海上风机导管架基础灌浆敏感性分析

海上风机导管架基础灌浆敏感性分析

郇彩云 1,2，李 涛 1,2

1.浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014

摘要：海上风机导管架基础灌浆材料的价格较高，灌浆段长度、厚度设计过大，将造成材料的浪费，甚至产生不利的影响，因此需要对灌浆材料进行敏感性分析。本文采用ANSYS有限元软件，开展导管架灌浆段分析，分析灌浆段长度、厚度、非线性对结构材料的影响，应力随灌浆长度增加呈先减小后增大的趋势，应力与灌浆厚度之间的关系相关性较差。

关键词：海上风机；单桩基础；疲劳分析；沉桩分析

我国海上风电这十年间经历了从无到有，目前水深较浅、风资源较好、离岸距离较近的、开发成本相对较低的风电场基本已经建设完成或正在建设中，后续海上风电将越来越向深远海发展。海上风电的建设和工作环境十分复杂。目前安装使用的海上风力发电机逐渐从最初的2MW，发展到如今的8MW，未来甚至达到20 MW。而对应的风机的高度可以达到125m，叶片直径达到120m。由于风、浪和海流的作用，海上风机基础受到巨大的水平荷载和倾覆弯矩作用。

随着水深的增加，风电机组容量加大，风机基础越来越向刚度大、受力面相对较小的导管架基础方向发展。

1 导管架基础灌浆材料

导管架基础主要由过渡段、导管架及下部钢管桩组成，如图1所示。其中导管架基础与钢管桩之间主要依靠高强灌浆连接。灌浆材料的性能，包括压缩、拉伸、弯曲、抗折等强度指标决定了基础的整体安全性。因此灌浆材料的价格较高，若灌浆段长度、厚度设计过短，结构的安全性难以保证，若灌浆段长度、厚度设计过大，将造成材料的浪费，甚至产生不利的影响，因此需要对灌浆材料进行敏感性分析。

图1 导管架基础模型

《海上风电导管架结构与桩基灌浆连接施工工艺》^[1]给出了6种国内外常见的灌浆材料。本文根据6种灌浆材料的各项指标，综合考虑各家材料的特性，最终采用指标见表1进行灌浆材料敏感性分析。

表1 灌浆材料性能指标

2 灌浆长度敏感性分析

灌浆材料的长度、厚度一方面影响结构的造价，另一方面影响结构之前的连接性能，同时还需考虑到施工过程产生的误差。

为简化计算，本文采用线弹性理论分析结构灌浆长度对结构受力等的影响。钢管桩外径为2.5m，壁厚为60mm，内径为2.38m，导管架外径为2.2m，灌浆材料厚度取90mm，分析灌浆段长度在5～11m时，材料各项力学指标的情况，如图2、表2所示。

图2 灌浆材料受力情况

表2 灌浆材料受力随长度变化表

根据上述长度敏感性分析可见，灌浆sint应力、第一主应力、第三主应力均随着长度增加呈先减小后增大的趋势，当灌浆段长度达到7m时，其所受应力相对最小。

3 灌浆厚度分析

根据灌浆段长度分析成果，选取灌浆长度7m，钢管桩直径壁厚不变，改变导管架直径，分析灌浆厚度增加时，灌浆材料的应力变化情况，如图3～6、表3所示。

①sint应力 ②第一主应力 ③第三主应力

图3 90mm厚灌浆材料受力情况

①sint应力 ②第一主应力 ③第三主应力

图4 115mm厚灌浆材料受力情况

①sint应力 ②第一主应力 ③第三主应力

图5 140mm厚灌浆材料受力情况

①sint应力 ②第一主应力 ③第三主应力

图6 165mm厚灌浆材料受力情况

表3 灌浆材料受力随厚度变化表

灌浆应力与灌浆厚度之间的关系相关性较差，随着厚度增加，应力出现先增大再减小再增大的趋势。由于灌浆厚度与灌浆量关系较大，直接影响结构的造价，因此在能控制结构精度的情况下，尽量减少灌浆厚度。

4 灌浆材料非线性分析

采用通用有限元软件ANSYS ^[3]。根据对材料长度厚度敏感性分析，本文选择灌浆长度为7m、灌浆厚度为90mm的灌浆连接段进行非线性分析。灌浆材料与混凝土材料力学性质较一致，本文根据常用混凝土材料模型，采用BSIN模型模拟灌浆材料，材料的应力应变曲线如图7所示。

图7 灌浆材料应力应变曲线

根据上述材料，将材料最大拉应力设置为7MPa，最大压应力按照110MPa设置，模拟分析灌浆材料的受力情况。计算结果汇总如图8所示。

（1）sint应力 （2）S3应力 （3）S1应力 （4）顶部应变 （5）底部应变

图8 灌浆材料计算成果

根据上述计算，采用非线性灌浆材料模型带入计算，灌浆应力最大为21.1MPa，拉应力超过7MPa的范围较小，但局部拉应力仍然较大，达到11.2MPa。

5 结束语

本文利用ANSYS有限元软件，开展导管架灌浆段分析，分析灌浆段长度、厚度、非线性对结构材料的影响，形成的结论如下：（1）灌浆sint应力、第一主应力、第三主应力均随着长度增加呈先减小后增大的趋势，当灌浆段长度达到约7m时，材料所受应力相对最小。（2）灌浆应力与灌浆厚度之间的关系相关性较差，随着厚度增加，应力出现先增大再减小再增大的趋势。由于灌浆厚度与灌浆量关系较大，直接影响结构的造价，因此在能控制结构沉桩精度、加工制作精度、控制最小灌浆厚度的情况下，尽量减少灌浆厚度。（3）采用BSIN模型模拟非线性灌浆材料模型，灌浆应力最大压应力为22.1MPa，满足材料的要求，但最大拉应力较大，拉应力超过7MPa的范围较小，但局部拉应力仍然较大，达到11.2MPa。建议在工程建设过程中，采用材料监测等手段，监测灌浆材料，确保材料在风机运行期内正常工作。

参考文献：

[1] Fatigue Design of Offshore Steel Structures[M] DET NORSKE VERITAS， DNVGL-RP-0005-2014.

[2] 海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法—工作应力设计法[M].国家发展和改革委员会，SY/T 10030-2004.

[3]尚晓江,苏建宇.ANSYS_LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]李围,叶裕明,刘春山,等.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

作者简介： 郇彩云，女，高级工程师，研究方向：海上风电基础结构设计。