带气旋。各种类型的框架的关于振动和屈曲（静态稳定性）特性的研究的已经实施。Cheng（2011）通过使用传递矩阵法，研究了平面框架的弹性临界荷载。Cheng等人（2012）描述了一种通用的数字计算机方法。
海上风力涡轮机行业正在发展（Lozano-Minguez等人，2011； Hameed等人，
2011）。海上风机基础不仅要承受巨大的横向风荷载，还有波浪和水流引起的其他环境荷载。当前拟建的海上风电场的初始地点通常位于浅水区，但是随着风机尺寸的不断扩大，人们正在考虑更大水深的地点。这些地点带给基础设计工程师的主要挑战是在深水中提供有效、可靠和易修建的基础系统。海上基础的这些发展在支出中占了很大比例，大约占总安装成本的35％（Byrne和Houlsby，2003年），推动了引入有成本效益的基础选择的创新。
工程设计方面的专业知识和海洋结构基础的建设主要来自服务于石油工业的平台。但是，石油平台和风力涡轮机之间存在重大差异，根据垂直与水平荷载比，石油工业中该比为高。另一方面，该比率在风力涡轮机的基础上相当低，这对其设计提出了不同的要求。
浅层最常见的地基类型是重力基础，依靠高自重来克服风、浪和流的横向荷载。为了尽量减少建设成本，这些基础通常是作为预制混凝土块在岸上制造的，
然后将被运送到预定的海上位置安装。在Nysted和Thornton银行海上风电场(Thomsen和Forsberg，2007)中提出了一种新的重力基础系统，其中一个大型空心重力基础在岸上铸造，然后移至海上竖立，然后用海底填充材料回填。
单桩基础也被广泛使用。例如，它们在丹麦的Horns Rev中用于2.3兆瓦级涡轮机（Gerdes等，2008）。这些桩通常直径为4 m或更大，长度为20–40 m，通常是由过渡部分连接到塔（轴）的空心钢驱动桩。吸水沉箱是另一种基础类型，它被下沉到海底，然后将残留的水用泵吸住，帮助基础安装到其上地基土中的最终位置（Houlsby和Byrne 2001）。Ibsen和Rune（2004）提出了一个新的3兆瓦涡轮机的斗式系统及安装技术，其含有加强系统性能的裂缝。El-Marassi et al（2008）提出了混合单桩立足系统（有顶桩），和单桩基础相比，增强了横向和轴向抗荷载能力，增大了横向刚度。本文进一步探讨了考虑预制混凝土板作为基础的施工，以降低安装成本。
2工作目标和范围
本研究的主要目的是检查由预制钢筋混凝土板组成的混合地基系统，以及中央驱动的钢桩的性能。可以预见，该系统可以在大大降低安装成本的同时，提供可靠的轴向，横向和摇摆阻力来满足风力发电机基础的要求。施工顺序包括先打桩，然后以整体为中心降低预制混凝土板，以合适的直径以使单桩位于中心。然后将两部分共同灌浆形成一个完整的混合基础系统。可以预见，由于预制板的额外容量，该系统可以将所需单桩的规模从6m减小到4 m。系统使用三维有限元模型对风浪载荷下的性能进行了研究。这个新系统的概念也可能适用于用现有的单桩添加预制混凝土板基础，将现有涡轮机升级为更大的风力涡轮机。
3混合基础系统的说明
此新系统中包含一个连接预制的混凝土盖的空心钢桩。该系统适用于深度为20–30 m的近海水域设施，本文提出的尺寸是为了满足此环境荷载的要求和现场条件实例。但是，这些尺寸也可以针对其他环境荷载和现场条件进行优化。本文提供的分析的目的在于展示拟建的混合基础系统在减小单桩尺寸方面的有效性，并同时提供可接受的设计。
本文考虑的示例混合动力系统为由三部分组成：第1部分是直径4 m的钢打入桩，壁厚为0.08 m，考虑到可变长度（16、24或36 m）；第2部分是直径为6 m，壁厚0.08m，长20 m的钢管（风机轴），和一个预制混凝土盖（直径为12或16 m）的组合。考虑到预制混凝土盖的不同构造：一个最小的圆盘厚度为1 m的圆形板，一个有着8个1m宽的裂缝的圆形预制混凝土板和一个有着8个2米深的肋的圆形板。第3部分是连接第1部分和第2部分的海上注入的圆柱形灌浆。风力涡轮机塔将连接到上部钢管的顶部。
上部钢管（长20 m）重约2376 kN，混凝土板重约2905 kN。钢管将在陆上施工期间将底部连接到预制混凝土盖。预制混凝土板与6 m长管道之间的连接将通过钢剪接头来实现，使荷载在两者之间传递。基础系统的上部（钢管和预制混凝土板）将连接到用钢筋加固的海上圆柱形灌浆的打入式钢桩（第3部分）。图1显示了混合系统的组成部分及建议的施工阶段。
4荷载
DNV（2011）和IEC（2009）规范提出了海上风机用于计算风气候特征，荷载，荷载影响和荷载因素的准则。国家可再生能源实验室（NREL）报告中的信息描述了涡轮机在平均海平面上对地基顶部施加的力和力矩。 荷载组合可以在图2中看到，其中6C表示六个分量：三个单向载荷（一个垂直载荷和两个垂直水平）和三个力矩。3C表示三个分量：两个单向载荷（一个垂直载荷和一个水平载荷）和一个弯矩。2C表示两个分量，即一个水平荷载和一个弯矩。 所有力和力矩适用于平均海平面（MSL）。
4.1风荷载
4.1.1工作负荷
稳态载荷随风速的变化，是利用FAST方案进行的NREL研究得出的，该方案不包括塔上的空气动力载荷。空气动力学荷载相对于转子推力被认为是可以忽略不计的，NREL 5MW涡轮机在第3阶段运行（Jonkman等，2009）如图3所示。
4.1.2极限荷载
为了建立具有代表性的大型风力涡轮机风荷载，我们考虑了国家可再生能源实验室(NREL)的数据，建立了5MW风力涡轮机的比例模型(Jonkman等，2009)。表1总结了5MW NREL风力发电机的性能，包括塔架，机舱，轮毂和叶片。缩放模型（1：150）在加拿大伦敦西部大学边界层风洞实验室(BLWTL)进行了测试，采用力平衡技术测量了轻质、刚性塔基的剪切和弯矩荷载。在数值分析中，本文在地基基础上应用了弯矩和水平剪力的静态峰值（Abdelkader等，2014）。这些数值列于表2。
4.1.3波浪荷载
本研究中考虑的波浪载荷根据技术报告NREL/TP-5000-48191和NREL/CP-500-41930(Jonkman and Musial 2010；Passon and Khn 2007)）建立。利用GH叶片的标准波发生器模型推导了确定性和随机波条件下的波运动学。推导载荷时考虑的波特性如下：波高H = 6 m，波浪周期T = 10 s，水深 = 20 m。波浪考虑为施加在直径D = 6 m的桩（即风轮机轴）上（新混合动力系统的上部）。
波浪荷载作为一个值为1500 kN的集中荷载，从塔基的风中加入到中。
5数值建模
本文使用有限元方法进行了数值分析。利用Abaqus程序（2009）建立了地基系统和土体的三维非线性有限元模型。使用3D可变形固体元件以不同的材料模型对基础系统的土壤和组成部分进行建模。用弹性-完美塑性本构模型和莫尔-库仑破坏准则对砂土进行了模拟。用弹性-完美塑性模型和莫尔-库仑破坏准则对钢管和钢桩进行了模拟，其性能如下：屈服强度=240MPa，杨氏模量=200GPa和泊松比v=0.3。 在不同材料之间应用了相互作用特性，以确保实际模拟，包括： 切向摩擦系数为0.5，特征表面尺寸分数为0.005；采用约束强制法和压力-过度封闭作为硬接触，允许分离后接触。为了评价混合系统相对于传统单桩系统的性能，对五种不同的基础系统进行了分析。所考虑的不同的系统为（图4所示）：
1）单桩基础系统
（a）一根直径（）= 4 m的桩和一根上部钢管直径（）= 6 m的桩（该系统目前用于支撑3 MW风力涡轮机，Gerdes等，2008）（图4a）。
（b）= 6 m， = 6 m（该系统被NREL用于支持其5MW风机）（图4b）。
2）混合基础系统
（a） = 4 m， = 6 m，一块预制混凝土板（）= 12 m（无裂痕）（图4c）。
（b） = 4 m，= 6 m， = 16 m（无裂口）（图4c）。
（c） = 4 m，= 6 m和 = 16 m（有裂痕）（图4d）。
5.1数值模型网格划分
进行敏感性分析以确定模型的合适尺寸和元件的大小。模型底部的水平边界与桩头的距离至少为桩直径的三倍。垂直边界位于与模型中心距离桩直径20倍的位置。网格是用自动扫描网格划分技术和中间轴算法划分的，可用Abaqus软件（2009）得到。 元件的近似全局大小在0.25–1.0 m的范围内，具体取决于土壤模型的大小。
5.2边界条件
在土壤模型的底部边界处应用X、Y和Z方向的固定平移，并在土壤外表面的垂直边界应用X、Y两个方向的固定平移。 在桩与相邻土体之间的界面上施加了相互作用面，允许桩的滑移和分离，从而可以合理地模拟切向和法向活动。考虑不同荷载情况下，我们对单桩尺寸(=4和=6m)和混合地基系统(有裂缝和无裂缝)分别进行了分析。表3中给出了所考虑的混合体的几何无量纲性质。
5.3模型验证
在NREL/TP-5000-48191(Jonkman和Musial，2010)中描述的类似的单桩基础系统的分析中，考虑了直径=6m，壁厚0.06m的36m长钢桩。使用15种不同的数值模型、不同的计算机程序对其进行了分析。单桩安装在平均摩擦角为phi;=36°的砂土中，浸没单位重量为10kN/msup3;。采用三维数值模型分析了单桩在MSL水平力3000kN下的响应(Jonkman和Musial，2010)。钢管和钢板桩性能如下：屈服强度=240MPa，杨氏模量=200GPa和泊松比v=0.3。据报告(Jonkman和Musial，2010年)，在泥平面的横向位移在15-20毫米范围内。在相同条件下，在电流分析中计算出的横向位移为16.6cm，从而证实了数值模型能够正确地模拟基础系统的活动。
6不同基础系统的结果和分析
我们对此进行了广泛的参数研究：（1）评价所提出的混合系统相对于传统单桩地基的效率（2） 评价考虑不同荷载分量对仅考虑风、水平荷载和摇摆力矩的传统方法的影响。所有基础系统都被认为安装在具有以下性质的土壤中：浸没单位重量 = 9 kN /msup3;，杨氏模量= 30 MPa，泊松比v = 0.3，摩擦角phi;= 30°，扩张角 Psi;= 1°，最大屈服应力为0.001 kPa（El-Marassi等，2008）。钢管和钢管桩被认为具有以下特性：屈服强度 = 240 MPa，杨氏模量= 200 GPa，泊松比v = 0.3。
6.1对工作负载的响应（稳定状态加载性能）
所有基础系统，包括直径 =4 m单桩，直径 = 6 m单桩，= 12，16 m混合系统，和带有裂板的混合系统，在考虑不同的桩长和5C（两个垂直水平荷载，一个垂直荷载和两个摇摆矩）的工作荷载条件下建模。这些力的值是为5MW NREL风力涡轮机从(Jonkman等,2009)获得的。
图5显示了五个系统的和的变化，以及它们在不同桩长下的桩头旋转。 图5a显示由于横向阻力增加，在=4m单桩中加入预制混凝土板会降低，但这个有益的优点随着桩长增加而减小。结果还表明了混合系统带或不带裂缝的不同响应。然而，=6m的单桩的表现略优于混合系统。 图5b显示了泥浆水平下不同系统的。从图中可以清楚地看出，在=4m桩中加入预制混凝土板增加了其横向阻力，从而降低了。同时还指出，有裂缝的混合系统比=6m、桩长达30m的单桩具有更好的性能，此外=6m桩有更小的位移。图5c显示，不同基础系统的桩头旋转表现出与横向位移相同的行为。
6.2对极限载荷的响应
我们研究了五种不同的基础系统（如图4所示）在20米水深处的安装， 分析了60多例不同荷载组合、基础系统和桩长下的荷载，在具有不同的桩长的基础的平均值上计算横向位移。
图6显示了不同极限荷载组合下不同地基系统在MSL()的横向位移：（a）2C，（b）3C和（c）6C。 如图6所示，和预期一样，=4m单桩由于在所考虑的所有直径中最小而表现出最大位移，因此其横向和摇摆刚度最低。混合系统(有无裂缝和=12或16m)显示的横向位移都小于单桩(=4m)系统，这是由于板导致这种短桩情况下侧向阻力的增加相对较大。然
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